Reducing Switching Costs in Automated Test System with FETs and SSRs

固態繼電器是透過 LED 所控制的光感應金氧半導體場效電晶體 (MOSFET) 而構成。LED 所發出的光線將啟動光感應 MOSFET，並讓電流通過之。

圖 1. 固態繼電器 (SSR) 的結構

由於 LED 的致動功能，可於控制電路與 MOSFET 之間提供極高的隔離，因此適用於高電壓的應用。然而，因為 MOSFET 在此期間進行切換作業，所以其接觸點並不具有隔離障礙。當 MOSFET 不具有閘極門驅動 (Gate drive) 時，則 MOSFET 上的 Drain-source 通道將具有極高的電阻，可形成接觸點之間的斷路。由於固態裝置 SSR 使用 MOSFET 而非機器手臂以切換狀態，因此具有極長的機器使用壽命。由於 SSR 的切換時間必須視開關 LED 電源的時間長短而定 (一般約為 1 ms 與 0.5 ms)，因此其切換速度可高於電磁式機械繼電器的速度。

NI PXI-2533 與 PXI-2534 為 256 個交點的矩陣，並為整合 SSR 技術的高密度切換產品範例。此 2 個模組均可具有極長的機器使用壽命與無限的同步連結功能，可於 1 A 切換所有通道最高達 60 V。

  圖 2. NI PXI-2533 與 PXI-2534 – 256 個交點的 SSR 矩陣模組

與 SSR 相同，FET 切換器並不屬於機器裝置，因此擁有極長的機器使用壽命。FET 切換器使用 CMOS 電晶體系列，以連接或中斷電路。相異於 SSR，控制電路可直接驅動電晶體閘極，而不需驅動 LED。由於開啟/關閉 LED 的時間不至於構成問題，因此直接驅動電晶體閘極可達到更快的切換速度。同樣的，由於封裝中並不包含機器部分或 LED，因此 FET 切換器可達極小的尺寸。FET 切換器的主要限制之一，即缺乏實體的隔離障礙物，因此僅能搭配使用低電壓訊號。

FET 切換器常見於多工器與矩陣設定，適用於更高速的低電壓應用。PXI-2535 與 PXI-2536 為 544 個交點的矩陣模組，為 FET 架構的切換模組。這些模組的切換速度可達最多每秒 50,000 個交點。

 圖 3. NI PXI-2535 為 544 個交點的 FET 切換模組

在此之前，由於 FET 與 SSR 裝置具有可超過 1 kΩ 的高路徑電阻，而導致測試系統中的量測錯誤。此特性讓這些裝置遭阻於自動化測試市場之外。但現今的電晶體技術，已讓 FET 與 SSR 的路徑電阻不下於電磁式機械繼電器。舉例來說，NI PXI-2533 為 256 個交點的 SSR 繼電器，其 1 Ω 路徑電阻即低於或等於大部分電磁式機械繼電器模組的路徑電阻。此項技術上的突破，可進一步平衡 FET 與 SSR 技術的固有優點，包含極長的機器使用壽命與更快的切換速度。

FET 與 SSR 裝置可降低前端成本、延長切換器系統使用壽命，並縮短測試時間，以省下自動化測試系統的成本。

FET 與 SSR 的精緻規格，並可降低 PXI 切換器系統的前端成本。PXI 切換器模組的成本，將根據繼電器元件、後端電路，與建立模組的相關材料所決定，如 PCB 與覆蓋片 (Overlay)。FET 與 SSR 的小巧規格，將可簡化高密度單槽式 PXI 切換器模組的建立作業。當建立如半導體檢驗測試的高密度切換器系統時，此項特性可協助減少所需的 PXI 模組數量。若使用較少的模組，即可縮減原始材料與後端架構的費用。PXI-2535 為 544 個交點的矩陣，亦為使用 FET 技術的高密度 PXI 切換器模組範例。

FET 切換器的機器使用壽命與較快的切換速度，亦可協助降低測試系統中的成本。談到半導體檢驗測試系統，則可討論透過 500 個 I/O 點，於單一晶片上進行 10 次參數測試的範例。該晶片為單一公司所製造，並廣泛使用於多種型號的行動電話中。這些行動電話粗估每個月均可達到 1 百萬支的銷售量。此連續執行不中斷的系統，則整合單一 NI PXI-4130 的 SMU，與可連接所有 500 個點至 SMU 的切換前端。假設該系統每天的運作成本需要美金 $5,000 元。則下列為 FET 架構與電磁式機械繼電器架構切換器產品的成本比較。

若使用 PXI-2535 的 544 個交點 FET 切換器，則可於 12 天以內測試過所有 1 百萬組的晶片。由於 FET 具有極長的機器壽命，因此該程序執行期間將不會發生任何切換器模組的替換成本。

圖 4. 以 SMU 與 544 個交點的 FET 切換器進行半導體檢驗

若相同密度使用電磁式機械繼電器架構的切換器模組，則將提高整體成本甚多。一般電磁式機械繼電器的速度為每秒 250 個通道，可達到約 1 百萬次開關的使用壽命。由於在所有 1 百萬組晶片的測試期間，每組繼電器將關閉約 1 千萬次，因此繼電器模組則必須更換達 10 次。若每模組成本為美金 $5,000 元，則維護系統的總費用將達 $15,000。而與 FET 架構的解決方案相較，速度較慢的電磁式機械繼電器亦將增加額外成本。電磁式機械繼電器測試 1 百萬組晶片的時間可達 231 天，亦將較 FET 架構的解決方案多出約 $1.1 百萬元的成本。針對管理存貨與出貨作業來說，較多的測試次數亦將產生較多的風險。

依此設定案例來看，則 FET 與 SSR 技術可實際為使用者省下額外成本。

自動化測試系統中的訊號連結作業，將不再僅有單一的解決方案。事實上，目前市面上的解決方案數量仍不斷增加中。由於電晶體技術的突飛猛進，FET 與 SSR 雖然為市面上常見的切換解決方案範例，但卻是難以取代的選擇。透過這些進階功能，使用者可立刻獲得固態切換器的優勢，包含較快的切換速度與極長的機器使用壽命，以進一步建立更好、更快，更經濟的測試系統。