Toshiba: Passez des relais mécaniques aux photorelais dans les applications d'équipement de test automatisé
Passez des relais mécaniques aux photorelais dans les applications d'équipement de test automatisé.
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Avec les progrès rapides de la numérisation et de l’électrification, la pression pour accélérer la fabrication et les tests de semi-conducteurs afin de répondre à la demande croissante est plus critique que jamais. Cette flambée souligne le rôle essentiel des équipements de test automatisés (Automated Test Equipment, ATE) pour les semi-conducteurs.
Les relais mécaniques, longtemps appréciés pour leur capacité à commuter des signaux à haute tension et de courant avec des entrées basse tension, sont désormais concurrencés par l'émergence des photorelais. Ces dispositifs à semi-conducteurs offrent de nombreux avantages, notamment une plus grande fiabilité, car ils ne comportent pas de pièces mobiles, qui sont susceptibles de s'user et de tomber en panne au fil du temps. Des applications telles que les équipements de test automatisés (ATE) nécessitent l’utilisation de photorelais dotés de fonctionnalités spécifiques. Cet article compare et oppose les relais mécaniques aux photorelais, afin de fournir une description approfondie des caractéristiques à rechercher lors de la sélection d'un photorelais pour son utilisation dans des applications ATE. Il explore les capacités du TLP3412SRLA de Toshiba en termes de performances, de fiabilité et de capacité à répondre aux spécifications exigeantes des environnements de test de semi-conducteurs contemporains.
Qu'est-ce qu'un photorelais et comment fonctionne-t-il ?
Un photorelais est un dispositif semi-conducteur à l’état solide (solid-state) doté d'une LED à son étage d'entrée et d'un MOSFET à son étage de sortie, comme le montre la figure 1.
Figure 2 – Modèle simplifié de fonctionnement du photorelais.
Lorsqu'un courant est appliqué à la LED, elle émet de la lumière et ce signal optique est converti en signal électrique par le réseau de photodiodes (photodiode array, PDA) côté contact. Ce signal électrique est appliqué en entrée à la grille du MOSFET, l'activant et établissant ainsi la connexion entre les deux bornes de sortie. Lorsque le courant d'entrée appliqué à la LED est supprimé, la LED d'entrée s'éteint, provoquant également la désactivation du MOSFET de sortie et la coupure du circuit entre les contacts de sortie. Ce cycle est modélisé pour la commutation basse fréquence dans la figure 2.
Quelle est la différence entre un relais mécanique et un photorelais ?
Les deux dispositifs remplissent la même fonction, mais les photorelais offrent une meilleure fiabilité car ils ne comportent aucune pièce mobile susceptible de se coincer ou de s'user après des cycles de commutation répétés. Les photorelais deviennent progressivement plus petits, ce qui permet d'économiser de l'espace, et accélère la transition vers l'abandon des relais mécaniques. Cependant, les photorelais ont une résistance (on-resistance, RON) plus élevée que les relais mécaniques et ont également une composante de capacité (capacité de sortie, COFF) qui est principalement attribuable à la jonction PN de la diode parasite dans le MOSFET côté sortie. À mesure que la fréquence du signal augmente, l'inductance (L) d'un photorelais devient également un problème. Le modèle haute fréquence d'un photorelais est présenté à la figure 3.
Figure 3 – Modèle haute fréquence de photorelais
Le tableau 1 résume les caractéristiques des photorelais et des relais mécaniques et leurs avantages respectifs.
Tableau 1 – Comparaison des caractéristiques d'un relais mécanique et d'un photorelais
Exigences relatives aux photorelais utilisés dans un ATE pour semi-conducteurs
L'augmentation du nombre d’applications utilisant des semi-conducteurs s'accompagne d'une demande croissante en équipements d’inspection des dispositifs à semi-conducteurs. Un équipement de test automatisé (ATE) vérifie que le dispositif à semi-conducteur testé (Device Under Test, DUT) fonctionne correctement en appliquant une tension ou un courant à des broches spécifiques (par exemple, la mémoire). Plusieurs relais sont utilisés pour appliquer ces signaux au DUT et les relais mécaniques traditionnels ne conviennent généralement pas à cette application. Lors de la sélection d'un photorelais à utiliser dans une application ATE, les caractéristiques suivantes sont importantes à prendre en compte :
Capacité de pilotage par la tension
La LED côté entrée d'un photorelais est un dispositif piloté par le courant et il est donc usuel de connecter une résistance de limitation de courant externe à la borne LED pour éviter les dommages dus à une surintensité si une tension excessivement élevée apparaît à l'entrée. Cependant, ces résistances occupent un espace précieux sur la carte, ce qui augmente la taille et le coût. Il est également généralement plus souhaitable de piloter un dispositif directement avec une source de tension (plutôt qu'avec une source de courant). Le TLP3412SRLAA de Toshiba est doté d'une résistance intégrée du côté LED, ce qui permet un fonctionnement contrôlé en tension sans nécessiter de résistances externes supplémentaires.
Faible tension de fonctionnement pour un système FPGA de 1,8 V
La tension de fonctionnement de base des Field Programmable Gate Arrays (FPGA) ne cesse de diminuer, parallèlement à l'évolution de la technologie des processus de semi-conducteurs. Le TLP3412SRLAA répond à cette tendance en offrant le fonctionnement à tension la plus basse de tous les produits à photorelais Toshiba. La tension de fonctionnement maximale VFON est de 1,6 V, ce qui permet l'utilisation confortable du système FPGA de 1,8 V.
Températures de fonctionnement élevées
Une sonde (testeur de semi-conducteurs) est parfois nécessaire pour appliquer des signaux à un DUT à des températures élevées. Cela conduit à placer les photorelais à proximité de la chambre à haute température et ils doivent donc être capables de résister à des températures élevées. Le TLP3412SRLAA a une température de fonctionnement maximale de 125°C, ce qui lui permet de survivre aux environnements difficiles lors des tests à haute température.
Petit boîtier pour un montage à haute densité
Il existe deux grandes catégories de têtes de test dans les équipements ATE : l'alimentation du dispositif (device power supply, DPS) et l'électronique des broches (pin electronics, PE). Les ATE utilisent des relais pour commuter l'alimentation et le signal afin de tester un certain nombre de DUT simultanément. La disponibilité de cartes de test à haute densité est donc essentielle pour réduire les coûts et améliorer la fiabilité des ATE pour semi-conducteurs. Les relais mécaniques conventionnels ne peuvent pas répondre à ces exigences, alors qu'en comparaison, de nombreux photorelais peuvent être montés dans un espace limité sur la carte. Le TLP3412SRLA utilise un boîtier S-VSON4T ultra-compact (1,45 mm × 2,0 mm (typ.), t = 1,4 mm (max)) pour améliorer encore la densité de montage dans les ATE.
Résumé
Les photorelais offrent une gamme d'avantages par rapport aux relais mécaniques dans les équipements ATE pour semi-conducteurs. Cet article a examiné les caractéristiques principales à prendre en compte lors de la sélection d'un photorelais pour ce type d'application. Il a présenté le TLP3412SRLAA de Toshiba, l'une des options les plus appropriées, compte tenu de ses performances et de sa fiabilité.
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