Gezielter Einsatz von Halbleiterrelais senkt Prüfkosten

Elektromechanische Relais kommen in ganz unterschiedlichen Produkten zum Einsatz. Sie sind leicht verfügbar, kostengünstig und zur Verschaltung von Signalen zwischen fast allen erdenklichen Quellen/Senken geeignet. So verwundert es nicht, dass diese Geräte auf dem Markt für automatisierte Prüfanwendungen allgegenwärtig geworden sind. Trotz ihrer Verbreitung in der Industrie sind elektromechanische Relais langsam und haben eine begrenzte Lebensdauer, wodurch sie für den Einsatz in Anwendungen wie z. B. der Halbleiter-Validierungsprüfung eher ungeeignet sind. Halbleiter sind Massenprodukte, die sich im Laufe der Jahre stark weiterentwickelt haben. Sie sind komplexer geworden und mit ihnen der Aufwand, sie zu testen. Heute sind Halbleiterchips so hoch entwickelt, dass die Kosten für ihre Tests höher sind als ihre Herstellungskosten. Damit die Chips langfristig bezahlbar bleiben, müssen ihre Hersteller die Prüfkosten senken, indem sie die Prüfzeit für jeden Chip verkürzen und die Ausgaben für Messgeräte minimieren. Für Schaltsysteme bedeutet dies für gewöhnlich, dass Bauteile verwendet werden sollten, die schnelle Abtastraten und eine längere Lebensdauer aufweisen. Das sind Eigenschaften, die bei elektromechanischen Relais fehlen, aber in Geräten wie etwa Halbleiterrelais (Solid-State Relais, SSRs) und Feldeffekttransistoren (Field-Effect Transistor, FET) vorhanden sind. Bei diesen Geräten liegen die Schaltgeschwindigkeiten bei bis zu 50.000 Kanälen pro Sekunde und sie haben eine nahezu unbegrenzte mechanische Lebensdauer. Halbleiterrelais und Feldeffekttransistoren verringern den Aufwand bei vielen Anwendungen, indem sie Prüfzeiten reduzieren und einen regelmäßigen Austausch von Schaltkomponenten überflüssig machen. Überdies tragen ihre geringen Abmessungen zur Minimierung von Anschaffungskosten bei Schaltsystemen bei.

Was ist ein Halbleiterrelais?

Ein Halbleiterrelais besteht aus einem MOSFET – einem lichtempfindlichen Feldeffekttransistor –, der mithilfe einer Leuchtdiode gesteuert wird. Das Licht der Leuchtdiode steuert den lichtempfindlichen MOSFET an und ermöglicht den Stromfluss durch den MOSFET.

Abb. 1: Aufbau eines Halbleiterrelais

Halbleiterrelais eignen sich zum Schalten von vergleichsweise hohen Spannungen, da der Einsatz der Leuchtdiode als Steuerelement eine galvanisch isolierte Sperre zwischen dem Steuerschaltkreis und dem Leistungsschaltkreis bildet. Da der MOSFET das Schalten übernimmt, besteht allerdings keine galvanische Sperre zwischen den Kontakten. Wenn das Gate nicht angesteuert wird, hat der Drain-Source-Kanal am MOSFET einen sehr hohen Widerstand, der die Kontakte voneinander trennt. Da Halbleiterrelais MOSFETs nutzen, um zwischen Zuständen zu wechseln und keine mechanischen Komponenten, haben sie eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer. Halbleiterrelais bieten zudem höhere Schaltgeschwindigkeiten als elektromechanische Relais. Die Schaltzeiten für Halbleiterrelais hängen lediglich vom Schaltverhalte der Leuchtdiode ab.   

Die Matrixmodule NI PXI-2533 und PXI-2534 mit 256 Koppelpunkten sind Beispiele für Schaltmodule mit hoher Dichte, die die Halbleiterrelaistechnologie einsetzen. Beide Module bieten eine unbegrenzte mechanische Lebensdauer sowie unbegrenzte simultane Verbindungen. Zudem können sie bis zu 55 V bei 1 A an allen Kanälen schalten.

  Abb. 2: Halbleiterrelais-Matrixmodule NI PXI-2533 und PXI-2534 mit 256 Koppelpunkten

Was ist ein Feldeffekttransistorschalter?

So wie Halbleiterrelais besitzen auch FET-Schalter keine mechanischen Elemente und haben daher eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer. FET-Schalter nutzen eine Reihe von CMOS-Transistoren, um Schaltkreise zu verbinden und zu trennen. Im Gegensatz zu Halbleiterrelais treibt der Steuerschaltkreis die Gatter des Transistors direkt an und nicht eine Leuchtdiode. Eine direkte Ansteuerung des Transistorgatters ermöglicht viel höhere Schaltgeschwindigkeiten, da die Schaltzeiten der Leuchtdiode keine Rolle mehr spielen. Da zudem keine mechanischen Elemente oder Leuchtdioden zum Aufbau gehören, können FET-Schalter sehr klein ausgeführt werden. Eine wesentliche Einschränkung bei FET-Schaltern ist jedoch das Fehlen einer physikalischen Isolationssperre. Daher können sie nur für niedrige Spannungen genutzt werden.

FET-Schalter werden häufig in Multiplexer- und Matrixkonfigurationen für Anwendungen eingesetzt, für die höhere Geschwindigkeiten und niedrige Spannungen kennzeichnend sind. Die Matrixmodule PXI-2535 und PXI-2536 mit 544 Koppelpunkten sind Beispiele für FET-basierte Schaltmodule. Diese Module bieten Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 50.000 Koppelpunkten pro Sekunde.

 

 

 

         

 

  Abb. 3: FET-Schaltmodul NI PXI-2535 mit 544 Koppelpunkten

 

Fortschritte bei Feldeffekttransistoren und Halbleiterrelais

Häufig stehen Feldeffekttransistoren und Halbleiterrelais in dem Ruf, Messfehler bei Prüfsystemen zu verursachen. Der Grund ist ihr hoher Pfadwiderstand, der im geschalteten Zustand manchmal über 1 kΩ liegen kann.  Diese Charakteristik hat die Einführung dieser Geräte auf dem Markt für automatisierte Prüfsysteme erschwert. Neueste Fortschritte in der Transistortechnologie haben dafür gesorgt, dass der Pfadwiderstand von Feldeffekttransistoren und Halbleiterrelais nun mit denen von elektronmechanischen Relais vergleichbar ist. Das Halbleiterrelais NI PXI-2533 mit 256 Koppelpunkten hat beispielsweise einen Pfadwiderstand von 1 Ω. Das ist weniger als die Hälfte bzw. derselbe Pfadwiderstand, den die meisten elektromechanischen Relaismodule aufweisen. Dieser beachtliche technologische Durchbruch hat es ermöglicht, die besonderen Vorteile der Technologien der Feldeffekttransistoren und Halbleiterrelais zu nutzen. 

FET- und Halbleiterrelais-Schaltmodule für PXI senken Prüfkosten

FET- und Halbleiterrelaisgeräte tragen dazu bei, die Kosten von automatisierten Prüfsystemen zu reduzieren. Sie verringern die Anschaffungskosten, erhöhen die Lebensdauer des Schaltsystems und minimieren Prüfzeiten. 

Die geringe Größe von Feldeffekttransistoren und Halbleiterrelais sorgt auch für geringere Kosten bei PXI-Schaltsystemen. Die Kosten eines PXI-Schaltmoduls setzen sich aus den Aufwendungen für Relaisbauteile, Ausgangsschaltkreise und Material wie beispielsweise Leiterplatten zusammen, die zur Herstellung der Module genutzt werden. Der geringe Formfaktor von Feldeffekttransistoren und Halbleiterrelais ermöglicht die Herstellung von PXI-Schaltmodulen bei sehr hoher Integrationsdichte und Verwendung eines einzigen PXI-Steckplatzes. Dadurch wird die Anzahl von PXI-Modulen und folglich die der in einem Chassis verwendeten PXI-Steckplätze in Schaltsystemen mit hoher Kanaldichte, wie etwa jene für Halbleiter-Validierungsprüfsysteme, verringert. Durch den Einsatz weniger Module fallen weniger Ausgaben für Rohmaterial und Back-End-Architektur an. Die Matrix PXI-2535 mit 544 Koppelpunkten etwa ist ein PXI-Schaltmodul mit sehr hoher Dichte, das auf Grundlage der FET-Technologie funktioniert. 

Die unbegrenzte mechanische Lebensdauer und höheren Schaltgeschwindigkeiten von FET-Schaltern tragen ebenso dazu bei, die Kosten bei Prüfsystemen zu verringern. Ein Beispiel: Ein System wird zur Durchführung von 10 Tests auf einem Chip mit 500 I/O-Punkten eingesetzt. Der Chip wird in zahlreichen Geräten verwendet und insgesamt werden seine Verkäufe auf 1 Million pro Monat geschätzt. Das Testsystem, das mit einer einzelnen Source Measure Unit (SMU) NI PXI-4130 und einem Schaltmodul erstellt wurde, das zum Routen aller 500 Punkte zur SMU genutzt wird, muss kontinuierlich ohne Unterbrechung laufen. Die Kosten bei Einsatz eines FET-basierten Schaltprodukts verglichen mit einem elektromechanischen Produkt zeigen folgenden Zusammenhang: 

Mithilfe der Abtastgeschwindigkeit von 50.000 Kanälen pro Sekunde des FET-Schalters PXI-2535 mit 544 Koppelpunkten können alle der 1 Million Chips in weniger als zwölf Tagen getestet werden. Da Feldeffekttransistoren eine unbegrenzte mechanische Lebensdauer haben, fallen keine Kosten für den Ersatz von Schaltmodulen während des Prozesses an.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Abb. 4: Halbleitervalidierung mit SMU und FET-Schalter mit 544 Koppelpunkten

Wäre ein elektromechanisches, auf Relais basierendes Schaltmodul mit derselben Dichte verwendet worden, wären die Ausgaben viel höher. Elektromechanische Relais haben eine typische Lebensdauer von einer Million Schaltspielen und eine Geschwindigkeit von 250 Kanälen pro Sekunde. Da jedes Relais während des Tests dieser 1 Million Chips 10 Millionen Mal geschlossen wird, muss das Relaismodul zehnmal ersetzt werden. Dadurch würden sich die anfallenden Gesamtkosten für die Wartung des Systems erhöhen. Die geringere Geschwindigkeit elektromechanischer Relais sorgt ebenfalls für mehr Kosten im Vergleich zur FET-basierten Lösung. Die Zeit für den Test von 1 Million Chips mittels elektromechanischer Relais beträgt 231 Tage und es fallen Mehrkosten von 1,1 Millionen $ an. Somit würde der Einsatz elektromechanischer Relais für Mehrkosten bei Wartung und Aufrechterhaltung einer Produktionsanlage um zusätzliche 219 Tage im Vergleich zum FET-basierten Modul sorgen. Längere Prüfzeiten schaffen auch die Grundlage für Herausforderungen bei der Verwaltung des Lagerbestands und beim Versand der Produkte an die Kunden.

Dieses Beispiel ist zwar hypothetisch, zeigt aber die realen Einsparungen, die aufgrund der Vorteile der FET- und Halbleiterrelaistechnologie möglich sind.

Fazit

Es gibt keine allgemeingültige Lösung für die Anbindung von Signalen in automatisierten Prüfsystemen. Tatsache ist, dass die Zahl an verfügbaren Lösungen ständig steigt. Feldeffekttransistoren und Halbleiterrelais sind Beispiele für Schaltlösungen, die dem Markt schon immer zur Verfügung standen, aber erst vor kurzem aufgrund von Fortschritten bei der Transistortechnologie zu einer praktikablen Lösung wurden. Dank dieser Fortschritte können Anwender jetzt von den Vorteilen der Halbleiterschaltungen, also etwa schnellere Schaltgeschwindigkeiten und unbegrenzte mechanische Lebensdauer, profitieren und so bessere, schnellere und wirtschaftlichere Prüfsysteme entwickeln.