Reduzierung der Schaltkosten im automatisierten Testsystem mit FETs und SSRs

Elektromechanische Relais, die in Produkten von Automobilmotoren bis hin zu Thermoelementen enthalten sind, sind leicht verfügbare, kostengünstige Geräte, mit denen Signale von fast überall her geleitet werden können. Kein Wunder, dass diese Geräte im Markt für automatisierte Tests allgegenwärtig geworden sind. Trotz ihrer Einführung in der Industrie sind elektromechanische Relais relativ langsam (Hunderte von Kanälen pro Sekunde) und haben eine begrenzte Lebensdauer, was sie für Anwendungen wie Halbleitervalidierungstests ungeeignet macht.

Halbleiter sind Massenprodukte, die sich im Laufe der Jahre stark weiterentwickelt haben. Da diese Geräte komplexer geworden sind, erhöht sich auch der Aufwand, sie zu testen. Heutzutage sind einige Halbleiterchips so ausgereift, dass die Testkosten höher sind als die Herstellungskosten. Um Chips langfristig erschwinglich zu halten, müssen Halbleiterhersteller die Testkosten senken, indem sie die Zeit zum Testen jedes Geräts reduzieren und die Messkosten minimieren. Für Schaltsysteme bedeutet dies, dass Bauelemente mit hohen Scan-Raten und längeren Lebensdauern verwendet werden, die in elektromechanischen Relais fehlen, aber in Bauelementen wie Halbleiterrelais (SSRs) und Feldeffekttransistoren (FET) verbreitet sind. Mit Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 50.000 Kanälen pro Sekunde und unbegrenzter mechanischer Lebensdauer reduzieren FETs und SSRs den Overhead in vielen Anwendungen, indem sie Testzeiten reduzieren und den häufigen Austausch von Schaltkomponenten überflüssig machen. Darüber hinaus tragen ihre kleinen Formfaktoren dazu bei, die Anfangskosten des Schaltsystems zu minimieren.

Ein Halbleiterrelais besteht aus einem photoempfindlichen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der über eine LED angesteuert wird. Licht von der gekapselten LED aktiviert den photoempfindlichen MOSFET und lässt ihn von Strom durchfließen.

^{Abbildung 1: Aufbau eines Halbleiterrelais (SSR)}

SSRs sind für Hochspannungsanwendungen nützlich, da die LED-Aktivierung eine galvanische Isolationsbarriere zwischen der Steuerschaltung und dem MOSFET darstellt. Da der MOSFET jedoch schaltet, gibt es keine galvanische Barriere zwischen seinen Kontakten. Wenn am MOSFET keine Gate-Ansteuerung anliegt, ist der Drain-Source-Kanal am MOSFET sehr hochohmig, wodurch die Kontakte getrennt werden. Da SSRs anstelle eines mechanischen Arms MOSFETs (Festkörperbauelemente) zum Schalten von Zuständen verwenden, haben sie eine unbegrenzte mechanische Lebensdauer. SSRs bieten auch schnellere Schaltgeschwindigkeiten als elektromechanische Relais. Die Schaltzeit für SSRs hängt von der Zeit ab, die zum Ein- und Ausschalten der LED benötigt wird, etwa zwischen 0,5 ms und 1 ms. Dies ist schneller als die Zeit, die der mechanische Arm in elektromechanischen Relais für die Bewegung zwischen Zuständen benötigt.  

Die Crosspoint-Matrixmodule NI PXI-2533 und PXI-2534 256 sind Beispiele für hochdichte Schaltmodule mit SSR-Technologie. Beide Module bieten unbegrenzte mechanische Lebensdauer und unbegrenzte simultane Verbindungen und bieten die Möglichkeit, an allen Kanälen bis zu 55 V bei 1 A zu schalten.

^{Abbildung 2: NI PXI-2533 256-Crosspoint-SSR-Matrixmodule}

Wie SSRs sind FET-Schalter keine mechanischen Geräte und haben daher eine unbegrenzte mechanische Lebensdauer. FET-Schalter verwenden eine Reihe von CMOS-Transistoren zum Ein- und Ausschalten von Circuits. Im Gegensatz zu SSRs steuert die Steuerschaltung die Gates der Transistoren direkt an, anstatt eine LED anzusteuern. Die direkte Ansteuerung des Transistor-Gates ermöglicht viel schnellere Schaltgeschwindigkeiten, da die Ein- und Ausschaltzeit der LED kein Problem ist. Da sich keine mechanischen Teile oder LEDs in der Verpackung befinden, können FET-Schalter sehr klein sein. Eine wesentliche Einschränkung des FET-Schalters besteht jedoch darin, dass er keine physische Isolationsbarriere hat, so dass er nur mit Niederspannungssignalen verwendet werden kann.

FET-Schalter werden am häufigsten in Multiplexer- und Matrixkonfigurationen für Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit und niedriger Spannung verwendet. Beispiele für FET-basierte Schaltmodule sind die Crosspoint-Matrixmodule PXI-2535 und PXI-2536 544. Diese Module bieten Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 50.000 Koppelpunkten pro Sekunde.          

^{Abbildung 3: NI PXI-2536 544-Crosspoint-FET-Schaltmodul}

Bis vor kurzem hatten FET- und SSR-Geräte den Ruf, aufgrund ihres hohen Leitungswiderstands, der manchmal über 1 kΩ liegen kann, Messfehler in Testsystemen auszulösen. Diese Eigenschaft hat den Eintritt dieser Geräte in den Markt für automatisierte Tests behindert. Neuere Fortschritte in der Transistortechnologie haben jedoch den Leitungswiderstand von FETs und SSRs mit dem elektromechanischer Relais vergleichbar gemacht. Das Crosspoint-SSR-Relais NI PXI-2533 256 hat beispielsweise einen Bahnwiderstand von 1 Ω, der kleiner oder gleich dem Bahnwiderstand der meisten elektromechanischen Relaismodule ist. Dieser wesentliche technologische Durchbruch hat es nun ermöglicht, die Vorteile der FET- und SSR-Technologie zu nutzen, die unbegrenzte mechanische Lebensdauer und schnellere Schaltgeschwindigkeiten beinhalten, ohne unter den Folgen eines höheren Leitungswiderstands zu leiden.

FET- und SSR-Geräte tragen zur Kostensenkung in automatisierten Testsystemen bei, indem sie die Vorlaufkosten senken, die Lebensdauer des Schaltsystems erhöhen und Testzeiten minimieren.

Die kompakte Größe von FETs und SSRs trägt dazu bei, die Vorlaufkosten von PXI-Schaltsystemen zu reduzieren. Die Kosten eines PXI-Schaltmoduls basieren auf den Kosten für Relaiskomponenten, Backend-Schaltkreise und Materialien wie Leiterplatte (PCB), die zum Bau des Moduls verwendet werden. Der geringe Formfaktor von FETs und SSRs ermöglicht den Bau von PXI-Schaltmodulen mit sehr hoher Dichte. Dies trägt dazu bei, die Anzahl der PXI-Module und damit der PXI-Slots in einem Chassis zu reduzieren, wenn Schaltsysteme mit hoher Dichte, wie sie in Halbleitervalidierungstests verwendet werden. Durch die Verwendung weniger Module entstehen weniger Kosten für Rohstoffe und die Backend-Architektur. Die Koppelpunktmatrix PXI-2535 544 ist ein Beispiel für ein PXI-Schaltmodul mit sehr hoher Dichte in FET-Technologie.

Die unbegrenzte mechanische Lebensdauer und die schnelleren Schaltgeschwindigkeiten von FET-Schaltern tragen dazu bei, die Kosten in Testsystemen zu minimieren. Nehmen Sie das Beispiel eines Systems, mit dem 10 Tests an einem Chip mit 500 I/O-Punkten durchgeführt werden. Der Chip wird in zahlreichen Geräten verwendet und sein kumulierter Umsatz wird auf 1 Million pro Monat geschätzt. Das Testsystem, das aus einer einzigen NI-PXI-Source-Measure-Unit (SMU) und einem Switching-Frontend besteht, mit dem alle 500 Punkte an die SMU geleitet werden, muss kontinuierlich und ohne Unterbrechung ausgeführt werden. Der Kostenvergleich zwischen einem FET-basierten Schalterprodukt und einem elektromechanischen Relaisprodukt ist wie folgt:

Mit der Scangeschwindigkeit von 50.000 Kanälen pro Sekunde des FET-Schalters PXI-2535 544 können Sie alle 1 Million Chips in weniger als 12 Tagen testen. Da FETs eine unbegrenzte mechanische Lebensdauer haben, entstehen Ihnen während des Prozesses keine Ersatzkosten für Schaltmodule.

  ^{Abbildung 4: Chiptest mit SMU und 544-Crosspoint-FET-Schalter}

Bei Verwendung eines elektromechanischen Relais-Schaltmoduls mit gleicher Dichte wären die Kosten viel höher. Elektromechanische Relais haben eine typische Lebensdauer von 1 Million Verschlüssen und eine Geschwindigkeit von 250 Kanälen pro Sekunde. Da jedes Relais während des Tests aller 1 Million Chips 10 Millionen Mal geschlossen wird, muss das Relaismodul 10 Mal ausgetauscht werden. Dies würde die Gesamtkosten für die Wartung des Systems erhöhen. Die geringere Geschwindigkeit elektromechanischer Relais erhöht auch die Kosten im Vergleich zur FET-basierten Lösung. Die Testzeit von 1 Million Chips mit elektromechanischen Relais beträgt 231 Tage. Die Verwendung elektromechanischer Relais würde somit die Kosten für die Wartung und den Betrieb einer Produktionshalle für 219 zusätzliche Tage im Vergleich zum FET-basierten Modul erhöhen. Längere Testzeiten bringen auch Herausforderungen bei der Bestandsverwaltung und beim Versand von Produkten an Kunden mit sich.

Dieses Beispiel ist zwar hypothetisch, zeigt aber die realen Kosteneinsparungen, die durch die Vorteile der FET- und SSR-Technologie erzielt werden können.

Es gibt keine einzige Lösung für die Signalführung in automatisierten Testsystemen. Tatsächlich steigt die Anzahl der auf dem Markt verfügbaren Lösungen kontinuierlich. FETs und SSRs sind Beispiele für Schaltlösungen, die seit jeher auf dem Markt verfügbar sind, aber erst in letzter Zeit aufgrund der Fortschritte in der Transistortechnologie zu praktikablen Optionen geworden sind. Mit diesen Fortschritten können Sie jetzt von den Vorteilen der Festkörperschaltung profitieren, die schnellere Schaltgeschwindigkeiten und unbegrenzte mechanische Lebensdauer umfassen, um bessere, schnellere und wirtschaftlichere Testsysteme zu erstellen.

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