Hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Schaltkomponenten bei parametrischer DC-Prüfung

Um verschiedene soziale Probleme zu lösen, wie z. B. eine sichere Gesellschaft zu schaffen, die Effizienz von Robotern zu verbessern und begrenzte Ressourcen zu schonen, werden in unserer Welt verschiedene Technologien entwickelt. Einige dieser Fortschritte sind autonome Fahrzeuge, leistungsstärkere Smartphones, Roboter mit KI in Fabriken und IoT in Haushaltsgeräten. Für diese technologischen Entwicklungen ist es notwendig, fortschrittlichere Komponenten auf allen sich entwickelnden Märkten zu realisieren. Die Prüf- und Messtechnik ist für die Weiterentwicklung von Halbleitern von großer Bedeutung und zeichnet sich durch hohe Messgenauigkeit und hohe Zuverlässigkeit aus. Daher müssen auch Relais, die häufig zum Schalten verschiedener Messkreise in Halbleitertestgeräten verwendet werden, diese Hochleistungseigenschaften aufweisen.

MOSFET-Relais sind in Halbleiterprüfgeräten weit verbreitet, ihre Leistung reicht jedoch noch nicht aus, um alle Anforderungen der Industrie zu erfüllen. Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, andere Bauelemente zu wählen, was zu Lasten des stabilen Einschaltwiderstands und der Größe gehen kann. Bei einer parametrischen DC-Prüfung eines Halbleitertestgeräts ist es beispielsweise wichtig, den Leckstrom innerhalb des Schaltkreises zu minimieren, um die Messgenauigkeit zu verbessern. Daher sind MOSFET-Relais aufgrund des ihnen innewohnenden Verlusts kaum zu verwenden, und es werden immer noch Relais mit physischen Kontakten, wie z. B. Reed-Relais, eingesetzt. Der Nachteil liegt dann jedoch im Kontaktwiderstand des Reed-Relais. Dieser Widerstand nimmt mit der Zeit zu und macht eine regelmäßige Wartung notwendig, um die für die Prüfung erforderliche hochwertige Signalübertragung zu gewährleisten. Darüber hinaus ist die Gehäusegröße von Reed-Relais nicht klein genug, um den Anforderungen an die Miniaturisierung gerecht zu werden. Daher werden im Rahmen der parametrischen Halbleiter-DC-Prüfung nicht alle Probleme mit den vorhandenen Schaltkomponenten gelöst.

Tabelle１. Erforderliche Spezifikation für Relais bei parametrischer DC-Prüfung

Als Lösung für dieses Problem hat OMRON das T-Modul (G3VM-21MT/-61MT/-101MT) entwickelt. Dieses Bauteil ist ein kompaktes Halbleiterrelaismodul mit T-Schalterfunktion. Diese Lösung bietet eine lange Lebensdauer und einen stabilen Einschaltwiderstand bei minimalem Leckstrom (I_LEAK ≤ 1pA), der mit dem eines Reed-Relais vergleichbar ist.

Vorteile des T-Moduls (G3VM-21MT/-61MT/-101MT)

• Sehr geringer Leckstrom (I_LEAK ≤ 1pA) für hochgenaue Messungen
• Sehr kleines Gehäuse für platzsparende und hochdichte Integration (5 mm x 3,75 mm x 2,7 mm)
• Lange Lebensdauer, da keine physischen Kontakte
• Gute Linearität für geringe Signalverzerrung

Anwendungsbeispiele

• Schnittstellenkarten für automatische Testausrüstung
• DC-Parametermessgerät
• Schaltmatrixeinheit

Abbildung 1: Außenabmessung des T-Moduls von Omron. (Bildquelle: Omron)

Abbildung 2: Klemmenanordnung des T-Moduls von Omron (Draufsicht). (Bildquelle: Omron)

T-Schalterfunktion des T-Moduls

Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird diese Funktion durch Verwendung von drei MOSFET-Relais in einer T-Schaltung zur Minimierung des Leckstroms auf der Hauptausgangsleitung (zwischen den Pins 4 und 6) umgesetzt.

Abbildung 3: T-Schalterfunktion. (Bildquelle: Omron)

Leistungsvergleich bestehender Schaltkomponenten

Omron hat eine Referenzdesignplatine (Abbildung 4) entwickelt, die den in Abbildung 5 gezeigten Schaltkreis zur parametrischen DC-Prüfung verwendet. Die von dieser Platine erzeugten Daten vergleichen die Ausgänge und die Messgenauigkeit von drei verschiedenen Relaistypen: T-Modul, Reed-Relais und MOSFET-Relais.

Abbildung 4: Referenzdesignplatine mit drei verschiedenen Relaistypen. (Bildquelle: Omron)

Abbildung 5: Blockschaltbild des Messsystems. (Bildquelle: Omron)

Testergebnis für Leckstrom

Die von der Referenzplatine abgeleiteten Ergebnisse der Leckstromprüfung zeigen, dass sowohl das T-Modul als auch das Reed-Relais sehr ähnliche Leckstromwerte aufweisen. Den Ausreißer bildet das MOSFET-Relais, das immer noch etwas Strom an den Stromkreis abgibt.

Testergebnis mit Referenzdesignplatine G3VM-101MT (DUT: 1N3595

Abbildung 6: Beispiel für eine Leckstrommessung (DUT1). (Bildquelle: Omron)

Hinweis: Dieses Referenzdesign (Abbildung 6) vergleicht die Leckstromwerte (ILEAK) eines Prüflings (DUT) (Diode) mit drei Messkreisen, die verschiedene Relais verwenden (Schaltkreis1: T-Modul, Schaltkreis 2: Reed-Relais, Schaltkreis 3: MOSFET-Relais), unter Verwendung von zwei Quellmessgeräten. Kanal 1 (Ch1) fügt die Prüfspannung als Spannungsquelle hinzu. Kanal 2 (Ch2) misst die Spannung von einem Verstärker für die Messung kleiner Ströme und berechnet dann den endgültigen Ausgangsstromwert.

VF-Testergebnis

Nachfolgend ist ein Beispiel für die Prüfung der VF-Eigenschaften mit diesem Referenzdesign dargestellt. Das Ergebnis zeigt den gleichen Genauigkeitsgrad bei Schaltkreisen mit T-Modul, Reed-Relais und MOSFET-Relais und nahezu den gleichen Wert im Vergleich zur Spezifikation der Referenz-Diode (DUT).

Testergebnis mit Referenzdesignplatine G3VM-101MT (DUT: 1N3595) (Bildquelle: Omron)

Abbildung 7: Beispiel für die Messung von VF-Kennlinien (DUT1). (Bildquelle: Omron)

Hinweis: Dieses Referenzdesign (Abbildung 7) vergleicht die VF-Werte (ILEAK) eines Prüflings (DUT) (Diode) mit drei Messkreisen, die verschiedene Relais verwenden (Schaltkreis1: T-Modul, Schaltkreis 1: Reed-Relais, Schaltkreis 3: MOSFET-Relais), unter Verwendung von eines Quellmessgeräts. Kanal 1 (Ch1) gibt den Prüfstrom als Stromquelle und misst die Spannung.

Durch den Einsatz des T-Moduls von OMRON können Ingenieure eine Lösung realisieren, die sowohl Messgenauigkeit als auch Langzeitzuverlässigkeit bei parametrischen DC-Prüfungen erreicht. Ziel dieses Produkts ist es, die Fähigkeit der Gesellschaft zu verbessern, weiterhin große technologische Fortschritte zu erzielen.