Da die heutigen SoC-Bauteile immer weiter in den Multi-GHz-HF-, Multi-Gbps-Digital- und Präzisionsanalogbereich vordringen, war der Druck auf die Testsysteme, saubere, wiederholbare Messungen zu liefern, noch nie so groß. Das Herzstück dieser Leistung ist eine zuverlässige Signalumschaltung, und genau das zeichnet RF-Reed-Relais aus.
Wenn Sie in bestimmten Bereichen Hilfe benötigen, können Sie einfach zu einem der folgenden Abschnitte wechseln:
- Zuverlässiges Schalten von Signalen in Halbleiter-Testsystemen
- Schaltungsanforderungen in SoC-Testsystemen
- Überlegungen zu RF- und Hochgeschwindigkeits-Digitalsignalen
- Schaltungstechnologie-Optionen für SoC-Tester
- Warum Reed-Relais für SoC-Tester gut geeignet sind
- Designüberlegungen für RF-Reed-Relais in SoC-Tests
- Beispiel für eine SOC-Testarchitektur
- RF-Reed-Relais-Lösungen für SoC-Test-Anwendungsfälle
- Schlussfolgerung
Zuverlässige Multi-GHz- und Hochgeschwindigkeits-Digitalsignalumschaltung in Halbleiter-Testsystemen
System-on-Chip (SoC)-Tester, die in der Halbleiterprüfung und -messung eingesetzt werden, müssen eine Vielzahl von Signalen mit hoher Präzision, Wiederholbarkeit und Geschwindigkeit weiterleiten. Diese Systeme unterstützen DC-Parametermessungen, Funktionstests, digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstellen und HF-Charakterisierung, oft innerhalb derselben Testsequenz.
SoC-Tester stützen sich auf mehrere eng gekoppelte Subsysteme, einschließlich Pin-Elektronik, Instrumentierung, Kalibrierungsressourcen und Signalschaltnetzwerke. Die Signalschaltung wird mit Hilfe von Relaismatrizen oder verteiltem Routing auf Load Boards und Probe Cards realisiert. Die elektrische Leistung und Zuverlässigkeit dieser Schaltelemente wirkt sich direkt auf die Messgenauigkeit, die Testabdeckung und den Gesamttestdurchsatz aus.
Diese Application Note erörtert die Rolle von RF-fähigen Reed-Relais in SoC-Testern, umreißt die wichtigsten Schaltanforderungen für Multi-GHz- und Multi-Gbps-Signale, vergleicht alternative Schalttechnologien und erklärt, warum RF-Reed-Relais häufig in bestimmten SoC-Tester-Schaltschichten wie Instrumentenmultiplexing, RF-Pfadauswahl, Kalibrierungsschleifen, Guard- und Isolationsschaltungen und Messrouting mit geringem Leckstrom eingesetzt werden, wo hohe Isolation, geringer Leckstrom und stabile Signalintegrität erforderlich sind.
Sehen Sie sich die vollständige Liste der Tests und Zertifizierungen von Standex an:
- AEC-Q200
- IEC 60810-4
- IEC 60601-1
- IEC 62109-1/2
- IEC 60664-1
- ISO 6469-3
- IEC 60255-27
- UL-gelistet
- RoHS, REACH
Schaltanforderungen in SoC-Testsystemen
SoC-Tester müssen Tausende von Signalen in einer Vielzahl von elektrischen Domänen schalten. Typische Anforderungen sind:
Anforderungen an das Schalten von SoC-Testsystemen
- DC- und niederfrequente Analogsignale für parametrische Messungen
- Digitale Hochgeschwindigkeitssignale, die oft mit Datenraten von mehreren Gbit/s arbeiten
- RF-Signale im Multi-GHz-Bereich für drahtlose und Mixed-Signal-SoCs
- Hohe Kanaldichte, insbesondere auf Lastplatinen und Tasterkarten
- Lange Lebensdauer, oft Hunderte von Millionen von Schaltzyklen
Relais werden verwendet, um Testinstrumente an DUT-Pins anzuschließen und zu trennen, empfindliche Messungen zu isolieren, Signalpfade zwischen Testmodi zu rekonfigurieren und Hochgeschwindigkeits- oder RF-Signale ohne Beeinträchtigung der Signalintegrität zu leiten.
Mit zunehmenden Datenraten und Frequenzen werden Schaltparasiten wie Kapazität, Induktivität und Impedanzunterbrechungen kritisch. Selbst kleine Variationen der Relaisgeometrie oder der Leiterplattenübergänge können zu Reflexionen, Einfügungsdämpfung oder Übersprechen führen, die sich negativ auf die Testergebnisse auswirken.
Überlegungen zu RF und digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen
Hochgeschwindigkeits-Digitalsignale haben viele Eigenschaften mit HF-Signalen gemeinsam. Ein digitales Signal, das mit mehreren Gigabit pro Sekunde arbeitet, enthält Oberwellen, die weit über seine Grundtaktfrequenz hinausgehen. Folglich muss der Schaltpfad Bandbreiten bis weit in den Multi-GHz-Bereich hinein unterstützen, um Anstiegszeit, Flankenintegrität und Timing-Spannen zu erhalten.
Aus Sicht der Schaltung haben HF- und digitale Hochgeschwindigkeitssignale unterschiedliche Impedanzanforderungen. HF-Signalpfade sind in der Regel unsymmetrisch und werden um 50 Ω herum gesteuert. Digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstellen sind in der Regel differentiell und erfordern eine gesteuerte differentielle Impedanz, eine strenge Versatzsteuerung und eine geringe Modenumwandlung. Parallele und Speicherschnittstellen sind topologieabhängig und weisen nicht durchgängig 50 Ω auf.
Über die Impedanzkontrolle hinaus benötigen sowohl HF- als auch schnelle digitale Signalwege:
- Geringe Einfügungsdämpfung über die vorgesehene Bandbreite
- Minimale Reflexionen aufgrund von Impedanzunterbrechungen
- Geringe parasitäre Kapazität, insbesondere bei offenen Kontakten
- Stabile Leistung über Temperatur und Lebensdauer
Schaltkomponenten, die bei Gleichstrom oder niedrigen Frequenzen gut funktionieren, werden diesen Anforderungen möglicherweise nicht mehr gerecht, sobald die Signalflankenraten und Frequenzen steigen.
Schaltungstechnologie-Optionen für SoC-Tester
In SoC-Testsystemen werden verschiedene Schaltungstechnologien verwendet oder bewertet. Jede bietet Vorteile und Kompromisse.
Elektromechanische Relais (ankerbasiert)
Herkömmliche elektromechanische Relais können hohe Ströme und Spannungen verarbeiten und eignen sich für Power Routing oder Belastungstests. Aufgrund ihrer größeren Abmessungen, der langsameren Schaltgeschwindigkeit und der begrenzten Hochfrequenzleistung sind sie jedoch weniger für dichte Hochgeschwindigkeits-SoC-Testarchitekturen geeignet.
Halbleiterrelais und Halbleiterschalter
Festkörperschaltgeräte bieten schnelle Schaltgeschwindigkeiten und keinen mechanischen Verschleiß. Sie weisen jedoch von Natur aus einen Einschaltwiderstand, einen Leckstrom im Aus-Zustand und eine parasitäre Kapazität auf. Diese Eigenschaften verringern die Isolierung, erhöhen die Einfügungsdämpfung und können analoge oder Hochgeschwindigkeitssignale mit niedrigem Pegel verzerren, was ihre Nützlichkeit bei Präzisions-SoC-Tests einschränkt.
MEMS-Schalter
MEMS-Schalter können eine gute RF-Leistung und kleine Formfaktoren bieten. Die Herausforderungen liegen jedoch in der Langzeitzuverlässigkeit, der Robustheit bei Heißschaltungen, der Strombelastbarkeit und den Kosten.
RF-Reed-Relais
RF-Reed-Relais kombinieren mechanische Metall-Metall-Kontakte mit kompakter Geometrie und schneller Betätigung. Ihre hermetisch abgedichteten Kontakte bieten:
- Sehr niedriger Einschaltwiderstand
- Extrem hoher Isolationswiderstand im Aus-Zustand
- Niedrige und stabile parasitäre Kapazität
- Ausgezeichnete Signallinearität
- Lange Lebensdauer unter Signalpegel-Lasten
Moderne RF-Reed-Relais sind speziell mit Signalpfaden mit kontrollierter Impedanz und interner Abschirmung ausgestattet, die einen zuverlässigen Betrieb für RF-Signale im Multi-GHz-Bereich und digitale Daten mit mehreren Gbit/s ermöglichen.
Warum RF-Reed-Relais gut für SoC-Tester geeignet sind
RF-Reed-Relais kommen einem idealen Schalter für Anwendungen auf Signalebene sehr nahe. Im geschlossenen Zustand ist der Signalpfad ein durchgehender Metallleiter mit minimalem Widerstand und Verzerrung. Im geöffneten Zustand sorgen der physikalische Luftspalt und die geringe Kapazität für eine hervorragende Isolierung. Dieses Verhalten ist besonders wichtig für HF-Messungen und digitale Hochgeschwindigkeitsvalidierungen, bei denen Streuverluste, Nichtlinearität oder Parasitärobjekte die Ergebnisse verfälschen können.
Die wichtigsten Vorteile sind:
- Hohe Signalintegrität sowohl für RF- als auch für schnelle Digitalsignale
- Ausgezeichnete Isolierung zwischen Kanälen in dichten Relaismatrizen
- Schnelle Schaltgeschwindigkeiten, die einen hohen Testdurchsatz unterstützen
- Sehr lange Betriebslebensdauer unter Signalpegel- und Kaltschaltungsbedingungen
- Kompakte Gehäuse, die eine hohe Kanaldichte ermöglichen
Dank dieser Eigenschaften eignen sich RF-Reed-Relais sowohl für SoC-Tester der Einstiegsklasse als auch für hochkomplexe Testplattformen mit mehreren Standorten.
Designüberlegungen für RF-Reed-Relais bei SoC-Tests
Das Erreichen einer zuverlässigen RF- und digitalen Hochgeschwindigkeitsleistung erfordert ein sorgfältiges Relaisdesign.
Überlegungen zum Relaisdesign
Signalpfad-Geometrie
Die charakteristische Impedanz muss vom Leiterplatteneingang über das Relais und zurück zur Leiterplatte konsistent bleiben. Änderungen der Geometrie oder der dielektrischen Umgebung können zu Reflexionen und Einfügungsdämpfung führen.
Gehäusematerialien
Keramische Substrate und thermisch stabile Formmassen tragen zur Aufrechterhaltung der Dimensionsstabilität und einer gleichbleibenden elektrischen Leistung über die Temperatur bei.
Abschirmung
Interne elektrostatische Abschirmung reduziert die kapazitive Kopplung und verbessert die Isolierung bei höheren Frequenzen. Die magnetische Abschirmung verhindert Wechselwirkungen zwischen Spulen in dichten Layouts.
Leitungskonfiguration
Die oberflächenmontierten Anschlussleitungen sind für die Minimierung von Parasiten und die Integration in PCB-Layouts mit kontrollierter Impedanz optimiert.
Beispiel einer SoC-Testarchitektur
Klicken Sie auf das Testdiagramm, um es in einem größeren Format anzuzeigen.
RF-Reed-Relais-Lösungen für SoC-Testanwendungsfälle
Standex / Sanyu bietet ein Portfolio von RF-Reed-Relais an, das die gesamte Bandbreite der SoC-Testanforderungen abdeckt, von kompakten Hochfrequenzschaltungen bis hin zu dichten Matrixarchitekturen.
Die Schaltleistung auf Signalebene unterstützt -3 dB-Bandbreiten bis zu 8 GHz, je nach Gehäuseart und -geometrie. Ausgewählte Serien sind in der Lage, Hochgeschwindigkeits-Digitaldatenübertragung mit stabilem Augenverhalten für Hochgeschwindigkeits-Digitaldatenraten bis zum Bereich von ~6 bis ~9 Gb/s unter definierten Testbedingungen zu unterstützen.
Diese Leistung wird durch eine sehr niedrige Kapazität bei offenem Kontakt (~0,2-0,5 pF), einen stabilen Kontaktwiderstand im zweistelligen Milliohm-Bereich und eine kompakte elektrische Länge mit kontrollierter Signalgeometrie ermöglicht.
Wenn sie mit einem geeigneten PCB-Verbindungsdesign implementiert werden, bieten diese Reed-Relais eine zuverlässige Lösung für die Auswahl von Multi-GHz-HF-Pfaden und das digitale Schalten von Multi-Gb/s in komplexen SoC-Testsystemen.
| Relais-Serie | Typischer SoC-Test Anwendungsfall |
|---|---|
| CRF-Serie | Multi-GHz-RF-Signalrouting, Hochgeschwindigkeits-Digitalkanäle, die eine geringe Einfügedämpfung erfordern |
| U-Reihe | Ultrakompakte Lastplatinen, Multi-GHz-RF- und High-Gbps-Digitalschaltungen, bei denen der Platzbedarf kritisch ist |
| C-Serie | Oberflächenmontierte Relaismatrizen mit hoher Dichte für gemischte RF-, Digital- und Analog-SoC-Tests |
| Serie M | Allzweck-SoC-Pin-Elektronik, Funktionstestpfade und Mixed-Signal-Routing. Erhältlich als Schließer in 1A und 2A Form |
| MT-Reihe | Differenzielle Signalschaltung für serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. Erhältlich als Wechsler in den Formen 1C und 2C |
| MH-Baureihe | Relaismatrizen mit sehr hoher Kanalanzahl und dichte ICT/FCT-SoC-Testsysteme. Besonders kleines Relais, erhältlich in der Changeover-Form 1C |
Bei diesen Serien wird der Schwerpunkt auf kontrollierte Impedanz, niedrige Einfügungsdämpfung, hohe Isolierung, lange Lebensdauer und gleichbleibende Leistung in hochdichten Layouts gelegt.
Fazit
Mit der zunehmenden Integration von HF-, digitalen Hochgeschwindigkeits- und analogen Präzisionsfunktionen in SoC-Bauteilen steigen auch die Anforderungen an die Schaltkomponenten von Testsystemen weiter an. Es gibt zwar alternative Schalttechnologien, doch RF-Reed-Relais sind aufgrund ihrer einzigartigen Kombination aus Signalintegrität, Zuverlässigkeit, Schaltgeschwindigkeit und Dichte nach wie vor eine bewährte und weit verbreitete Lösung.
Standex / Sanyu kennt die elektrischen und mechanischen Herausforderungen beim Testen von SoCs und entwirft Relais, die diesen Anforderungen gerecht werden. So entstehen RF-Reed-Relais-Lösungen, die präzise, wiederholbare und durchsatzstarke Halbleitertests in einer Vielzahl von Anwendungen ermöglichen.