Présents dans divers produits allant des moteurs automobiles aux thermocouples, les relais électromécaniques sont des dispositifs peu coûteux et facilement disponibles que vous pouvez utiliser pour acheminer des signaux provenant de presque n’importe quelle origine. Il n’est pas étonnant que ces dispositifs soient devenus omniprésents sur le marché du test automatisé. Malgré leur adoption industrielle, les relais électromécaniques sont relativement lents (centaines de voies par seconde) et ont une durée de vie limitée, ce qui les rend inadaptés à une utilisation dans des applications telles que le test de validation des semi-conducteurs.
Les semi-conducteurs sont des dispositifs fabriqués en série qui ont considérablement évolué au fil des ans. Au fur et à mesure que ces dispositifs gagnent en complexité, il en va de même des frais généraux associés à leur test. Aujourd’hui, certaines puces de semi-conducteurs sont si sophistiquées que le coût de leur test est supérieur à celui de leur production. Afin que les puces restent abordables sur le long terme, les fabricants de semi-conducteurs doivent réduire les coûts de test en diminuant le temps nécessaire pour tester chaque dispositif et en minimisant les dépenses liées à l’instrumentation. Pour les systèmes de commutation, cela signifie utiliser des pièces qui disposent de vitesses de balayage rapides et de durées de vie plus longues. Ces fonctionnalités manquent aux relais électromécaniques mais elles sont répandues dans des dispositifs tels que les relais statiques (SSR) et les commutateurs à transistor à effet de champ (FET). Avec des vitesses de commutation pouvant atteindre 50 000 voies par seconde et une durée de vie mécanique illimitée, les FET et les SSR réduisent les frais généraux dans de nombreuses applications en réduisant les délais de test et en éliminant le besoin de remplacer fréquemment les composants de commutation. De plus, leur format compact permet de minimiser les coûts initiaux du système de commutation.
Un relais statique est composé d’un transistor photosensible à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET) qui est contrôlé à l’aide d’un voyant. La lumière du voyant encapsulé actionne le MOSFET photosensible et permet au courant de le traverser.
Figure 1 : Construction de relais statiques (RSS)
Les SSR sont utiles dans les applications haute tension car l’activation du voyant fournit une barrière d’isolation galvanique entre le circuit de commande et le MOSFET. Cependant, étant donné que le MOSFET effectue la commutation, il n’y a aucune barrière galvanique entre ses contacts. Lorsqu’il n’y a pas de commande de grille sur le MOSFET, la voie drain-source du MOSFET présente une résistance très élevée, ce qui assure la déconnexion entre les contacts. Comme les SSR utilisent des MOSFET, qui sont des dispositifs statiques, pour changer d’état au lieu d’un bras mécanique, leur durée de vie mécanique est illimitée. Les SSR offrent également des vitesses de commutation plus rapides que les relais électromécaniques. Le temps de commutation des SSR dépend du temps nécessaire pour que le voyant s’allume et s’éteigne, entre 0,5 ms et 1 ms environ. Cela est plus rapide que le temps nécessaire au bras mécanique des relais électromécaniques pour passer d’un état à un autre.
Les modules de matrice à 256 points de croisement NI PXI-2533 et PXI-2534 sont des exemples de produits de commutation haute densité qui intègrent la technologie SSR. Les deux modules présentent une durée de vie mécanique infinie et des connexions simultanées illimitées tout en offrant la possibilité de commuter jusqu’à 55 V à 1 A sur toutes les voies.
Figure 2 : Modules de matrice SSR à 256 points de croisement NI PXI-2533
Comme les SSR, les commutateurs FET ne sont pas des dispositifs mécaniques et présentent donc une durée de vie mécanique illimitée. Les commutateurs FET utilisent une série de transistors CMOS pour connecter et déconnecter les circuits. Contrairement aux SSR, le circuit de commande contrôle directement les grilles des transistors au lieu de contrôler un voyant. Le contrôle direct de la grille du transistor permet de bénéficier de vitesses de commutation beaucoup plus rapides car le temps nécessaire pour allumer et éteindre le voyant n’est pas un problème. En outre, comme ils ne contiennent pas de pièces mécaniques ou de voyant dans l’emballage, les commutateurs FET peuvent être très petits. L’une des principales limites du commutateur FET, cependant, réside dans le fait qu’il ne dispose pas de barrière d’isolation physique, de sorte que vous ne pouvez l’utiliser qu’avec des signaux basse tension.
Les commutateurs FET sont le plus souvent utilisés dans les configurations de multiplexeur et de matrice pour les applications basse tension plus rapides. Par exemple, les modules de matrice à 544 points de croisement PXI-2535 et PXI-2536 sont des modules de commutation basés sur FET. Ces modules offrent des vitesses de commutation pouvant atteindre 50 000 points de croisement par seconde.
Figure 3 : Module de commutation FET à 544 points de croisement NI PXI-2536
Jusqu’à récemment, les dispositifs FET et SSR avaient la réputation d’induire des erreurs de mesure dans les systèmes de test en raison de leur résistance de voie élevée, qui peut parfois dépasser 1 kΩ. Cette caractéristique a entravé l’entrée de ces dispositifs sur le marché du test automatisé. Toutefois, les progrès récents de la technologie des transistors ont rendu la résistance de voie des FET et des SSR comparable à celle des relais électromécaniques. Par exemple, le relais SSR à 256 points de croisement NI PXI-2533 est doté d’une résistance de voie de 1 Ω, ce qui est inférieur ou égal à la résistance de voie de la plupart des modules de relais électromécaniques. Cette avancée technologique importante a permis de tirer parti des avantages inhérents aux technologies FET et SSR, qui incluent une durée de vie mécanique illimitée et des vitesses de commutation plus rapides tout en ne subissant pas les conséquences d’une résistance de voie plus élevée.
Les dispositifs FET et SSR permettent de diminuer les coûts relatifs aux systèmes de test automatisé en minimisant les coûts initiaux, en prolongeant la durée de vie des systèmes de commutation et en réduisant les délais de test.
La taille compacte des dispositifs FET et des SSR permet de réduire le coût initial des systèmes de commutation PXI. Le coût d’un module de commutation PXI est basé sur le coût des composants de relais, des circuits back-end et des matériaux tels que la carte de circuit imprimé (PCB) utilisés pour construire le module. Le format compact des FET et des SSR facilite la construction de modules de commutation PXI à emplacement unique à très haute densité. Cela permet de réduire le nombre de modules PXI et, par conséquent, les emplacements PXI utilisés dans un châssis, lors de la construction de systèmes de commutation à haute densité tels que ceux utilisés dans les testeurs de validation de semi-conducteurs. En utilisant moins de modules, vous engagez moins de dépenses sur les matières premières et l’architecture back-end. La matrice à 544 points de croisement PXI-2535 est un exemple de module de commutation PXI à très haute densité construit à l’aide de la technologie FET.
La durée de vie mécanique illimitée et les vitesses de commutation plus rapides des commutateurs FET permettent également de minimiser les coûts dans les systèmes de test. Prenons l’exemple d’un système utilisé pour effectuer 10 tests sur une puce à 500 points d’E/S. La puce est utilisée dans de nombreux dispositifs et ses ventes cumulées sont estimées à 1 million d’unités par mois. Le système de test, construit à l’aide d’une seule unité de source et mesure (SMU) NI PXI et d’un frontal de commutation utilisé pour acheminer les 500 points vers la SMU, doit fonctionner en continu sans interruption. La comparaison des coûts d’utilisation d’un produit de commutation basé sur FET par rapport à un produit basé sur un relais électromécanique est la suivante.
Grâce à la vitesse de balayage de 50 000 voies par seconde du commutateur FET à 544 points de croisement PXI-2535, vous pouvez tester 1 million de puces en moins de 12 jours. Étant donné que les dispositifs FET disposent d’une durée de vie mécanique illimitée, vous n’encourez aucun coût de remplacement de module de commutation pendant le processus.
Figure 4 : Test de puce avec SMU et commutateur FET à 544 points de croisement
Si vous utilisiez un module de commutation basé sur un relais électromécanique de la même densité, les dépenses seraient beaucoup plus élevées. Les relais électromécaniques ont une durée de vie typique de 1 million de fermetures et une vitesse de 250 voies par seconde. Étant donné chaque relais est fermé 10 millions de fois pendant le processus de test des 1 million de puces, le module de relais doit être remplacé 10 fois. Cela augmente les dépenses totales engagées pour maintenir le système. La vitesse plus lente des relais électromécaniques ajoute également des coûts supplémentaires par rapport à la solution basée sur FET. Le temps nécessaire pour tester 1 million de puces à l’aide de relais électromécaniques est de 231 jours. Par conséquent, l’utilisation de relais électromécaniques augmenterait le coût d’entretien et de fonctionnement d’un atelier de production pendant 219 jours supplémentaires par rapport au module basé sur FET. L’allongement des délais de test présente également des défis en ce qui concerne la gestion des stocks et l’expédition des produits aux clients.
Bien qu’hypothétique, cet exemple montre les économies réelles que vous pouvez réaliser grâce aux avantages des technologies FET et SSR.
Il n’existe pas de solution universelle pour le routage des signaux dans les systèmes de test automatisé. En fait, le nombre de solutions disponibles sur le marché ne cesse d’augmenter. Les dispositifs FET et SSR sont des exemples de solutions de commutation qui ont toujours été disponibles sur le marché, mais qui ne sont devenues des options viables que récemment en raison des progrès de la technologie des transistors. Grâce à ces avancées, vous pouvez désormais bénéficier des avantages de la commutation statique, qui incluent des vitesses de commutation plus rapides et une durée de vie mécanique illimitée, ce qui permet de construire des systèmes de test plus performants, plus rapides et plus économiques.