在直流参数测试中实现开关元器件的高精度和高可靠性
2022年04月14日 11:12 发布者：eechina
来源：Digi-Key作者：Omron Electronics Components
为了解决各种社会问题，如构建一个安全和有保障的社会、用机器人提高效率以及节约有限资源等，在我们的世界中应运而生了各种不同的技术。其中的一些技术进展是自动驾驶汽车、更高性能的智能手机、工厂中的机器人人工智能和家用电器中的物联网。对于这些技术的发展，有必要在所有不断发展的领域实现更先进的组件。测试和测量技术在半导体的发展中极为重要，并以高测量精度和高可靠性为支撑。因此，在半导体测试设备中经常用于切换各种测量电路的继电器也需要具备这些高性能特性。
MOSFET 继电器已广泛应用于半导体测试设备，尽管其性能仍不足以满足所有的行业需求。根据应用不同，可能有必要以牺牲稳定的导通电阻和尺寸为代价而选择其他器件。例如，在半导体检测设备的直流参数测试中，重要的是尽量减少电路内的泄漏电流以提高测量精度。因此，MOSFET 继电器由于其固有的漏电特性而难以委以重任，而且诸如磁簧继电器等带有物理触点的继电器仍在使用。那么缺点就出现在磁簧继电器的接触电阻上。这种电阻会随着时间的推移而增大，所以需要定期维护以达到符合测试要求的高质量信号传输。此外，磁簧继电器的封装尺寸不够小，无法满足小型化要求。这样一来，在半导体直流参数测试范围内，并不是所有的问题都能用现有的开关器件来解决。
表 1.符合直流参数测试要求的继电器规格。
为满足这些要求，OMRON 开发出 T 型模块 (G3VM-21MT / -61MT / -101MT)。该器件是一个具有 T 型开关功能的紧凑型半导体继电器模块。这种解决方案实现了长寿命和稳定的导通电阻特性，同时达到了可以媲美磁簧继电器的最小漏电流 (ILEAK ≤ 1pA)。
T 型模块的价值 (G3VM-21MT/-61MT/-101MT)
· 非常小的泄漏电流 (ILEAK ≤ 1pA)，可实现高度精确的测量
· 非常小的封装，可节省空间，实现高密度集成 (5 mm x 3.75 mm x 2.7 mm)
· 不存在物理接触，所以使用寿命长
· 良好的线性度，可确保信号失真度低
应用实例
· ATE 接口板
· 直流参数测量装置
· 开关矩阵单元
图 1：Omron T 型模块的外形尺寸。（图片源：Omron）
图 2：Omron T 型模块的端子布局（顶视图）。（图片源：Omron）
T 型模块的 T 型开关功能
如图 3 所示，该功能通过 T 成形电路中的三个 MOSFET 继电器实现，可减少输出主线（4 和 6 脚之间）的泄漏电流。
图 3：T 型开关功能（图片源：Omron）
现有开关器件的性能比较
OMRON 构建的参考设计板（图 4），该板使用了如图 5 所示的直流参数测试开关电路。该板产生的数据与三种不同类型的继电器输出和测量精度进行了比较：T 型模块、磁簧继电器、MOSFET 继电器。
图 4：具有三种不同继电器类型的参考设计板。（图片源：Omron）
图 5：测量系统框图。（图片源：Omron）
ILEAK 测试结果
从来自参考板的泄漏电流测试结果来看，T 型模块和磁簧继电器具有非常相似的电流泄漏水平。出现异常的器件是 MOSFET 继电器，它在电路中仍然有泄漏电流。
G3VM-101MT 参考设计板的测试结果 (DUT: 1N3595)
图 6：泄漏电流测量示例 (DUT1)。（图片源：Omron）
注：该参考设计（图 6）使用 2 个源测量装置，将一个 DUT（二极管）的泄漏电流值 (ILEAK) 与 3 个使用不同继电器的测量电路进行了比较（其中，电路 1：T 模块，电路 2：磁簧继电器，电路 3：MOS FET 继电器）。Ch1 添加测试电压作为 V 电源。Ch2 测量来自放大器的电压，用于小电流测量，然后计算出最终输出电流值。
VF 测试结果
下面是一个使用该参考设计的 VF 特性测试结果的示例。结果显示，采用 T 型模块、磁簧继电器和 MOSFET 继电器的电路具有相同水平的精度，与参考 DUT 二极管规格相比，几乎具有相同的值。
G3VM-101MT 参考设计板的测试结果 (DUT: 1N3595)。（图片源：Omron）
图 7：VF 特性测量的示例 (DUT1)。（图片源：Omron）
注：该参考设计（图 7）使用 1 个源测量装置，将一个 DUT（二极管）的 VF 与 3 个使用不同继电器的测量电路进行比较（电路 1：T 型模块，电路 2：磁簧继电器，电路 3：MOS FET 继电器）。Ch1 添加测试电流作为 I 源并测量电压。
通过使用 OMRON 的 T 型模块，工程师可以实现一个在直流参数测试中同时具有测量精度和长期可靠性的解决方案。该产品旨在提高社会继续追求巨大技术进步的能力。