Reducción de costes de conmutación en sistemas de prueba automatizados con FET y SSR

Los relés electromecánicos, que se encuentran en productos desde motores automotrices hasta termopares, están disponibles fácilmente y son dispositivos de bajo costo que puede usar para enrutar señales que se originan desde casi cualquier lugar. No es de extrañar que estos dispositivos se hayan vuelto omnipresentes en el mercado de pruebas automatizadas. A pesar de su adopción industrial, los relés electromecánicos son relativamente lentos (cientos de canales por segundo) y tienen una vida útil limitada, lo que los hace inadecuados para su uso en aplicaciones como la prueba de validación de semiconductores.

Los semiconductores son dispositivos producidos en serie que han evolucionado considerablemente a lo largo de los años. A medida que estos dispositivos han crecido en complejidad, también lo ha hecho la sobrecarga asociada con probarlos. Hoy en día, algunos chips semiconductores son tan sofisticados que el costo de probarlos es mayor que el costo de producirlos. Para mantener los chips asequibles a largo plazo, los fabricantes de semiconductores deben reducir los costos de prueba reduciendo el tiempo para probar cada dispositivo y minimizando los gastos de instrumentación. Para los sistemas de interruptores, esto significa utilizar piezas que tienen velocidades de exploración rápidas y vidas útiles más largas, características que carecen de relés electromecánicos, pero que prevalecen en dispositivos como los relés de estado sólido (SSR) y los interruptores de transistor de efecto de campo (FET). Con velocidades de conmutación de hasta 50.000 canales por segundo y una vida útil mecánica ilimitada, los FET y los SSR reducen los costos operativos en muchas aplicaciones al reducir los tiempos de prueba y eliminar la necesidad de sustitución frecuente de los componentes de conmutación. Además, sus pequeños factores de forma ayudan a minimizar los costos del sistema de interruptores frontales.

Un relé de estado sólido se construye utilizando un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal fotosensible (MOSFET) que se controla mediante un led. La luz del led encapsulado acciona el MOSFET fotosensible y permite que la corriente fluya a través de él.

^{Figura 1: Construcción} de relés de estado sólido (SSR)

Los SSR son útiles para aplicaciones de alta tensión porque el accionamiento led proporciona una barrera de aislamiento galvánico entre los circuitos de control y el MOSFET. Debido a que el MOSFET está haciendo la conmutación, sin embargo, no hay barrera galvánica entre sus contactos. Cuando no hay accionamiento de puerta en el MOSFET, el canal de drenaje-fuente en el MOSFET tiene una resistencia muy alta, lo que proporciona la desconexión entre los contactos. Debido a que los SSR utilizan MOSFET, que son dispositivos de estado sólido, para cambiar de estado en lugar de un brazo mecánico, tienen una vida útil mecánica infinita. Los SSR también ofrecen velocidades de conmutación más rápidas que los relés electromecánicos. El tiempo de conmutación de los SSR depende del tiempo necesario para encender y apagar el led, aproximadamente entre 0,5 ms y 1 ms. Esto es más rápido que el tiempo requerido para que el brazo mecánico en los relés electromecánicos se mueva entre estados.  

Los módulos de matriz de 256 puntos de cruce NI PXI-2533 y PXI-2534 son ejemplos de productos de interruptores de alta densidad que incorporan tecnología SSR. Ambos módulos ofrecen una vida útil mecánica ilimitada y conexiones simultáneas ilimitadas, al tiempo que proporcionan la capacidad de conmutar hasta 55 V a 1 A en todos los canales.

^{Figura 2: Módulos de matriz} NI PXI-2533 256-Crosspoint SSR

Al igual que los SSR, los interruptores FET no son dispositivos mecánicos y, por lo tanto, tienen una vida útil mecánica ilimitada. Los interruptores FET utilizan una serie de transistores CMOS para conectar y desconectar Circuits. A diferencia de los SSR, los circuitos de control accionan las puertas de los transistores directamente en lugar de accionar un led. El accionamiento directo de la puerta del transistor permite velocidades de conmutación mucho más rápidas porque el tiempo de encendido y apagado del led no es un problema. Además, debido a que no hay piezas mecánicas o led en el embalaje, los interruptores FET pueden ser muy pequeños. Sin embargo, una limitación importante del interruptor FET es que carece de una barrera de aislamiento físico, por lo que solo puede usarlo con señales de baja tensión.

Los interruptores FET se utilizan con mayor frecuencia en configuraciones de multiplexores y matrices para aplicaciones de baja tensión y mayor velocidad. Los módulos matriciales de 544 puntos de cruce PXI-2535 y PXI-2536 son ejemplos de módulos de conmutación basados en FET. Estos módulos ofrecen velocidades de conmutación de hasta 50.000 puntos de cruce por segundo.          

^{Figura 3: Módulo} de conmutación NI PXI-2536 544-Crosspoint FET

Hasta hace poco, los dispositivos FET y SSR tenían fama de inducir errores de medición en los sistemas de ensayo debido a su alta resistencia a la trayectoria, que a veces puede superar 1 kΩ. Esta característica ha impedido la entrada de estos dispositivos en el mercado de pruebas automatizadas. Pero los recientes avances en la tecnología de transistores han hecho que la resistencia de trayectoria de los FET y SSR sea comparable a la de los relés electromecánicos. El relé SSR de 256 puntos de cruce NI PXI-2533, por ejemplo, tiene una resistencia de trayectoria de 1 Ω, que es menor o igual que la resistencia de trayectoria de la mayoría de los módulos de relé electromecánico. Este avance tecnológico sustancial ha permitido aprovechar las ventajas inherentes a la tecnología FET y SSR, que incluyen una vida útil mecánica ilimitada y velocidades de conmutación más rápidas, sin sufrir las consecuencias de una mayor resistencia a la trayectoria.

Los dispositivos FET y SSR ayudan a reducir el costo en los sistemas de prueba automatizados al reducir el costo inicial, aumentar la vida útil del sistema de interruptores y minimizar los tiempos de prueba.

El tamaño compacto de los FET y SSR ayuda a reducir el costo inicial de los sistemas de interruptores PXI. El costo de un módulo de conmutación PXI se basa en el costo de los componentes del relé, los circuitos de back-end y los materiales como la placa de circuito impreso (PCB) que se utilizan para construir el módulo. El pequeño factor de forma de los FET y SSR facilita la construcción de módulos de conmutación PXI de ranura única de muy alta densidad. Esto ayuda a reducir el número de módulos PXI y, en consecuencia, las ranuras PXI utilizadas en un chasis, al construir sistemas de interruptores de alta densidad como los utilizados en los probadores de validación de semiconductores. Al usar menos módulos, incurre en menos gastos en materias primas y arquitectura de back-end. La matriz de 544 puntos de cruce PXI-2535 es un ejemplo de módulo de conmutación PXI de muy alta densidad construido con tecnología FET.

La vida útil mecánica ilimitada y las velocidades de conmutación más rápidas de los interruptores FET también ayudan a minimizar los costos en los sistemas de prueba. Considere el ejemplo de un sistema que se utiliza para realizar 10 pruebas en un chip con 500 puntos de E/S. El chip se utiliza en numerosos dispositivos y sus ventas acumuladas se estiman en 1 millón al mes. El sistema de prueba, que se construye utilizando una sola unidad de medición de fuente (SMU) NI PXI y un extremo frontal de conmutación que se utiliza para encaminar los 500 puntos a la SMU, debe funcionar continuamente sin interrupción. La comparación de costos de utilizar un producto de interruptor basado en FET frente a un producto basado en relé electromecánico es la siguiente.

Con la velocidad de escaneo de 50.000 canales por segundo del conmutador FET de 544 puntos de cruce PXI-2535, puede probar los 1 millón de chips en menos de 12 días. Debido a que los FET tienen una vida útil mecánica ilimitada, no se incurre en costos de sustitución de los módulos de conmutación durante el proceso.

  ^{Figura 4: Pruebas de chip con SMU y conmutador FET de 544 puntos de cruce}

Si se utiliza un módulo de conmutación electromecánico basado en relés con la misma densidad, los gastos serían mucho mayores. Los relés electromecánicos tienen una vida útil típica de 1 millón de cierres y una velocidad de 250 canales por segundo. Debido a que cada relé se cierra 10 millones de veces durante el proceso de prueba de los 1 millón de chips, el módulo de relé debe reemplazarse 10 veces. Esto aumentaría los gastos totales en que se incurre para mantener el sistema. La menor velocidad de los relés electromecánicos también añade costes en comparación con la solución basada en FET. El tiempo necesario para probar 1 millón de chips utilizando relés electromecánicos es de 231 días. Por lo tanto, el uso de relés electromecánicos añadiría el costo de mantener y ejecutar una planta de producción durante 219 días adicionales en comparación con el módulo basado en FET. Tiempos de prueba más largos también introducen desafíos al administrar el inventario y enviar productos a los clientes.

Aunque hipotético, este ejemplo muestra el ahorro de costes real que puede lograr debido a los beneficios de la tecnología FET y SSR.

No existe una solución única para enrutar señales en sistemas de prueba automatizados. De hecho, el número de soluciones disponibles en el mercado aumenta continuamente. Los FET y los SSR son ejemplos de soluciones de conmutación que siempre han estado disponibles en el mercado, pero que se han convertido en opciones viables solo recientemente debido a los avances en la tecnología de transistores. Con estos avances, ahora puede aprovechar los beneficios de la conmutación de estado sólido, que incluyen velocidades de conmutación más rápidas y una vida útil mecánica ilimitada, para construir sistemas de prueba mejores, más rápidos y más económicos.

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