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반도체 자동화 테스트 장비에 SSR을 사용하는 방법

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글/Jens Wallmann, 기술 저널리스트

집적 회로(IC)는 하드웨어 개발 비용을 줄이고, 전자 장치의 소형화를 촉진시키며 다양한 기능을 제공하기 때문에 그 어느 때 보다 수요가 증가하고 있다. 대규모 생산 배치의 품질을 보장하기 위해 반도체 제조업체는 저/고 신호 레벨과 최소한의 손실로 고주파 AC 및 DC 전류를 신속하게 스위칭할 수 있는, 신뢰할 수 있는 콤팩트한 자동화 테스트 장비(ATE)를 필요로 한다.

광발전 MOSFET을 기반으로 하는 무접점 계전기(SSR)는 IC 테스터 및 ATE 응용 제품에 이상적이다. 이 장치의 작은 크기와 무마모 속성은 특히 흥미로운 부분이다.

이 글에서는 ATE 요구 사항에 대해 간략히 논의한다. 그런 다음 Panasonic PhotoMOS 계열 SSR의 광발전 MOSFET 계전기의 다양한 유형을 소개하고 부품의 기하학적 구조와 스위칭 특성에서의 차이점을 중점적으로 설명한다. 마지막으로, 가속화된 온/오프 스위칭 및 PhotoMOS 특정 누설 전류 감소를 위한 설계 팁으로 주제를 마무리한다.

높은 패키징 밀도 및 짧은 신호 경로

자동화된 IC 테스터는 밀집적으로 패키징된 니들 어댑터(프로브 카드)를 사용하여 테스트 중인 장치(DUT)와 접촉하여 기능 테스트를 수행한다. 테스트 헤드의 모듈은 고속 테스트 펄스를 생성 및 분배하고, 적절한 전압을 공급하며, 측정 채널을 스위칭한다. 모든 테스트는 한정된 공간에서 수행되어 회선 손실, 신호 전파 시간, 간섭, 채널 누화를 최소화한다.

이 작업을 위해 설계자는 Panasonic의 AQ 계열 계전기와 같은 작은 형태의 스위칭 소자를 사용할 수 있다. 예를 들어, 전압 제어 CC 유형 AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR은 3.51제곱 밀리미터(mm2)(1.95mm × 1.80mm)를 차지하는 TSON 패키지로 제공된다(그림 1). 이는 200V 분리 보호를 제공하기 위해 정전 용량 결합을 사용하고 전압이 제어되며 1.2밀리와트(mW)에 불과한 제어 전력을 필요로 한다.

전류 제어 RF 유형 AQY221R6TW PhotoMOS 계전기는 3.8mm²의 작은 실장 면적을 가지며, VSSOP 하우징은 AQY2C1R6PX에 비해 3.6배 더 큽니다. 이 장치는 75mW에 불과한 제어 전력을 필요로 하며 200V의 보호 분리를 제공하기 위해 광학 결합을 사용한다. CC 및 RF 유형의 누설 전류(ILeak) 는 10나노암페어(nA)로 매우 낮다.

그림 2는 정전 용량 결합을 사용하는 CC 유형 계전기(왼쪽)와 광학 결합을 사용하는 RF 유형 계전기(오른쪽)의 회로 원리를 보여준다.

GE 유형 AQV214EHAX도 광학 결합을 사용하며 제어 회로(IN)와 부하 회로(OUT) 간에 최대 5킬로볼트(kV)의 훨씬 더 높은 보호 절연을 제공한다. 이 유형의 계전기는 갈매기형 날개 리드를 사용하는, 8.8mm x 6.4mm 크기의 더 큰 6-SMD 패키지로 제공된다. 75mW에 불과한 제어 전력을 요구하는 GE 계열의 SSR은 최대 400V에서 최대 150mA 의 부하 전류를 스위칭한다.

[그림 2] AQY2C1R6PX CC 유형 PhotoMOS SSR(왼쪽)은 정전 용량 결합을 사용하며 전압 구동 방식이다. AQY221R6TW RF 유형(오른쪽)은 광학 결합을 사용하고 전류 구동 방식이다. (이미지 출처: Panasonic, modified by author)

접점 저항 및 출력 정전 용량 최적화

일반적 반도체와 마찬가지로 SSR은 각각 열 손실과 누설 전류를 일으키는 ‘온스테이트’ 저항(Ron) 및 출력 정전 용량(Cout)을 가진다. 다양한 계전기 유형은 스위칭할 신호의 종류에 따라 둘 중 하나를 최적화한다.

특히 낮은 Ron을 가진 SSR 유형은 고주파 AC 테스트 펄스를 스위칭할 경우 감쇠가 적다. 낮은 Cout을 가진 SSR은 DC 신호에 대해 더 정확한 측정값을 실현하고 높은 Cout을 가진 유형은 더 높은 전력 레벨을 스위칭하는 데 적합하다. 그림 3은 자동화 반도체 테스트 시스템을 보여주고 어떤 PhotoMOS 계전기 유형이 테스트 헤드의 측정 모듈의 다양한 신호 경로에 가장 적합한지 설명한다.

AQY2C1R3PZ 및 AQY221N2TY PhotoMOS 계전기는 각각 1.2pF 및 1.1pF의 Cout을 제공한다. 이를 통해 최대 10μs 및 20μs(AQY2C1R3PZ)와 최대 10μs 및 30μs (AQY221N2TY)에 스위칭 온 및 오프할 수 있다. 두 계전기 모두 Ron이 각각 10.5Ω 및 9.5Ω의 증가되어 손실 및 부품 발열이 증가한다. 이 PhotoMOS 계전기는 낮은 전류 흐름으로 측정 신호를 빠르게 스위칭하는 데 적합하며 고주파 신호의 반사/위상 변이를 적게 발생시킨다.

앞서 논의한 AQY2C1R6PX 및 AQY221R6TW는 더 느리게 스위칭되는 전력 신호 및 더 높은 전류를 가진 공급 전압에 더 적합하다. Ron이 낮아 부품 발열이 덜 발생하지만 Cout이 커서 신호에 대해 적분기 효과를 가진다.

신호 왜곡 최소화

간단한 온/오프 스위칭만(1 form A) 나타내는 반도체 계전기는 AC 신호의 경우 광 트라이액 또는 맥동 DC 신호의 경우 양극 트랜지스터를 가진 광 커플러의 예이다. 이러한 장치는 임계값, 점화 전압, 스위칭 지연으로 인해 부하 신호에 왜곡을 일으킨다. 또한, 역회복 전류는 고조파 오버슛(링잉) 및 수 10mA ~ 100mA(밀리암페어)의 누설 전류를 생성할 수 있다.

Panasonic PhotoMOS 계전기의 구동기 회로를 사용하는 FET 하프 브리지는 이러한 신호 왜곡을 최소화하므로 고속 테스트 펄스, 측정 신호, 공급 전압 같은 AC 및 DC 소신호의 저손실 스위칭에 적합하다. 스위칭 오프 상태인 경우 두 개 OUT 연결 사이의 누설 전류는 1μA 미만이다.

PhotoMOS 계전기는 form A(단극 단투, 상시 개방 접점(SPST-NO)) 또는 form B(상시 폐쇄 접점, SPST-NC) 또는 다중 접점으로 제공된다. 설계자는 SPDT(단극 쌍투), 단극 전환 스위치, form A와 form B 장치를 결합한 DPDT(쌍극 쌍투) 스위치와 같은 form C 스위치를 구축할 수 있다.

예를 들어, AQS225R2S는 SOP16 하우징의 쿼드루플 PhotoMOS 계전기(4SPST-NO)로 최대 80V의 스위칭 전압에서 최대 70mA를 처리할 수 있다. 또한 AQW214SX는 SOP8 하우징의 듀얼 PhotoMOS 계전기(2SPST-NO)로 최대 400V의 스위칭 전압에서 최대 80mA의 부하 전류를 처리할 수 있다.

그림 4는 SSR, PhotoMOS, 광 커플러의 내부 구조와 함께 각각의 일반적인 신호 왜곡을 보여준다. PhotoMOS 계전기는 저항 부하에서 신호 클리핑 또는 유사한 왜곡을 발생시키지 않는다.

유도 용량 및 정전 용량 스위칭 부하의 피드백 효과를 감쇠시킴으로써 Photo-MOS 출력 스테이지를 보호하기 위해 설계자는 출력 부분에 클램프 및 프리휠 다이오드, RC 및 LC 필터 또는 배리스터를 추가해야 한다. CC 계열의 경우 클램프 다이오드는 과전압 피크로부터 입력 발진기를 보호하고 3V ~ 5.5V로 제어 신호를 제한하면서, RC 필터를 통해 ±0.5V 미만의 잔류 리플을 보장한다.

누설 전류 감소

PhotoMOS 계전기의 Cout은 계전기에 대한 전력 공급이 차단될 경우 더 높은 주파수의 교류 및 펄스 시퀀스에 대한 바이패스 역할을 수행한다. 이러한 누설 전류를 대폭 감소시키고 고주파에서 분리를 최대화하기 위해 Panasonic은 T-회로 형태로 별도의 3개 PhotoMOS 계전기를 사용하도록 권장한다(그림 5, 왼쪽). 주 신호 경로에서 2개의 1 Form A PhotoMOS 계전기인 S1과 S2는 저-Ron 유형이고 저-Cout 유형은 1 Form A 단락 회로 스위치 S3을 구성한다.

T-회로 ON 상태(그림 5, 가운데): S1 및 S2가 스위칭 온 상태인 경우 해당 Ron은 신호 레벨을 최소한으로 감쇠시키는 반면, S3 계전기가 스위칭 오프 상태인 경우 낮은 Cout은 고주파를 약간 감쇠시킨다(저역 통과).

T-회로 OFF 상태(그림 5, 오른쪽): S1 및 S2에 대한 전력 공급이 차단될 경우 해당 Cout은 고주파에 대한 바이패스를 나타내지만(고역 통과), S3 계전기가 스위칭 온 상태인 경우 S1(흡입 회로)을 통해 정전 용량적으로 전달되는 신호가 단락된다.

T-회로의 ON/OFF 타이밍은 브레이크-메이크(BBM) 스위치로 구현되어야 한다. 따라서 S1 및 S2는 S3이 켜지기 전에 비활성화되어야 한다. 계전기에서 BBM은 접점이 개별적으로 스위칭됨을 의미하고, 메이크-브레이크(MBB)는 브리징 방식으로 스위칭됨을 의미한다.

PhotoMOS 계전기를 더 빠르게 스위칭

PhotoMOS 계전기의 내부 광 센서는 태양광 전기로 작동하고 게이트 충전 전류를 공급한다. 이와 같이, LED에서의 광 펄스가 밝을수록 스위칭 속도도 증가한다. 예를 들어, 그림 6의 부트 스트랩 소자 R1/R2/C1은 더 높은 전류 펄스를 생성한다.

C1은 스위칭 온의 순간 R2의 단락 회로로 작동하므로 R1의 낮은 저항을 통해 높은 전류가 흐르게 할 수 있다. C1이 충전되어 있고 높은 저항을 가질 경우 R2가 추가되어 자기 계전기처럼 유지 전류에 대한 흐름이 감소된다. 따라서 AQV204 PhotoMOS 계전기는 180μs에서 30μs로 스위칭 온 시간을 감소시킨다.

[그림 6] 부트 스트랩 소자 R1/R2/C1은 PhotoMOS 계전기의 스위칭 온 속도를 증가시킨다. (이미지 출처: Panasonic)

결론

소형 크기의 무마모 PhotoMOS 계전기를 사용하면 설계자가 유지 보수의 필요성을 줄이면서 ATE 응용 제품의 신호 밀도 및 측정 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제안된 설계 기술을 수행하면 누설 전류와 스위칭 시간을 최소화하는 데 도움을 줄 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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