以 FET 與 SSR 降低自動化測試系統的切換成本

不論是從汽車引擎到熱電偶，電機繼電器為隨處可見的低價位裝置，可針對幾乎所有的訊號來源進行路由作業。成為自動化測試市場中極其普遍的裝置自然不為過。電磁式機械繼電器雖已廣受業界歡迎但速度較慢 (每秒數百個通道) 且使用壽命有限，因此不適合用於半導體檢驗測試等應用。

半導體是迅速發展多年的量產裝置。由於其複雜度亦大幅提升，因此測試成本也一直居高不下。時至今日某些半導體晶片已相當精密，以至於測試成本已超過生產成本。為降低晶片長期成本，半導體製造商必須透過縮短測試時間的方式壓低測試成本，並且降低儀器開銷。就切換器系統而言，這代表使用的零件必須具備高掃瞄率與更長的使用壽命，這是機電繼電器所不具備的功能卻普遍用於固態繼電器 (SSR) 與場效電晶體 (FET) 切換器等裝置。FET 和 SSR 通道切換速度高達每秒 50000 個，機械使用壽命極長，能縮短測試時間，而且不需要頻繁更換零組件，應用於許多用途都有助於降低負擔.此外，半導體裝置規格小巧，也能大幅降低切換系統的前期成本。

固態繼電器的結構物是以 LED 控制的感光性金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET)。封裝 LED 發出的光線會啟動感光性 MOSFET，讓電流能夠通過。

^{圖 1：固態繼電器 (SSR) 架構}

LED 致動功能會在控制電路與 MOSFET 之間發揮相當高的電氣隔離作用，因此適合用於高壓用途。不過，由於 MOSFET 會進行切換，因此其接觸點之間並不會發生電氣隔離。若 MOSFET 未配備閘極驅動器，MOSFET 的汲極-源極通道就會出現極高的電阻，在接觸點之間形成斷路。SSR 使用固態裝置 MOSFET 切換狀態，而非使用機械手臂，因此，機械使用壽命相當長。SSR 的切換速度也比機電繼電器更快。SSR 的切換時間取決於開啟和關閉 LED 要花的時間，大約介於 0.5 ms 到 1 ms 之間。相較於機電繼電器中機械手臂在不同狀態之間移動所花的時間，SSR 的速度自然更快。 

NI PXI-2533 和 PXI-2534 256 交點矩陣模組是整合 SSR 技術之高密度切換器產品的範例。兩種模組均具備極長的機械使用壽命、能進行不限次數的同時連線，同時在所有通道也都能以 1A 的電流切換高達 55 V 的電壓。

^{圖 2：NI PXI-2533 256-交點 SSR 矩陣模組}

場效電晶體 (Field-Effect Transistor, FET) 切換器並非機械裝置，就像 SSR 一樣，因此機械使用壽命極長。FET 切換器使用 CMOS 電晶體系列連接或中斷電路。不同於 SSR 之處在於，其控制電路會直接驅動電晶體閘極，而不驅動 LED。開啟/關閉 LED 的時間不成問題，因此，直接驅動電晶體閘極的切換速度會快上許多。此外，由於封裝不含機械零件或 LED，因此 FET 切換器的尺寸可以做到非常小巧。不過，FET 切換器的其中一個主要限制在於少了實體隔離屏障，因此只適用於低電壓訊號。

FET 切換器常見於多工器，以及高速、低壓用途的矩陣配置。PXI-2535 和 PXI-2536 544 交點矩陣模組是 FET 切換器模組的範例。這些模組的切換速度可以高達每秒 50000 個交點。          

^{圖 3：NI PXI-2536 544 交點 FET 切換器模組}

直到最近，由於 FET 與 SSR 裝置的高路徑電阻有時會超過 1 kΩ，因此往往會在測試系統中造成量測錯誤。此特性阻礙了這些裝置進入自動化測試市場。不過，電晶體技術近期發展突飛猛進，也連帶使得 FET 和 SSR 路徑電阻的表現不亞於機電繼電器路徑電阻。舉例來說，NI PXI-2533 256 交點 SSR 繼電器的路徑電阻是 1Ω，小於或等於大部分機電繼電器模組的路徑電阻。拜這項重大的技術突破所賜，現在才能充分運用 FET 和 SSR 技術的固有優勢，包括極長的機械使用壽命和更快的切換速度，同時不會因為路徑電阻更高而受影響。

FET 和 SSR 裝置能降低前期成本、延長切換器系統使用壽命以及縮短測試時間，因此有助於節省自動化測試系統的成本。

FET 和 SSR 規格小巧，且能降低 PXI 切換器系統的前期成本。PXI 切換器模組的成本取決於繼電器零組件、後端電路，以及印刷電路板 (PCB) 等模組建構材料的成本。FET 和 SSR 規格小巧，有助於建構極高密度單槽 PXI 切換器模組。因此，建構高密度切換器系統 (例如半導體驗證測試機時所用的系統) 時，就能減少 PXI 模組的數量，自然不需佔用太多機箱 PXI 插槽。需使用的模組越少，自然越省原物料和後端架構費用。PXI-2535 544 交點矩陣是使用 FET 技術建構之極高密度 PXI 切換器模組的範例。

FET 切換器的機械使用壽命極長、切換速度較快，也有助於大幅降低測試系統成本。我們以一套用於測試同一顆晶片 10 次的系統為例，這顆晶片有 500 個 I/O 點。許多裝置均使用這款晶片，晶片的每月累計銷售量大約是 100 萬顆。這套測試系統以一個 NI PXI 電源量測單位 (SMU) 和一個 SMU 切換前端構成，後者用於將 500 個點全數路由連接到 SMU，是維持連續運作而不中斷的必要零組件。下方列舉 FET 切換器產品與機電繼電器切換器產品使用成本比較。

PXI-2535 544 交點 FET 切換器的掃描速度達每秒 50000 個通道，不到 12 天就能將 100 萬顆晶片全數測試完畢。FET 機械壽命極長，因此，使用期間不會有更換交換器模組的成本。

  ^{圖 4以 SMU 和 544 交點 FET 切換器進行的晶片測試}

在密度相同的前提下，若是使用機電繼電器切換器模組，整體成本就高得多。一般機電繼電器的使用壽命是關閉 1 百萬次，速度則是每秒 250 個通道。將 1 百萬顆晶片全部測試完畢這段期間，每組繼電器會關閉 1 千萬次，因此會需要更換繼電器模組 10 次。這樣會提高讓系統維持運作所需的總支出。相較於 FET 解決方案，機電繼電器的速度較慢，成本也較高。使用機電繼電器測試 100 萬顆晶片需要 231 天。因此，相較於 FET 模組，使用機電繼電器將多出 219 天的生產廠房維護與運作成本。測試時間越長，庫存管理與產品出貨作業也會越困難。

範例雖然只是推估，但也足以證明 FET 和 SSR 技術確實有助於節省大幅成本。

自動化測試系統路由訊號適用的解決方案不會只有一種。事實上，目前出現在市面上的解決方案也不斷增加。市面上早已不乏許多切換解決方案，但直到近期電晶體技術突飛猛進，這類解決方案的可行性才得以彰顯，FET 和 SSR 就是其中的例子。透過這些進階功能，使用者能立刻掌握固態切換器的優勢，包括切換速度更快、機器使用壽命極長，從而進一步建立更好、更快、更符合經濟效益的測試系統。

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