Questo articolo confronta e contrappone fotorelè meccanici e fotorelè, con l’obiettivo di fornire una comprensione completa delle caratteristiche da ricercare nella scelta di un fotorelè da utilizzare nelle applicazioni ATE (Automated Test Equipment).
Con il rapido avanzamento della digitalizzazione e dell’elettrificazione, la pressione per accelerare la produzione e il collaudo dei semiconduttori per soddisfare la crescente domanda è più critica che mai. Questo aumento sottolinea il ruolo essenziale delle apparecchiature di collaudo automatico (ATE – Automated Test Equipment) per semiconduttori.
I relè meccanici, a lungo apprezzati per la loro capacità di commutare segnali ad alta tensione e corrente con ingressi a bassa tensione, sono ora messi in discussione dall’emergere dei fotorelè. Questi dispositivi a stato solido offrono una serie di vantaggi, tra cui una maggiore affidabilità in quanto non hanno parti mobili, che sono soggette a usura e a guasti nel tempo. Applicazioni come le apparecchiature di test automatizzate (ATE) richiedono fotorelè con caratteristiche specifiche.
L’articolo esplora le capacità del TLP3412SRLA di Toshiba in base alle prestazioni, all’affidabilità e alla sua capacità di soddisfare le esigenti specifiche degli ambienti di test dei semiconduttori contemporanei.
Cos’è un fotorelè e come funziona?
Un fotorelè è un dispositivo semiconduttore a stato solido con un LED nello stadio di ingresso e MOSFET nello stadio di uscita, come mostrato nella Figura 1.
Figura 1 – Schema a blocchi che mostra l’interno di un fotorelè
Quando viene applicata corrente al LED, emette luce e questo segnale ottico viene convertito in un segnale elettrico dalla serie di fotodiodi (PDA) sul lato contatto. Questo segnale elettrico viene applicato come ingresso al gate del MOSFET, accendendolo e realizzando così il collegamento tra i due terminali di uscita. Quando viene rimossa la corrente di ingresso applicata al LED, il LED di ingresso si spegne, provocando anche lo spegnimento del MOSFET di uscita e l’interruzione del circuito tra i contatti di uscita. Questo ciclo è modellato per la commutazione a bassa frequenza nella Figura 2.
Figura 2 – Modello semplificato di funzionamento del fotorelè
Qual è la differenza tra un fotorelè meccanico e un fotorelè?
Entrambi i dispositivi svolgono la stessa funzione ma i fotorelè offrono una migliore affidabilità perché non hanno parti mobili che possono bloccarsi o usurarsi dopo ripetuti cicli di commutazione. I fotorelè stanno gradualmente diventando più piccoli, il che significa che possono aiutare a risparmiare spazio e questo sta accelerando la transizione dai relè meccanici. Tuttavia, i fotorelè hanno una resistenza maggiore (resistenza ON o RON) rispetto ai relè meccanici e hanno anche una componente di capacità (capacità di uscita o COFF) che è principalmente attribuibile alla giunzione PN del diodo parassita nel MOSFET sul lato di uscita. All’aumentare della frequenza del segnale, anche l’induttanza (L) di un fotorelè diventa un problema. Il modello ad alta frequenza di un fotorelè è mostrato nella Figura 3.
Figura 3 – Modello ad alta frequenza di fotorelè
La tabella 1 riassume le caratteristiche dei fotorelè e dei relè meccanici e i relativi pregi.
Tabella 1 – Confronto delle caratteristiche di un relè meccanico e di un fotorelè
Requisiti per i fotorelè utilizzati nell’ATE a semiconduttore
Con l’aumento del numero di applicazioni che utilizzano semiconduttori, aumenta anche la richiesta di apparecchiature per l’ispezione di dispositivi a semiconduttore. L’apparecchiatura di test automatizzata (ATE) verifica che un dispositivo a semiconduttore sotto test (Device Under Test – DUT) funzioni correttamente applicando una tensione o una corrente a pin specifici (ad esempio, la memoria). Per applicare questi segnali al DUT vengono utilizzati diversi relè e i tradizionali relè meccanici generalmente non sono adatti a questa applicazione. Quando si seleziona un fotorelè da utilizzare in un’applicazione ATE, è importante tenere in considerazione le seguenti caratteristiche:
Capacità pilotata dalla tensione
Il LED sul lato ingresso di un fotorelè è un dispositivo pilotato dalla corrente e pertanto è comune collegare un resistore limitatore di corrente esterno al terminale LED per evitare danni da sovracorrente se all’ingresso appare una tensione eccessivamente alta. Tuttavia, questi resistori occupano spazio prezioso sulla scheda, con conseguente aumento delle dimensioni e dei costi. Inoltre, è generalmente più desiderabile pilotare un dispositivo direttamente con una sorgente di tensione (invece che di corrente). Il TLP3412SRLAA di Toshiba è dotato di un resistore integrato sul lato LED, che consente il funzionamento controllato in tensione senza la necessità di resistori esterni aggiuntivi.
Bassa tensione operativa per il sistema FPGA da 1,8 V
La tensione operativa del core degli FPGA (Field Programmable Gate Array) è costantemente in linea con l’evoluzione della tecnologia di processo dei semiconduttori. Il TLP3412SRLAA affronta questa tendenza offrendo il funzionamento a voltaggio più basso tra tutti i prodotti fotorelè Toshiba. La tensione operativa massima VFON è 1,6 V che consente comodamente l’uso del sistema FPGA da 1,8 V.
Temperature operative elevate
Talvolta è necessario un prober (tester per semiconduttori) per applicare segnali a un DUT ad alte temperature. Ciò fa sì che i fotorelè siano posizionati vicino alla camera ad alta temperatura e, quindi, devono avere la capacità di resistere alle alte temperature. Il TLP3412SRLAA ha una temperatura operativa massima di 125°C che gli consente di sopravvivere in ambienti difficili in sonde ad alta temperatura.
Piccolo packaging per montaggio ad alta densità
Nelle apparecchiature ATE esistono due categorie principali di test di prova: l’alimentazione del dispositivo (DPS – device power supply) e l’elettronica dei pin (PE – pin electronics). Gli ATE utilizzano relè per commutare l’alimentazione e il segnale per testare un numero di DUT contemporaneamente. Ciò rende fondamentale la disponibilità di schede di test ad alta densità per ridurre i costi e migliorare l’affidabilità degli ATE dei semiconduttori. I relè meccanici convenzionali non sono in grado di soddisfare questi requisiti, mentre al contrario molti fotorelè possono essere montati in uno spazio limitato su scheda. Il TLP3412SRLA utilizza un package S-VSON4T ultra-piccolo (1,45 × 2,0 mm (tip.), t = 1,4 mm (max)) per contribuire a migliorare ulteriormente la densità di montaggio negli ATE.
Conclusioni
I fotorelè offrono una serie di vantaggi rispetto ai relè meccanici nelle apparecchiature ATE a semiconduttore. Questo articolo ha considerato gli attributi chiave da considerare quando si seleziona un fotorelè per questo tipo di applicazione. Evidenzia il TLP3412SRLAA di Toshiba come una delle opzioni più adatte, date le sue prestazioni e affidabilità.
