如何使用 SSR 打造可靠、快速切換、低損耗的半導體自動測試裝置

如今積體電路 (IC) 的需求比以往都大，因為它們可以降低硬體開發成本，促進電子裝置的小型化，並提供廣泛的功能。半導體製造商需要可靠且緊湊的自動化測試設備 (ATE)，以確保批量生產的品質。此設備能夠以低和高訊號位準快速切換高頻 AC 和 DC 電流，並達到最小損耗。

以光伏 MOSFET 為架構的固態繼電器 (SSR) 非常適合 IC 測試器和 ATE 應用。其小型尺寸和無磨損特性值得注目。

本文簡要討論 ATE 要求。接著介紹 Panasonic 的 PhotoMOS 系列 SSR 中不同類型的光伏 MOSFET 繼電器，並重點說明其組件幾何結構和切換特性的差異。再以加速開／關切換和減少 PhotoMOS 特定漏電流的設計技巧總結本文。

高封裝密度和短訊號路徑

自動 IC 測試器使用密集的針式配接器 (探針卡) 接觸受測裝置 (DUT)，執行功能測試。測試頭中的模組會產生並分配高速測試脈衝，提供適當的電壓並切換測量通道。每次測試都必須在受限的空間內進行，以盡量減少線路損耗、訊號傳播時間、干擾和通道串音。

在此作業中，設計人員可以使用小型切換元件，例如 Panasonic 的 AQ 系列繼電器。例如，電壓控制 CC 型 AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR 採用 TSON 封裝，佔用 3.51 mm² (1.95 × 1.80 mm) (圖 1)。其使用電容耦合提供 200 V 隔離保護，並且採用電壓控制，控制電源僅需 1.2 mW。

圖 1：AQ 系列小訊號 PhotoMOS 繼電器的外罩尺寸；以 mm 為單位。(圖片來源：Panasonic，經作者修改)

電流控制 RF 型 AQY221R6TW PhotoMOS 繼電器僅佔用 3.8 mm²，但其 VSSOP 外罩比 AQY2C1R6PX 高 3.6 倍。控制電源僅需 75 mW，並使用光耦合提供 200 V 的保護隔離。其漏電流 (I_Leak) 非常低，僅 10 nA。

圖 2 顯示電容耦合 CC 型繼電器 (左) 和光耦合 RF 型繼電器 (右) 的電路原理。

圖 2：AQY2C1R6PX CC 型 PhotoMOS SSR (左) 採用電容耦合，以電壓驅動；AQY221R6TW RF 型 (右) 採用光耦合及電流驅動。(圖片來源：Panasonic，經作者修改)

GE 型 AQV214EHAX 也使用光耦合，並在控制電路 (IN) 和負載電路 (OUT) 之間提供高達 5 kV 超高的絕緣保護。其採用更大的 6-SMD 封裝，尺寸為 8.8 mm x 6.4 mm，含鷗翼引線。GE 系列 SSR 的控制電源僅需 75 mW，可在最高 400 V 電壓下切換負載電流高達 150 mA。

最佳化接觸電阻和輸出電容

如同半導體的典型情況，SSR 具有「導通」電阻 (R_on) 和輸出電容 (C_out)，分別導致熱損失和漏電流。依據切換的訊號類型，採用不同的繼電器類型進行最佳化。

具有極低 R_on 的 SSR 類型在切換高頻 AC 測試脈衝時會導致較小的衰減。具有低 C_out 的 SSR 可以更準確測量 DC 訊號，而具有高 C_out 的類型適合切換更高的功率位準。圖 3 是一個自動化半導體測試系統，說明哪些 PhotoMOS 繼電器類型最適合測試頭測量模組中的各種訊號路徑。

圖 3：此自動化半導體測試系統的每個訊號路徑都需要特定類型的 PhotoMOS 繼電器。(圖片來源：Panasonic)

AQY2C1R3PZ 和 AQY221N2TY PhotoMOS 繼電器分別為 1.2 pF 和 1.1 pF 的低 C_out。因此能夠在長達 10 µs 和 20 µs (AQY2C1R3PZ) 以及 10 和 30 µs (AQY221N2TY) 的時間內開啟和關閉。兩款繼電器的權衡是增加了 R_on，分別為 10.5 和 9.5 Ω，導致更高的損耗和組件發熱。這些 PhotoMOS 繼電器非常適合以低電流快速切換測量訊號，並且對高頻訊號產生的反射／相移較小。

上述 AQY2C1R6PX 和 AQY221R6TW 比較適合切換速度較慢的電源訊號和較高電流的電源電壓。其較低的 R_on 會導致較少的組件發熱，但較高的 C_out 對訊號具有積分效應。

將訊號失真降至最低

僅代表簡單開／關切換 (1 form A) 的半導體繼電器，可用於 AC 訊號的光閘流體或用於脈動 DC 訊號、具有雙極電晶體的光耦合器。這些元件的閾值、點火電壓和切換延遲導致負載訊號失真。此外，反向恢復電流會產生諧波過衝 (振鈴) 和數 10 至 100 mA 的漏電流。

Panasonic 的 PhotoMOS 繼電器中含驅動電路的 FET 半橋可將這些訊號失真降至最低，因此適合 AC 和 DC 小訊號 (例如高速測試脈衝、測量訊號和電源電壓) 的低損耗切換。關閉時，兩個 OUT 連接之間的漏電流低於 1 µA。

PhotoMOS 繼電器提供 form A (單極、單擲、常開觸點 (SPST-NO)) 或 form B (常閉觸點、SPST-NC) 等多種形式。設計人員可以打造 form C 開關，例如單極雙擲 (SPDT)；單極切換開關；以及將 form A 和 form B 元件結合成雙極雙擲 (DPDT) 開關。

例如，AQS225R2S 是採用 SOP16 外罩的四通道 PhotoMOS 繼電器 (4SPST-NO)，可在高達 80 V 的切換電壓下處理高達 70 mA 的電流。此外，AQW214SX 是採用 SOP8 外罩的雙 PhotoMOS 繼電器 (2SPST-NO)，可在高達 400 V 的切換電壓下處理高達 80 mA 的負載電流。

圖 4 顯示 SSR、PhotoMOS 和光電耦合器的內部結構及其典型訊號失真。PhotoMOS 繼電器不會在歐姆負載上造成訊號切割失真或類似失真。

圖 4：SSR 和光電耦合器由於閾值和點火電壓而導致輸出訊號失真；PhotoMOS 繼電器可無失真切換 AC 和 DC 訊號。(圖片來源：Panasonic，經作者修改)

設計人員為了減弱電感式和電容式開關負載的回授效應，以保護 PhotoMOS 輸出級，必須在輸出側添加箝位和飛輪二極體、RC 和 LC 濾波器或變阻器。在 CC 系列中，箝位二極體可保護輸入振盪器免受過壓峰值影響，並將控制訊號限制在 3 V 至 5.5 V，而 RC 濾波器可確保殘餘漣波小於 ±0.5 V。

減少漏電流

繼電器斷電時，PhotoMOS 繼電器的 C_out 可用作 AC 和較高頻脈衝序列的旁路。為了大量減少此類漏電流並將高頻隔離度高度提升，Panasonic 建議使用 T 電路形式的三個獨立 PhotoMOS 繼電器 (圖 5，左)。在主訊號路徑中，兩個 1 Form A PhotoMOS 繼電器 S1 和 S2 為低 R_on 類型，而低 C_out類型則形成 1 Form A 短路電路開關 S3 。

圖 5：當 S1 和 S2 斷電時，接通的繼電器 S3 會作為所有漏電流的短路 (T 電路關閉狀態，右)。(圖片來源：Panasonic，經作者修改)

T 電路接通狀態 (圖 5，中)：在 S1 和 S2 接通的情況下，其 R_on 的衰減訊號位準最低，而 關閉的 S3 繼電器的低 C_out 會稍微衰減高頻 (低通)。

T 電路關閉狀態(圖 5，右)：如果 S1 和 S2 斷電，其 C_out 代表高頻旁路 (高通)，但接通的 S3 繼電器短路訊號會以電容方式通過 S1 (吸入電路)。

T 形電路的開／關時序必須為先斷後通 (BBM) 開關形式實作。因此，S1 和 S2 應在 S3 開啟之前關閉。繼電器方面，BBM 代表觸點單獨切換，而先通後斷 (MBB) 代表觸點以橋接方式切換。

更快切換 PhotoMOS 繼電器

PhotoMOS 繼電器的內部光電感測器可作為太陽能電池並提供閘極充電電流。因此，LED 可發出更亮的光脈衝，提高切換速度。例如，圖 6 中的自舉元件 R1/R2/C1 產生更高的電流脈衝。

圖 6：自舉元件 R1/R2/C1 提高 PhotoMOS 繼電器的接通速度。(圖片來源：Panasonic)

C1 在導通瞬間對 R2 有短路作用，因此 R1 的低阻值允許大電流流過。如果 C1 已充電並具有高電阻，則添加 R2，可減少流向保持電流的流量，如同磁繼電器。因此，AQV204 PhotoMOS 繼電器的接通時間從 180 µs 縮短至 30 µs。

結論

設計人員透過使用小型、無磨損的 PhotoMOS 繼電器，可提高 ATE 應用的訊號密度和測量速度，同時減少維護需求。此外，遵循建議的設計技術有助於將漏電流和切換時間降至最低。