FET와 SSR로 테스트 자동화 시스템의 스위칭 비용 절감

자동차 엔진에서 열전쌍까지 여러 제품에서 볼 수 있는 전기 기계 릴레이는 쉽게 구할 수 있는 저가 디바이스로, 거의 어디서든 발생하는 신호를 라우팅하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 디바이스가 테스트 자동화 시장에서 보편화된 것은 놀라운 일이 아닙니다. 전기 기계 릴레이는 업계에서 널리 사용되고 있지만, 상대적으로 속도가 느린 데다(초당 수백 채널) 수명이 한정적이라 반도체 검증 테스트와 같은 어플리케이션에는 적합하지 않습니다.

반도체는 수년에 걸쳐 크게 발전한 양산형 디바이스입니다. 이러한 디바이스가 복잡해지면서 테스트의 오버헤드도 증가했습니다. 현재 일부 반도체 칩은 너무 정교하여 테스트 비용이 생산 비용보다 더 많이 들기도 합니다. 장기적으로 칩을 저렴하게 만들려면 반도체 제조업체는 각 디바이스의 테스트 시간을 줄이고 계측 비용을 최소화하여 테스트 비용을 절감해야 합니다. 스위치 시스템에서 이를 실현하려면 스캔 속도가 빠르고 수명이 더 긴 부품을 사용해야 합니다. 전기 기계 릴레이에는 없지만 SSR (솔리드 스테이트 릴레이)과 FET (전계 효과 트랜지스터) 스위치와 같은 디바이스에서 널리 사용되는 기능말입니다. 초당 50,000개 채널의 초고속 스위칭과 기계적 수명이 무한한 FET와 SSR을 사용하면, 테스트 시간을 단축하고 스위칭 구성요소를 자주 교체할 필요가 없게 되어 많은 어플리케이션의 오버헤드를 줄일 수 있습니다. 또한 폼 팩터가 작기 때문에 초기 스위치 시스템 비용을 최소화할 수 있습니다.

SSR은 LED를 사용하여 제어되는 감광성 MOSFET (산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)로 구성됩니다. 캡슐화된 LED 빛은 감광성 MOSFET을 작동시켜 전류가 흐르게 합니다.

^{그림 1: SSR (솔리드 스테이트 릴레이)의 구성}

SSR은 고전압 어플리케이션에 유용합니다. LED의 작동으로 컨트롤 회로와 MOSFET 사이에 전기 절연막이 형성되기 때문입니다. 그러나 MOSFET이 스위칭하기 때문에 접점 사이에 전류 장벽이 없습니다. MOSFET에 게이트 드라이브가 없으면 MOSFET의 드레인-소스 채널 저항이 매우 높아져 접점 사이의 연결이 끊어집니다. SSR은 기계팔 대신 솔리드 스테이트 디바이스인 MOSFET을 사용하여 상태를 스위치하기 때문에 기계적 수명이 무한합니다. 또한 SSR은 전기 기계 릴레이보다 스위칭 속도가 더 빠릅니다. SSR의 스위칭 시간은 LED의 전원을 켜고 끄는 데 필요한 시간에 따라 달라지는데, 대략 0.5 ms~1 ms입니다. 이는 전기 기계 릴레이의 기계팔이 상태를 전환하는 데 필요한 시간보다 빠릅니다.  

NI PXI-2533과 PXI-2534 256-Crosspoint Matrix Module은 SSR 기술을 통합한 고밀도 스위치 제품의 예입니다. 두 모듈 모두 기계적 수명과 동시 연결에 제한이 없으며, 모든 채널에서 1 A에서 최대 55 V까지 스위칭할 수 있습니다.

^{그림 2: NI PXI-2533 256-Crosspoint SSR Matrix Module}

SSR과 마찬가지로 FET 스위치는 기계적 디바이스가 아니므로 기계적 수명이 무한합니다. FET 스위치는 일련의 CMOS 트랜지스터를 사용하여 회로를 연결하고 끊습니다. 컨트롤 회로는 SSR과 달리 LED를 구동하는 대신 트랜지스터의 게이트를 직접 구동합니다. 트랜지스터 게이트를 직접 구동하면 LED의 전원을 켜고 끄는 시간이 문제가 되지 않아 스위칭 속도가 훨씬 빨라집니다. 또한 패키지에 기계적 부품이나 LED가 없기 때문에 FET 스위치를 아주 작게 만들 수 있습니다. 그러나 FET 스위치의 가장 큰 한계는 물리적 절연 장벽이 없기 때문에 저전압 신호에만 사용할 수 있다는 것입니다.

FET 스위치는 고속 저전압 어플리케이션의 멀티플렉서와 행렬 구성에 가장 자주 사용됩니다. PXI-2535와 PXI-2536 544-Crosspoint Matrix Module은 FET 기반 스위치 모듈의 예입니다. 이 모듈의 스위칭 속도는 초당 최대 50,000개의 교차점입니다.          

^{그림 3: NI PXI-2536 544-Crosspoint FET Switch Module}

최근까지 FET와 SSR 디바이스는 경로 저항이 높아(때로는 1 kΩ 초과) 테스트 시스템에서 측정 에러를 유발하는 것으로 알려져 있었습니다. 이러한 특성 때문에 이 디바이스는 테스트 자동화 시장에서 사용되지 못했습니다. 그러나 최근 트랜지스터 기술이 발전하면서 FET와 SSR의 경로 저항이 전기 기계 릴레이의 경로 저항과 비슷해졌습니다. 예를 들어 NI PXI-2533 256-Crosspoint SSR 릴레이의 경로 저항은 1 Ω이며, 이는 대부분의 전기 기계 릴레이 모듈의 경로 저항보다 작거나 같습니다. 이러한 기술적 진보를 통해 이제 FET와 SSR 기술만의 고유한 장점을 활용할 수 있게 되었습니다. 경로 저항이 높아 발생하는 에러 없이 무한한 기계적 수명과 더 빠른 스위칭 속도를 누릴 수 있게 된 것입니다.

FET와 SSR 디바이스는 초기 비용을 낮추고 스위치 시스템 수명을 늘리며 테스트 시간을 최소화하여 테스트 자동화 시스템의 비용을 절감합니다.

FET와 SSR은 크기가 작기 때문에 PXI 스위치 시스템의 초기 비용을 절감할 수 있습니다. PXI 스위치 모듈의 비용은 릴레이 구성요소, 백엔드 회로, 모듈을 만드는 데 사용되는 PCB (인쇄 회로 보드)와 같은 재료의 비용에 따라 달라집니다. FET와 SSR의 소형 폼 팩터는 초고밀도 단일 슬롯 PXI 스위치 모듈의 구축을 용이하게 합니다. 이를 통해, 예를 들어 반도체 검증 테스터에 사용할 고밀도 스위치 시스템을 구축할 때 PXI 모듈의 수와 결과적으로 섀시에 사용되는 PXI 슬롯의 수를 줄일 수 있습니다. 모듈을 더 적게 사용하면 원자재와 백엔드 아키텍처에 드는 비용이 줄어듭니다. PXI-2535 544-Crosspoint Matrix는 FET 기술을 사용하여 만든 초고밀도 PXI 스위치 모듈의 예입니다.

FET 스위치의 무한한 기계적 수명과 빠른 스위칭 속도는 테스트 시스템의 비용을 최대한 줄입니다. I/O 포인트가 500개인 칩에서 10번 테스트하는 데 사용되는 시스템을 생각해 보십시오. 이 칩은 다양한 디바이스에서 사용되고 있으며, 월간 누적 판매량은 백만 개라고 가정하겠습니다. 단일 NI PXI-4130 SMU (소스 측정 유닛)와 500개 포인트를 모두 SMU에 연결하는 데 사용되는 스위칭 프런트엔드를 사용하여 구축된 테스트 시스템은 중단 없이 계속 실행되어야 합니다. FET 기반 스위치 제품과 전기 기계 릴레이 기반 제품의 비용을 비교한 내용은 다음과 같습니다.

PXI-2535 544-Crosspoint FET 스위치의 초당 50,000개 채널 스캔 속도를 사용하면 12일 이내에 백만 개의 칩을 모두 테스트할 수 있습니다. FET의 기계적 수명은 무한하므로 이때 스위치 모듈을 교체하는 비용이 발생하지 않습니다.

  ^{그림 4: SMU 및 544-Crosspoint FET 스위치를 사용한 칩 테스트}

밀도가 같은 전자 기계 릴레이 기반 스위치 모듈을 사용하는 경우 비용이 훨씬 많이 듭니다. 전기 기계 릴레이의 수명은 일반적으로 백만 회의 작동이며, 속도는 초당 250개 채널입니다. 백만 개의 칩을 모두 테스트하는 과정에서 각 릴레이가 천만 회 작동하므로 릴레이 모듈을 10번 교체해야 합니다. 이로 인해 시스템 관리에 드는 총 비용이 증가하게 됩니다. 전기 기계 릴레이의 느린 속도 또한 FET 기반 솔루션보다 비용이 커지는 원인입니다. 전기 기계 릴레이를 사용하여 백만 개의 칩을 테스트하는 데 걸리는 시간은 231일입니다. 따라서 전기 기계 릴레이를 사용하면 FET 기반 모듈보다 219일 더 오래 생산 현장을 관리하고 운영해야 하며, 따라서 이 비용이 추가됩니다. 또한 테스트 시간이 길어지면 재고를 관리하고 제품을 고객에게 배송할 때 문제가 발생합니다.

이 예는 가정이긴 하지만 이를 통해 FET와 SSR 기술의 이점을 활용하여 실제로 비용을 절감할 수 있다는 것을 알 수 있습니다.

테스트 자동화 시스템에서 신호를 라우팅하는 단일 솔루션은 없습니다. 실제로 시장에서 구매할 수 있는 솔루션의 수는 지속적으로 증가하고 있습니다. FET와 SSR은 늘 시장에서 구할 수 있었지만, 트랜지스터 기술이 발전한 최근에 들어서야 사용할 수 있게 된 스위칭 솔루션의 예입니다. 이러한 기술 발전을 통해 이제 더 빠른 스위칭 속도와 무한한 기계적 수명을 비롯한 솔리드 스테이트 스위칭의 이점을 활용하여 더 우수하고 빠르고 경제적인 테스트 시스템을 구축할 수 있습니다.

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• SSR 행렬 모듈