Source Measure Units für das Testfeld
Modulare SMU vs. Testsystem aus Einzelgeräten
Verschiedene Messgeräte für eine Anwendung zusammenzustellen, kann eine schwierige Aufgabe sein. Und ob sie im Verbund als Messsystem reibungslos zusammenspielen, ist oft nicht sicher. Damit werden Multifunktionsgeräte wie Source Measure Units immer beliebter. Doch wie findet man die passende SMU?
Von Ernst Bratz, Meilhaus Electronic
Mit der Komplexität der Prüflinge werden auch die Testszenarien in der industriellen Produktion immer komplexer. Ein Multimeter oder ein Oszilloskop allein reicht als Prüfgerät oft nicht mehr aus. In vielen Testanwendungen wird eine Kombination aus mehreren verschiedenen Geräten benötigt. Dies bringt jedoch immer eine ganze Reihe an Herausforderungen mit sich; insbesondere dann, wenn Geräte verschiedener Hersteller nicht so recht zueinander passen wollen. Gerade im Zusammenspiel können zum Beispiel Faktoren wie Timing, Schnittstellen, ein gemeinsames Programmieren und Ansteuern vom PC aus und selbst so einfache Dinge wie zusammenpassende Anschlüsse wesentliche Faktoren sein. Sie können den zusätzlichen Aufwand erhöhen, also Platz, Zeit und Geld kosten. Die Messtechnikhersteller reagieren auf diese Herausforderungen schon seit einiger Zeit mit maßgeschneiderten Multifunktionsgeräten. Ein Beispiel dafür: Die SMU.
Was ist eine SMU?
Die Abkürzung SMU steht für Source Measure Unit oder Source Meter Unit. Der Name drückt bereits aus, dass die SMU eine Kombination ist aus eines Quelle (Source) und einem Messgerät (Measure/Meter). Die Quelle einer SMU ist ein elektronisch gesteuertes Präzisions-Labornetzteil. Es liefert geregelten Strom und Spannung und ist optimalerweise eine 4-Quadrant-Spannungs-/Strom-Quelle (Bild 1).
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Das Messgerät einer SMU ist ein Präzisions-Digital-Volt- und Ampere-Meter oder Multimeter. Die Kombination dieser beiden Gerätetypen zum Hybridgerät „SMU“ ist aus den Anforderungen im Testfeld heraus entstanden. Ein typisches Test-Szenario ist, dass ein Prüfling (Bauelement oder Baugruppe) gezielt mit Spannungen/Strömen versorgt und dabei gemessen werden muss. Dank einer SMU lassen sich komplizierte Aufbauten aus mehreren Geräten wie Stromversorgungen, Lasten und Multimetern oder Oszilloskopen vermeiden.
Die Anwendungsgereiche der SMU liegen demnach überall dort, wo Prüflinge aller Art sehr präzise mit Strom/Spannung versorgt und gemessen werden müssen. Ein Beispiel ist die Halbleiterindustrie mit dem Prüfen von Bauelementen wie Dioden, LEDs, Sensoren, Transistoren, IC. Aber auch im Bereich „Green Energy“ und Automotive werden SMUs eingesetzt zum Prüfen von Fotovoltaik-Zellen, Batterien, Leistungs-Transistoren etc. Eine weitere Applikation liegt im Labor in Forschung und Entwicklung (zum Beispiel Charakterisierung von Nano-Geräten wie CNT, Prüfung neuer Materialien, GMR/Giant Magnetic Resistance, Quanten-Computing, organische Geräte etc.).
Ein Nachteil solcher hochspezialisierter Multifunktionsgeräte kann allerdings sein, dass sie weniger flexibel sind als die Kombination vieler Einzelgeräte. Dies gilt es genau abzuwägen. Denn Einzelgeräte kann sich der Anwender genau passend zu seinen individuellen Anforderungen und seinem Budget zusammenstellen. Ein Multifunktionsgerät hingegen bietet zwar viele Funktionen – aber eben nur genau die, die implementiert sind. Unter Umständen bezahlt der Anwender also auch für Funktionen, die er nicht benötigt bzw. muss auf andere Funktionen verzichten. Abhilfe schaffen hier modulare SMUs.
Anforderungen an eine SMU
In der praktischen Anwendung haben sich je nach Einsatzbereich im Wesentlichen drei Anforderungen an eine SMU herauskristallisiert: Hohe Auflösung, hohe Geschwindigkeit oder hohe Kanaldichte. Die klassischen SMUs können dabei natürlich schon alleine aus Preisgründen nicht immer alle drei Anforderungen gleichzeitig perfekt abdecken. So sind zum Beispiel die SMUs der Keysight B2900B-Serie hochpräzise und stehen als Varianten mit einer Stromauflösung bis 10 fA (max. Spannung 210 V, max. Strom 3 A) zur Verfügung. Durch die feste Desktop-Geräte-Bauform und die hohe Auflösung bedingt haben sie aber nur einen oder zwei Kanäle. Für manche Anwendungen hingegen ist auch eine geringere Präzision ausreichend, aber es werden viele Kanäle benötigt. Daher bieten sich in solchen Fällen alternativ modulare Lösungen an, zumal Testanforderungen individuell sehr unterschiedlich ausfallen können. Eine Möglichkeit wäre hier ein PXI-System. PXI-Systeme sind allerdings oft relativ hochpreisig, da ein PXI-Systemgehäuse, ein Display, ein CPU-Modul mit Betriebssystem und die SMU-Module kombiniert werden müssen. Modulare Leistungs-Analysatoren wie die Keysight N670xB-Serie mit den SMU-Modulen N6782/4A (Bild 2) liefern alternativ einen individuell konfigurierbaren Ansatz, die Geräte haben ihren Schwerpunkt allerdings in der Leistungsanalyse.
Mit dem PZ2100A setzt Keysight nun ein modulares, reines SMU-Konzept um. Der 1-HE-hohe Mainframe PZ2100A besitzt vier Slots, die nach Bedarf und Budget mit unterschiedlichen SMU-Modulen bestückt werden können. Zur Auswahl steht ein Modell mit hoher Auflösung (belegt zwei Slots) mit einer Stromauflösung von 10 fA. Es ist zum Beispiel geeignet für Niederstrom-Anwendungen und den Test von HF-Komponenten. Hinzu kommen zwei Highspeed-Modelle (Impuls 10,5 A/50 µs oder 10,5 A/10 µs, Digitizer-Modus 1 MS/s oder 15 MS/s) sowie zwei Modelle mit hoher Kanal-Dichte (5 Kanäle in einem Slot, mit oder ohne Impuls und Digitizer-Modus). Mit den letztgenannten sind Multikanal-SMUs bis 20 Kanäle in einem Mainframe möglich.
Die Multikanal-Module eignen sich als Bias-/Vorspannungsquelle für IC-Tests oder Burn-in-Test von ICs/Modulen. Die Highspeed-Modelle können zum Beispiel für dynamische und gepulste Messungen, VCSEL, DVT und den Funktionstest für IC eingesetzt werden. Alle Messungen werden am Display angezeigt, die Software BenchVue PathWave erlaubt eine Fernsteuerung vom PC aus und eine noch intuitivere, grafische Darstellung und Analyse der erfassten Daten.
Zusammenfassung
Der Einsatz einer SMU (anstatt Quellen/Lasten und Messgeräten als individuellen Einzelgeräten) erleichtert dem Techniker die Konfiguration eines Testsystems wesentlich. Ob er jedoch eine „klassische“ SMU, einen Leistungsanalysator mit SMU-Funktion oder eine modulare Multikanal-SMU verwendet, ist dann sehr stark abhängig von den Anforderungen der Anwendung. In erster Linie geben wohl die gewünschte Kanalzahl und die individuell benötigte Kombination unterschiedlicher SMU-Kanal-Typen den Ausschlag. Die größtmögliche Flexibilität bietet sicherlich ein modulares SMU-System wie dem PZ2100A, das der Anwender nach seinem Bedarf mit einer Auswahl an abgestimmten Optionen konfigurieren kann.
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