Testanwendungen Reed-Relais kontra MOSFET-Relais

Von Gabriel Sikorjak *

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MOSFET-Relais sind Reed-Relais in vielerlei Hinsicht überlegen. Nachteilig ist allerdings der hohe Leckstrom der Halbleiterrelais. Aktuelle Halbleitermodule punkten mit stark reduziertem Leckstrom.

ATE: Aktuelle Halbleiterrelais-Module punkten nicht nur bei Zuverlässigkeit und Lebensdauer gegenüber Reed-Relais. Auch der Leckstrom lässt sich drastisch verringern.
ATE: Aktuelle Halbleiterrelais-Module punkten nicht nur bei Zuverlässigkeit und Lebensdauer gegenüber Reed-Relais. Auch der Leckstrom lässt sich drastisch verringern.
(Bild: Omron)

MOSFET-Relais bieten erhebliche Vorteile für den Einsatz in Prüfgeräten. Sie benötigen weniger Platz auf der Platine, bieten schnellere Schaltzeiten und eine längere Lebensdauer. Darüber hinaus profitieren viele Anwendungen von den geringeren Leistungsanforderungen, dem stabilen Einschaltwiderstand und der besseren Schock-/Vibrationsfestigkeit von MOSFETs.

Moderne Prüfgeräte sind hoch integriert. Auch führt die steigende Nachfrage der Halbleiterindustrie zu einer steigenden Anzahl der Prüfkanäle. Dies bedingt mehr Schaltkomponenten. Einer der Hauptvorteile von MOSFET-Relais ist ihre Gehäusegröße. Reed-Relais-Gehäuse, die in Volumina auf der Leiterplatte untergebracht sind, benötigen viel mehr Platz.

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Die Zuverlässigkeit schlägt sich in der Lebensdauer nieder. Reed-Relais müssen bei Prüfanwendungen gewartet werden. Daher werden mechanische Relais in der Halbleitertechnik und sonstigen Prüfgeräten bevorzugt eingesetzt, zum Teil aufgrund ihrer Isolationseigenschaften.

Mechanische Relais haben jedoch eine geringere Lebensdauer, da die Kontakte verschleißen. Bei intensiver Nutzung kann ein häufiger Austausch erforderlich sein, was die Wartungskosten der Geräte in die Höhe treibt. Sie müssen sofort ausgetauscht werden, wenn ihr Kontaktwiderstand einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, dieser Zeitpunkt des Endes der Lebensdauer ist nicht vorhersehbar und auch nicht leicht zu ermitteln.

Halbleiterrelais bieten eine hohe elektrische Beständigkeit. Bei Halbleitern tritt auch kein mechanischer Kontaktverschleiß auf, so dass keine Wartung erforderlich ist. Dennoch müssen Kompromisse bei den Leistungsanforderungen eingegangen werden. Diese sind qualititiv in Tabelle 1 zusammengefasst.

Leckstrom – ein Hindernis für die Akzeptanz?

Obwohl sie in vielen Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden können, stoßen sowohl MOSFET-Relais als auch Reed-Relais in Prüfgeräten durch immer anspruchsvollere Prüfanforderungen an ihre Grenzen.

Trotz außergewöhnlicher Zuverlässigkeit und winziger Gehäuse erfordert die T&M-Branche noch höhere Leistungen. Einer der kritischen Werte für Halbleiterkomponenten ist der Ableitstrom.

Bei der parametrischen DC-Prüfung in der ATE ist beispielsweise die Minimierung des Leckstroms in der Prüfleitung ein Schlüsselmerkmal für eine genaue Messung. Eine Erhöhung der Drain-Source-Spannung führt zu erhöhten Leckströmen. Dies führt zu Problemen bei den Leistungswerten. Bei Schaltungsdesigns, bei denen mehrere Leitungen verwendet werden, z. B. Halbleitergeräte, die verschiedene Prüflinge und Messpins schalten, stoßen MOSFET-Relais an ihre Grenzen.

T-Module verringern den Leckstrom

Das Problem Leckstrom umgehen neue Module, die auf einem T-Stromkreis basieren, der aus drei MOSFET-Paaren besteht (Bild 1). So lässt sich der Leckstrom besser steuern. Hier fließt der Ableitstrom über eine zentrale Verbindung zur Masse, wenn sich das Relais in der AUS-Stellung befindet und die Primärleitung offen ist. Das Ergebnis ist eine Verringerung des Leckstroms des zu prüfenden Geräts um mehrere Größenordnungen.

Der technische Aufbau mit MOSFET-Paaren und ermöglicht eine wirksame Steuerung des Leckstroms, dessen Werte im Bereich von pA oder sogar fA liegen. Das Modul G3VM-21MT beispielsweise gibt einen maximalen Ableitstrom von weniger als 1pA bei UOFF 20 V an. Die realen Werte liegen in der Regel um das Zehnfache darunter. Dies macht sie zu einer echten Alternative in Bezug auf die Messleistung zu herkömmlichen Lösungen mit Reed-Relais.

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Entwicklern steht ein Referenzdesign zur Verfügung, das dabei helfen soll, die Auswirkungen eines Übergangs von Reed-Relais zu den T-Schaltkreis-Halbleitermodulen zu bewerten. Ziel ist es, den Wert von MOSFET-Relais in Standard- und T-Schaltungskonfiguration sowie von Reed-Relais auf derselben Platine unter identischen Bedingungen zu zeigen. Ein Vergleich der Messgenauigkeit kann mit Reed-Relais, MOSFET-Relais und dem MOSFET-T-Modul durchgeführt werden.

Referenzdesign zeigt den Weg nach vorn

Das Referenzdesign hebt weitere Unterschiede zwischen diesen Optionen hervor und zeigt den Nutzen des T-Moduls. Die Ergebnisse in Bild 2 belegen, dass die Leckstromwerte des T-Moduls und des Reed-Relais fast dem Referenzwert der Prüflingsdiode entsprechen.

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Einer der wichtigsten Vorteile der Halbleitermodule ist ihre Leistungsfähigkeit bei höheren Frequenzen. Die Module kombinieren die hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Halbleiterrelais mit guter HF-Leistung. Die Isolation liegt bei weniger als –30 dB bei 1 GHz und die Einfügedämpfung beträgt mehr als –3 dB (Bild 3). Durch die Kombination der Eigenschaften von MOSET-Relais und mechanischen Relais eignet sich das T-Modul nicht nur für ATE-Lösungen, sondern ist auch eine Überlegung für andere Anwendungen wert.

Das T-Modul ist mehr als eine Komponente

Mit ihrer T-Schaltungsstruktur weisen die MOSFET-Module einen sehr geringen Leckstrom auf, was genaue Messungen in allen Arten von Prüfgeräten ermöglicht. Die durch die Integration der MOSFETs in das Modul erreichte kompakte Größe von 5 mm x 3,75 mm x 2,7 mm ermöglicht ein vereinfachtes Leiterplatten-Design, da Leiterbahnen-Kreuzungen wegfallen und die Leiterplattenentflechtung einfacher wird.

Der Baustein ist für die Oberflächenmontage konzipiert und wird in der Form SPST-NO angeboten, ausgelegt für Umgebungstemperaturen über 100°C. Zu den neuen Lösungen gehören ein Hochstrom- und ein Hochspannungsmodell. Zusammen ebnen diese Spezifikationen den Weg für einen breiteren Einsatz von T-Circuit MOSFET-Relaismodulen.

Fazit: Entwickler von Testsystemen profitieren von der hohen Zuverlässigkeit und den geringen Leckströmen eines Moduls mit einer fast unbegrenzten Lebensdauer. Die G3VM-MT-MOSFET-Module zeichnen sich durch einen wartungsfreien Betrieb und ein vereinfachtes Design aus, das Platz auf der Leiterplatte spart und gleichzeitig eine hervorragende Messleistung garantiert.

* Gabriel Sikorjak ist Technical Sales Manager bei OMRON Electronic Components Europe in Hoofddorp / Niederlande.

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