자동화된 반도체 테스트 시스템

솔리드 상태 릴레이는 감광성의 MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)를 사용하여 구축되며 이는 LED를 사용하여 컨트롤됩니다. 캡슐화된 LED의 빛이 감광성의 MOSFET를 구동하여 전류가 흐르도록 합니다.

그림 1. 솔리드 상태 릴레이 (SSR) 구조

SSR은 LED 구동이 컨트롤 회로와 MOSFET간의 전기 절연 배리어를 제공하기 때문에 고전압 어플리케이션에 유용합니다. 그러나 MOSFET은 스위칭을 진행하므로, 접점간 전기적 배리어가 없습니다. MOSFET에 게이트 드라이브가 없으면, MOSFET의 drain-source 채널에는 매우 높은 저항이 생기며 이는 접전간의 연결 단절을 유발합니다. SSR은 상태를 스위치할 때 기계 팔이 아닌 MOSFET을 사용하기 때문에 기계 수명이 무한합니다. SSR은 스위칭 시간이 LED on/off에 필요한 시간 (각각 약 1 ms, 0.5 ms)에 달려 있으므로 전자기계 릴레이보다 훨씬 빠른 속도를 지니게 됩니다.

NI PXI-2533 및 PXI-2534 256 크로스포인트 매트릭스 모듈은 향상된 SSR 기술을 활용하는 고밀도 스위치 제품의 예입니다. 본 모듈은 무제한의 기계 수명 및 무제한의 동시 연결을 제공하는 동시에 모든 채널에서 1A로 최고 60V까지 스위치할 수 있습니다.

그림 2. NI PXI-2533 및 PXI-2534 256-크로스포인트 SSR 매트릭스 모듈

SSR과 마찬가지로 FET 스위치는 기계적인 디바이스가 아닙니다. FET 스위치는 스위치를 실행하기 위해 일련의 CMOS 트랜지스터를 사용합니다. SSR과 달리 컨트롤 회로는 LED를 구동하지 않고 트랜지스터의 게이트를 직접 구동합니다. 트랜지스터 게이트를 직접 구동하게 되면 LED의 power-on/off 시간이 문제되지 않기 때문에 훨씬 빠른 스위칭이 가능하게 됩니다. 일반적으로 FET 스위치는 여기에서 다루는 스위치 중 가장 빠른 스위치입니다. 또한 패키지에 기계적인 파트 또는 LED가 없으므로 FET 스위치는 매우 작습니다. 그러나 FET 스위치의 한가지 문제점은 물리적인 절연 배리어가 없기 때문에 저 전압 신호와 함께 사용될 수 있다는 점입니다.

FET 스위치는 멀티플렉서 및 고속, 저 전압 어플리케이션을 위한 매트릭스 구성에서 주로 사용됩니다. PXI-2535 및 PXI-2536 544-크로스포인트 매트릭스 모듈은 FET-기반 스위치 모듈의 예입니다. 본 모듈은 초당 최고 50,000 크로스포인트의 스위치 속도를 제공합니다.

그림 3. NI PXI-2535 544-크로스포인트 FET 스위치 모듈

지금까지 FET 및 SSR 디바이스는 심지어 1 kΩ을 초과하는 높은 경로 저항으로 인해 테스트 시스템에서 측정 에러를 유발한다고 알려져 왔습니다. 따라서 이러한 사실은 FET 및 SSR 디바이스가 자동화 테스트 업계에 진출하는 데 있어 장벽으로 작용하였습니다. 그러나 최근 트랜지스터 기술의 향상으로 인해 FET 및 SSR의 경로 저항은 전자기계 릴레이와 대등하게 되었습니다. 예를 들어 NI PXI-2533 256-크로스포인트 SSR 릴레이는 1 Ω의 경로 저항이 있으며 이는 대부분의 전자기계 릴레이 모듈의 저항보다 더 낮거나 비슷한 수준입니다. 이 같은 대대적인 기술 변혁으로 FET 및 SSR 기술의 고유의 혜택, 즉 무제한 기계 수명 및 신속한 스위칭 속도 등을 활용할 수 있게 되었습니다.

FET 및 SSR 디바이스는 선행 비용을 낮추고, 스위치 시스템 수명을 증대하며, 테스트 횟수를 줄임으로써 자동화된 테스트 시스템의 비용을 절감합니다.

FET 및 SSR의 컴팩트한 크기로 인해 PXI 스위치 시스템의 선행 투자 비용을 줄일 수 있습니다. PXI 스위치 모듈의 비용은 릴레이 컴포넌트, back-end 회로, 및 PCB, 오버레이 등의 비용에 따라 달라집니다. FET 및 SSR의 소형 폼 팩터로 인해 매우 높은 밀도 단일 슬롯 PXI 스위치 모듈 구축을 편리하게 진행할 수 있습니다. 이는 반도체 검증 테스터에서 사용되는 것과 같은 고밀도 스위치 시스템을 구축할 때 요구되는 PXI 모듈의 개수를 줄여줍니다. 더 적은 개수의 모듈을 사용하면 원자재 및 back-end 구조에 대한 비용도 낮아집니다. PXI-2535 544-크로스포인트 매트릭스는 FET 기술을 사용하여 구축된 매우 높은 밀도의 PXI 스위치 모듈의 예입니다.

FET 스위치의 무제한적인 기계 수명 및 더욱 신속한 스위치 속도는 또한 테스트 시스템의 비용 최소화에 도움이 됩니다. 500 I/O 포인트가 있는 칩에서 10개의 파리미터 테스트를 수행하기 위해 사용되는 반도체 검증 테스트 시스템의 예를 생각해 보십시오. 칩은 단일 회사에서 제조되는 여러 핸드폰 모델에 사용되는 보편적인 파트입니다. 이 같은 핸드폰 모델의 누적 판매액은 매달 1백만으로 추산됩니다. 어떤 방해도 없이 연속적인 작동이 요구되는 시스템은 단일 NI PXI-4130 source measure unit (SMU) 및 500개 모든 포인트를 SMU에 라우팅하는 데에 사용되는 스위칭 프론트 엔드를 사용하여 구축됩니다. 제조 공장을 가동하는 데에 하루 $5,000 (USD)가 든다고 가정합시다. FET-기반 스위치 제품을 사용하는 비용과 전자기계 릴레이 기반 제품을 사용하는 비용을 비교하면 다음과 같습니다.

PXI-2535 544-크로스포인트 FET 스위치를 사용하면 12일 이내에 백만 개의 칩을 모두 테스트할 수 있습니다. FET는 기계 수명이 무제한적이므로 과정 동안 스위치 모듈 교체에 비용이 들지 않습니다.

그림 4. SMU 및 544-크로스포인트 FET 스위치로 반도체 검증

전기기계 릴레이 기반 스위치 모듈을 동일한 밀도로 사용한다면 비용은 훨씬 높아질 것입니다. 전자기계 릴레이는 1 백만 폐쇄되는 일반 수명 및 초당 250 채널의 속도입니다. 각 릴레이는 모든 백만 개의 칩에서 테스트되는 과정 동안 천만번 닫히기 때문에 릴레이 모듈은 10번 교체되어야 합니다. 이러한 과정은 시스템을 유지하는데 발생하는 총 비용을 증가시킵니다. 전자기계 릴레이의 느린 속도 또한 FET-기반 솔루션과 비교할 때 추가 비용을 유발하는 요소입니다. 전자기계 릴레이를 사용하여 백만 개의 칩을 테스트하는 데에 걸린 시간은 231일이며, 따라서 작동 비용으로 FET기반 솔루션에 비해 $110만 달러가 더 소요되었습니다. 더욱 긴 테스트 시간은 또한 재고 및 제품 배송을 관리할 때 더욱 많은 문제를 유발합니다.

지금까지의 내용은 물론 가설이지만, 본 예를 통해 FET 및 SSR 기술의 혜택으로 얼마나 비용을 절약할 수 있는지를 알 수 있습니다.

자동화된 테스트 시스템에서 신호를 라우팅하기 위한 단일한 솔루션이 존재하지는 않습니다. 사실, 시장에서 사용 가능한 솔루션의 개수는 지속적으로 증가하고 있습니다. FET 및 SSR은 스위칭 솔루션의 한 예로써, 시장 내에 항상 존재했었으나 최근의 트랜지스터 기술 개선으로 인해 유용한 옵션으로 자리잡았습니다. 이 같은 향상으로, 이제 솔리드 상태 스위칭의 혜택 즉, 더욱 신속한 스위치 속도 및 무제한적인 기계 수명을 통해 더욱 향상된, 신속하며 경제적인 테스트 시스템을 구축할 수 있습니다.