Reducción de los Costos de Prueba con las Tecnologías de Conmutación de Estado sólido

Introducción

Los relés electromecánicos, que se encuentran en productos que van desde los motores de automoción a los termopares, están fácilmente disponibles y son dispositivos de bajo costo que se pueden utilizar para encaminar señales procedentes de casi cualquier lugar. No es de extrañar que estos dispositivos se hayan convertido en omnipresentes en el mercado de pruebas automáticas. A pesar de su adopción industrial, los relés electromecánicos son lentos y tienen vida limitada, lo que los hace inadecuados para su uso en aplicaciones tales como las pruebas de validación de semiconductores.

Los semiconductores son dispositivos producidos en masa que han evolucionado considerablemente a lo largo de los años. A medida que estos dispositivos han crecido en complejidad, también lo han hecho los gastos generales relacionados con las pruebas. Hoy en día, algunos chips semiconductores son tan sofisticados que el costo que supone probarlos es mayor que el costo de producirlos. Para que los chips continúen siendo rentables a largo plazo, los fabricantes de semiconductores deben reducir los precios y disminuir el tiempo de prueba de cada dispositivo y minimizar los gastos de instrumentación. Para los sistemas de conmutación, esto significa la utilización de partes que tengan una alta velocidad de escaneado y un tiempo de vida útil más largo, características de las que carecen los relés electromecánicos, pero que prevalecen en dispositivos como los relés de estado sólido (SSR) y los interruptores basados en transistores de efecto de campo (FET). Con una velocidad de conmutación tan elevada como 50.000 canales por segundo y una vida mecánica ilimitada, los FETs y los SSRs reducen los gastos generales de muchas aplicaciones mediante la reducción de los tiempos de prueba y la eliminación de la necesidad de reemplazar frecuentemente los componentes de conmutación. Además, sus pequeños factores de forma ayudan a minimizar los gastos dedicados a los sistemas de conmutación.

¿Qué es un conmutador FET (Field-Effect Transistor)?

Un relé de estado sólido se construye utilizando un MOSFET foto-sensible (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) que se controla mediante un LED. La luz del LED encapsulado acciona el MOSFET foto-sensible y permite que una corriente pase a través de él.

Figura 1. Construcción del relé de estado sólido (SSR: Solid State Relay).

Los SSRs son útiles para las aplicaciones de alta tensión, porque la actuación del LED proporciona una barrera de aislamiento galvánico entre el circuito de control y el del MOSFET. Sin embargo, puesto que el MOSFET es el que realiza la conmutación, no hay barrera galvánica entre sus contactos. Cuando no hay una señal de control en la puerta de MOSFET, el canal fuente-drenador del MOSFET tiene una alta resistencia que proporciona la desconexión entre los contactos. Puesto que los SSRs utilizan MOSFETs, que son los dispositivos de estado sólido que realizan la conmutación en lugar de un brazo mecánico, tienen una vida mecánica infinita. Los SSRs ofrecen también velocidades de conmutación más rápidas que los relés electromecánicos, ya que su tiempo de conmutación depende del tiempo necesario para poder encender y apagar el LED, aproximadamente 1ms y 0,5ms, respectivamente.

 

Los módulos NI PXI-2533 y PXI-2534 de matrices de conmutación de 256 puntos de cruce son ejemplos de productos de conmutación de alta densidad que incorporan la tecnología SSR. Ambos módulos ofrecen una vida mecánica ilimitada y conexiones simultáneas ilimitadas al mismo tiempo que la posibilidad de conmutar hasta 55V/1A en todos los canales.

Figura 2 .Módulos NI PXI-2533 y PXI-2534 de matrices de conmutación de 256 puntos de cruce.

¿Qué es un conmutador FET (Field-Effect Transistor)?

Al igual que los SSRs, los conmutadores FET no son dispositivos mecánicos y, por tanto, tienen una vida mecánica ilimitada. Los interruptores FET utilizan una serie de transistores CMOS para conectar y desconectar los circuitos. A diferencia de los SSRs, los circuitos de control atacan directamente a las puertas de los transistores en lugar de controlar a un LED. La conexión directa a la puerta del transistor hace posibles unas velocidades de conmutación mucho más rápidas debido a que los tiempos de encendido y apagado del LED ya no son un problema. Por otro lado, debido a que no hay partes mecánicas o LEDs en el encapsulado, los interruptores basados en FETs pueden ser muy pequeños. Sin embargo, una de las principales limitaciones de los conmutadores basados en FETs, es que carecen de una barrera de aislamiento físico, de modo que solo se pueden usar con señales de baja tensión.

Los conmutadores FET son utilizados más a menudo en configuraciones de multiplexores y matrices para aplicaciones de mayor velocidad y baja tensión. Los módulos PXI-2535 y PXI-2536 de matrices de conmutación de 544 puntos de cruce son ejemplos de módulos de conmutación basados en FETs. Estos módulos de conmutación ofrecen velocidades de hasta 50.000 puntos de cruce por segundo.

   

 

Figura 3 .Módulo NI PXI-2535 de matriz de conmutación basada en FETs de 544 puntos de cruce

Los avances en las tecnologías de FETs y SSRs

Hasta ahora, los dispositivos de FETs y SSRs han tenido la reputación de inducir a errores de medida en los sistemas de pruebas, debido a la elevada resistencia, que a veces supera 1kΩ. Esta característica ha impedido la entrada de estos dispositivos en el mercado de pruebas automáticas. Pero los últimos avances en la tecnología de los transistores han hecho que la resistencia del canal de los FETs y de los SSRs sea comparable a la de los relés electromecánicos. Por ejemplo, el relé NI PXI-2533 basado en SSR y con 256 puntos de cruce, tiene una resistencia de solo 1Ω, que es menor o igual que la resistencia entre contactos de la mayoría de los módulos de relés electromecánicos. Este importante avance tecnológico ha hecho posible aprovechar las ventajas inherentes de las tecnologías de los FETs y SSRs, que incluyen una vida mecánica ilimitada y velocidades más rápidas de conmutación.

Los módulos de conmutación PXI basados en FETs y SSRs reducen los costos de las pruebas

Los dispositivos FET y SSR ayudan a reducir los costos en los sistemas de pruebas automáticas mediante la reducción de gastos iniciales, incrementando la duración del sistema de conmutación y reduciendo al mínimo los tiempos de prueba.

El tamaño compacto de los FETs y de los SSRs ayuda a reducir el costo  de los sistemas de conmutación PXI. El costo de un módulo de conmutación PXI se basa en el costo de los relés, de la circuitería y de los materiales, tales como la placa de circuito impreso (PCBs) y las capas que se utilizan para construir el módulo. El pequeño factor de forma de los FETs y de los SSRs facilita la construcción de módulos de conmutación PXI de muy alta densidad utilizando un solo slot. Esto ayuda a reducir el número de módulos PXI necesarios para construir sistemas de conmutación de alta densidad como es el caso de los utilizados en las pruebas de validación de semiconductores. Mediante el uso de un menor número de módulos, se incurre en menos gastos de materias primas y de la arquitectura final. La matriz PXI-2535 de 544 puntos de cruce es un ejemplo de módulo de conmutación PXI de muy alta densidad construido utilizando la tecnología FET.

La vida mecánica ilimitada y las velocidades de conmutación más rápidas de los conmutadores basados en FETs ayudan también a minimizar el costo de los sistemas de prueba. Vamos a considerar, por ejemplo, un sistema de pruebas para la validación de semiconductores que se utiliza para realizar pruebas de 10 parámetros en un chip con 500 puntos de entrada/salida (I/O). El chip es un componente común utilizado en múltiples modelos de teléfonos móviles fabricados por una única empresa. Las ventas acumuladas de estos modelos de teléfonos móviles se estiman en 1 millón por mes. El sistema requerido para funcionar de forma continua sin interrupción está desarrollado usando un solo NI PXI-4130 como unidad de medida de fuente (SMU: Source Measure Unit) y una interfaz de conmutación que se utiliza para encaminar los 500 puntos hacia la SMU. Supongamos que el funcionamiento de la fábrica cuesta 5.000$ (USD) por día. A continuación se van a comparar los costos usando conmutadores basados en FETs con respecto a la utilización de conmutadores basados en relés electromecánicos.

Usando el conmutador PXI-2535 de 544 puntos de cruce y basado en FETs, se pueden probar 1 millón de chips en menos de 12 días. Puesto que los FETs tienen una vida mecánica ilimitada, no se incurre en ningún costo adicional por tener que sustituir los módulos de conmutación durante el proceso.

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

Figura 4. Validación de semiconductores con SMU y con el conmutador basado en FETs de 544 puntos de cruce.

Si se utiliza un módulo de conmutación basado en relés electromecánicos con la misma densidad, los gastos serían mucho más altos. Los relés electromecánicos tienen una vida típica de 1 millón de cierres y una velocidad de 250 canales por segundo. Puesto que cada relé estaría cerrado 10 millones de veces durante el proceso de prueba del millón de chips, el módulo de relés tendría que ser reemplazado 10 veces. Esto aumentaría el total de los gastos incurridos en el mantenimiento del sistema. Por otro lado, la velocidad más lenta de los relés electromecánicos también agregaría costos en comparación con la solución basada en FETs. El tiempo dedicado a la prueba de 1 millón de chips utilizando relés electromecánicos es 231 días y, por lo tanto, los gastos de funcionamiento de la fábrica serían superiores en 1,1M$ a la solución basada en FETs. Hay que tener en cuenta también que los tiempos de prueba más largos añaden también retos a la gestión del inventario y al envío de los productos a los clientes.

Aunque este ejemplo es hipotético, muestra el ahorro real de costos que se puede lograr debido a los beneficios de las tecnologías de los FETs y de los SSRs.

Conclusión

No hay una solución única para el encaminamiento de señales en los sistemas de pruebas automáticas. De hecho, el número de soluciones disponibles para el mercado es cada vez mayor. Los FETs y los SSRs son ejemplos de soluciones de conmutación que siempre han estado a disposición del mercado, pero que se han convertido en opciones viables sólo recientemente debido a los avances en la tecnología de los transistores. Con estos avances, se pueden cosechar ahora los beneficios de la conmutación de estado sólido, que incluyen velocidades más rápidas de conmutación y una vida mecánica ilimitada, lo cual permite que se construyan sistemas de prueba mejores, más rápidos y más económicos.

Encuentre especificaciones e información de precios sobre los módulos de NI PXI siguiendo las siguientes ligas:

•         NI PXI- 2533

•         NI PXI - 2534

•         NI PXI – 2535

•         NI PXI – 2536