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技術情報・レポート

2021/02/02

高精度な電子部品の評価に貢献するSMU〜エーディーシー6253直流電圧・電流源/モニタ

株式会社エーディーシー(以下エーディーシー)は1971年にタケダ理研工業株式会社(現株式会社アドバンテスト)の子会社「タケダシステム株式会社」として発足し、2021年に50周年を迎える。設立以来アドバンテストの電子計測器の一部門の開発を行いながらアナログ計測技術を蓄積してきた。2003年MBO方式により独立し、継承・発展させたアナログ計測技術を使った製品群を企画から開発、生産、販売、保守まで一貫して行っている。8 1/2桁高精度/高確度デジタル・マルチメータをラインアップしている国内唯一のメーカである。主力製品はDMM、直流電圧/電流発生器、エレクトロメータ、IRメータなどで、特にSMUは9機種と多い。半導体評価用のデファクトスタンダードである6243は現在も売れているロングセラーだが、性能・機能をアップした上位機種6253が発売された。今回、新製品開発の背景、製品の特長、今後の計画などをエーディーシー 取締役 開発部長 田中功氏、開発部 VIG計測 青貫哲士氏に伺った。本稿では合わせてSMUとは何かも簡単に解説する。

SMUとは

SMUはSource Measure Unitの略で、電圧・電流発生(ソース)機能と測定(メジャー)機能がある、高精度な直流電源(電圧・電流発生器)を指す。電圧・電流の供給に同期して高確度で電圧・電流を測定する。一般のCV/CC※1電源は発生値を単に表示しているだけだが、SMUはデジタルマルチメータ(DMM)の機能がある、高精度な電源なので、電子部品や半導体デバイスの評価に使われる。デバイスのI-V特性※2などの測定が簡便に安価にできる。SMUは通常、電圧がプラスとマイナスの2現象の領域でソースとシンク(吸込み)ができる※3

※1

(Constant Voltage/Constant Current)定電圧/定電流。一般に直流安定化電源には2つの動作モードがあり、設定した電圧(または電流)値の範囲内で、負荷状態に応じて自動的に定電圧(CV)や、定電流(CC)で動作する。

※2

(Current–voltage characteristic)半導体デバイスの電流(I)-電圧(V)特性。横軸に印加した電圧、縦軸がそれによって流れる電流のグラフ。半導体のもっとも基本的な性能。I-Vカーブとも呼ばれ、半導体関連測定器のカーブトレーサの品名はこれに由来する。

※3

CV/CC電源メーカは、シンク機能があり4現象で動作する電源(バイポーラ電源)をつくっているが、SMUほど高分解能ではない。

キーサイト・テクノロジーやケースレーには半導体パラメータアナライザという、ユニット式のSMUを装着して使えるメインフレームの測定器があり、デバイスメーカでは半導体カーブトレーサ※4と共に使用されている。一般にSMUの外観は据え置き型のDMMに似ていて、本体にユニット式のSMUを装着して使うモデルと、分離できない一体型のモデルがある。圧倒的に一体型モデルが多く、ケースレーは「ソースメータ」、キーサイト・テクノロジーは「ソース/メジャー・ユニット」などの名称である。国内メーカではエーディーシーと横河計測がそれぞれ「直流電圧・電流源/モニタ」、「ソースメジャーユニット」の品名でラインアップしている。

※4

デバイスメーカでは半導体カーブトレーサと半導体パラメータアナライザは必須の計測器で、用途によって使い分けられる。単に「カーブトレーサ」と略されることも多い。テクトロニクスが長らく業界標準だったが生産終了した。以前は菊水電子工業や國洋電機工業がつくっていたが、現在は岩崎通信機が最新モデルをラインアップしている。

ソースではあるが、製品群のカテゴリーは電源ではなくDMMのように「電圧・電流・電力測定器」である。どのような製品があるかは計測器ページの「直流電圧電流発生器・校正装置」を参照されたい。
https://www.techeyesonline.com/measuring-device/search/?tertiaryCategoryId=140

エーディーシーのSMUと新製品開発の経緯、市場動向

同社が最初に開発したSMUは1987年のTR6143で、電池の充放電システム用として多く採用された。TR6143の後継機種で1998年発売のR6243は、ノイズの少なさや使いやすさから半導体向けに現在も販売が続くベストセラーで、特に青色LEDの開発・生産に採用されている。現在のラインアップである6240B、6241A、6242、6247は同社SMUの特長である低ノイズを生かしつつ、最大電圧250V、最大電流5Aをカバーしている。測定対象は半導体・電子部品、光・無線通信モジュール、センサなど多種類で、アプリケーションは光通信用半導体の生産から低抵抗測定まで幅広く、開発と生産ラインの両方で導入されている。

形名 特長
6240B 高速レスポンスのパルス発生と5½桁の測定、高精度な低抵抗測定
6241A/6242 高分解能で、最小50 μsのパルス発生・測定が可能
6243/6244 フレキシブルな発生と測定で電子回路(部品)評価に最適
6247C/6247G 最大発生電圧250 V、最大発生電流320 mA LEDモジュールや高電圧半導体評価に最適
6253 5½桁の発生と6½桁の測定で高精度な電子部品評価に最適
6540/6541 4チャンネルの計測電源 システム・ユース型とベンチトップ型の2タイプ

エーディーシーのSMUラインアップ

現行機種は±15V/1A、±4A/10V(パルス)出力の6240Bから+250V、-15V/320mA出力の6247C/G(C:RS232、G:GPIB)まで幅広い電圧、電流範囲に対応している。4チャンネル出力の6540/6541を含めて9機種のラインアップがある。

形名 6240B 6241A 6242 6243 6244 6247C/G 6253 6540 6541
発生桁数 4 1/2桁 5 1/2桁 4 1/2桁
電圧最大出力 ±15 V/ 1 A ±32 V/ 0.5 A ±6 V/ 5 A ±110 V/ 0.5 A ±20 V/ 4 A +250 V,
-15 V/ 320 mA
±110 V/ 0.5 A ±10 V / 500 mA
(4 ch合計1 Aまで)
電圧最小分解能 10 μV 100 μV 5 μV 100 μV
電流最大出力 ±4 A/ 10 V
(DCで ±1 A/ 15 V)
±0.5 A/ 32 V ±5 A/ 6 V ±2 A/ 32 V ±10 A/ 7 V ±320 mA/ +250 V,
-15 V
±2 A/ 32 V ±500 mA / 10 V
(4ch合計1 Aまで)
電流最小分解能 1 nA 1 nA 10n A 100 pA 50pA 100 pA
測定桁数 5 1/2桁 6 1/2桁 5 1/2桁
基本確度(代表レンジ) 0.02% 0.03% 0.02%
電圧最小測定分解能 1 μV 10 μV 100 nV 10 μV
電流最小測定分解能 100 pA 1 nA 10 pA 1 pA 10 pA
抵抗測定最大値/
最小分解能
0.75 GΩ/ 0.25 μΩ 1.6 GΩ/ 2 μΩ 304 MΩ/ 0.2 μΩ 125 GΩ/ 30 μΩ 550 GΩ/ 0.05 μΩ 5 GΩ/20 μΩ
最小パルス幅 50 μs 1 ms 50 μs 25 μs 50 μs

SMU各機種の主な仕様

デファクトスタンダードとして評価されている6243も発売から20年以上が経過し、現在の技術による新製品が望まれていた。そこで6243の販売は継続したまま、新機種として性能(精度)アップと新機能追加、最新技術を投入した6253を発売した。6243と6253の大きな違いは発生桁数を4 1/2桁から5 1/2桁へ、測定桁数を5 1/2桁から6 1/2桁へ増やしたことである※5。その背景には近年のスマートフォンやタブレットなどの携帯型電子機器の普及がある。電子部品が微細化・小型化し、お客さまが求める電流・電圧の精度が高くなった。測定器の発生・測定の精度をもう少し上げられないか、桁数を1桁増やせないか、という要望に応えた。

※5

DMMなどの表示桁数は「4 1/2桁」や「4.5桁」と表記される。「1/2」、「.5」とは最大の表示値の制限を表す。たとえば「4桁」の最大数は「9999」だが、DMMの最大数は「1999」が多い(「4000」の機種もある)。この場合「4桁」と表記すると“9999まで表示可能”と誤解されるため「3 1/2桁」と表記している。

設計ポリシーと6253の特長

エーディーシーのSMUは低出力ノイズ、高確度、高安定であることを一貫した特長としてきた。定常状態でのノイズのみならず発生値切り替え時や、電圧・電流リミッタ動作時のオーバーシュートも含めて低出力ノイズであるため、デバイスが破損する心配がない。デバイスを痛めないので、自由に電圧・電流を設定して評価ができるため、LD、LED、FETアンプモジュールなどの評価で定評がある。6253も同社の計測用電源の設計ポリシーである「高確度、高安定、低ノイズ」を踏襲した、最新の直流電圧・電流源/モニタである。その特長を以下に述べる。

1. 高精度

従来機種6243より1桁増やし、発生分解能5 1/2桁、測定分解能6 1/2桁にした。基本確度も±0.03%から±0.02%に高めている。国内の電子部品の生産ラインではチップ部品などの微細化・小型化とともに、需要拡大に対応してさらなる小型化、多品種化が進んでいる。高精度のSMUは時代の要請といえる。

5桁発生、6桁測定の表示画面

5桁発生、6桁測定の表示画面

2. 高速パルス測定機能の高速化

6253の高速パルス測定は最小パルス幅25μsで、従来機種より40倍高速化した。高速パルス測定はLEDの熱抵抗測定などで広く行われている測定手法である。LEDは電流を流しすぎると発熱して部品が変化(損傷)してしまうので、電流を短い時間(パルス)で与えて安定した測定を行う。お客さまからはもっと高速に(パルス幅を25μsより狭く)という要望もある。

最小パルス幅

最小パルス幅

従来機種より高速化

従来機種より高速化

3. スイープ機能を進化

発生モードとして多彩なスイープ機能を搭載している。6253から新たにフィクスド・スイープ機能を追加した。またマルチ・スロープ・リニア・スイープ機能は2段階から4段階に進化した。このスイープ機能は6243には存在せず、その後に発売した製品に搭載してきた機能である。フィクスド・スイープは抵抗測定で良く使われる。1回だけ電流・電圧を印加して、測定を1回で済ませるときに便利である。マルチ・スロープ・リニア・スイープはスイープの角度を測定途中で何段階かに切り替えできる。たとえば電流・電圧印加直後はじっくり測定して、ある程度経過したらあまり時間をかけずに測定を終える、という測定ができる。同社SMUの特長的な機能として顧客に好評なため、従来は2段階だった切り替えを6253に搭載する際に4段階に増やした。

追加された電圧・電流の発生モード

追加された電圧・電流の発生モード

フィクド・スイープ

フィクド・スイープ

4段のマルチ・スロープ

4段のマルチ・スロープ

4. その他の特長

  • 電圧・電流発生の立ち上がり、立ち下がり時間を任意に設定できる可変スルーレート機能により容量性負荷に対するオーバーシュートを抑制できる。これはデバイスの損傷防止や出力の安定化に役立つ6253シリーズの新機能で、特許出願を計画している。
  • 電圧と電流の両方を測定可能。SMUの測定手法はISVM(電流を印加して電圧を測定)やVSIM(電圧を印加して電流を測定)のように、電圧発生(VS)か電流発生(IS)、電圧測定(VM)か電流測定(IM)を選択して使用する。通常は電圧か電流のどちらかしか測定できないが、6253は2つのADコンバータを搭載し電圧と電流を同時に測定することができる。これも電圧・電流の両方を測定したいという最近のユーザの声に応えた機能である。
  • 従来機6243をすでに導入しているお客さまが容易に入れ替えできるように、GPIBは互換モードを用意し、ほぼ同じGPIBコマンドが使用できる。

アプリケーション例

パワー・ダイオードなどの特性試験では、自己発熱の影響を避けるためにパルス電流を印加する。電流パルス・スイープ機能とパルスに同期した電圧測定により、大電流でも正確なVF(順方向電圧)特性試験をすることができる。ISVM(Current Source Voltage Measure)によるダイオードのVF特性の測定例を説明しよう。

電流をパルスで出力(発生)させ(IS)、それに同期してダイオードのVFを測定する(VM)。出力電流のパルスの値(高さ)を変えると、I-Vカーブの傾きが変化する。ダイオードは固有の閾値を越えると特性が変わる。そのため、開始電流値と終了電流値だけでなく、特性が変化しない範囲は電流パルス値の変化を速く(荒く)設定して、逆に閾値付近では変化を遅くして測定することで、測定時間を短縮して、効率をあげることができる。具体的にはパルス・スイープ機能で、パルスの間隔を空けて測定回数を減らす電流範囲と、反対に間隔を狭めて細かく測定する電流範囲を設定する。まず一定間隔のパルス測定で全体を把握した後で、パルス発生間隔を変えることで詳しく知りたい範囲での測定を効率良く行うことができる。

電流パルス・スイープによるVFのI-V特性

電流パルス・スイープによるVFのI-V特性

導入、引き合い事例はLD/LEDのI-V特性試験以外には、車載用小型モータの制御基板評価、半導体デバイス評価などがある。

販売計画、他社との違い、シェア

6253の発売日は2020年5月25日、メーカ標準価格は620,000円、販売計画は年間300台を目標としている。ターゲットのユーザ層は基本的には従来機種6243と同じだが、部品の小型化、高精度化の需要は多いので入れ替えと新規導入の両方で販売台数を期待している。お客さまの一番の課題は、競合がある中での量産への対応である。測定時間の短縮がキーになるので、計測器の台数を増やすことは有効な手段と考えている。

同社以外にSMUを販売する主な計測器メーカは3社(海外2社、国内1社)ある。他社製品より6253が優位な点は、前述した低ノイズ、高速パルス測定、多彩なスイープ測定などだが、特に直流で64Wという高出力は同社だけのオンリーワン機能と認識している。他社でも同等の高出力はあるが、パルス出力のみの製品が多い。アプリケーション例としては、バッテリはパルスでなく直流で大パワーの試験を行う。MOSFET※6も高出力での試験があり、同社製品が半導体メーカに採用されている一因でもある。

※6

(Metal-Oxide Semiconductor field-effect transistor)金属(metal)-半導体酸化物(oxide)-半導体(semiconductor)の三層構造(MOS)の電界効果トランジスタ(FET)。

SMUはバッテリの評価にも使われるため、最近、自動車の電動化によるバッテリの大容量化とそれに対応する計測器の大容量化によって、SMUの市場規模の推定は難しい。よって同社のシェアも定かではないが、9機種のラインアップで幅広い電圧・電流範囲に対応しているのは、SMU国内シェアでは競合海外2社に伍しているといえる。特にLD/LEDの生産向けSMUではトップシェアと自負している。

今後の計画

今回は6243の販売を継続しつつ、上位モデル6253を追加した。今後のSMU開発ロードマップは、6253のシリーズ化である。6253の基本仕様(性能・機能)を変えずに維持して発生レンジの違う機種を増やし、64W出力の電流を増やすことなどを検討している。

エーディーシーは2019年にモジュラ計測器4000/4005xシリーズ(IRメータ※7メインフレームとユニット4機種)を発売した。製品群に新カテゴリーを追加し、電子部品の生産性向上に向けて多チャンネル測定システムの提案を進めている。需要が増加している電子部品の増産には多チャンネル計測が必須との考えからだ。すでに多チャンネルのSMUはあるが(6540/6541)、4ch固定である。モジュラ式ならユニットによって2chのSMU製品もつくることができる。IRメータのユニット(40051~40054の4機種)は発売以来徐々に電子部品メーカに採用され始めている。今後はモジュラ式である強みを生かして電圧の発生範囲を変えたり、機能を絞って単機能にしたりするなど、ユーザの要求に柔軟に対応することができる。

※7

エレクトロメータ、絶縁抵計の別名。IR(Insulation Resistance、絶縁抵抗)を測定するメータ。能動部品の生産現場でこの呼び方がされる。計測器の品名ではエーディーシーが初めて使用した。同社がエレクトロメータの老舗で、電子部品メーカに強いことを伺わせる。

他社にはSMUを使った半導体パラメータアナライザがあるが、同社はいまのところ参入を考えていない。この製品は高額なため導入できないお客さまも多い。同社のSMUがその機能を代替えできるわけではないが、リーズナブルな価格でお客さまの多くの要望に応える製品をつくる方針である。部品メーカは電子部品の需要拡大に伴い、微細化と生産効率向上に取り組んでいる。計測器メーカとしてそれに応えるには計測器の高速、高分解能、低ノイズ、多チャンネル化をさらに進め、市場にマッチした製品を出していきたいと考えている。

おわりに

SMUを使っている半導体、電気部品、自動車産業界は、5G、AI、CASE※8といった今後の社会変革に必須となる技術を担い、現在のコロナ禍においてこそさらに重要度が増している市場である。SMUは海外メーカ製が多く国産品は少数となっている中で、同社は国産メーカならではの納期、価格、サポートでユーザの評価を得ている。

※8

Connected(つながる)、Autonomous(自動運転)、Shared & Services(シェアリングとサービス)、Electric(電動化)の頭文字をつなげた造語。2016年にダイムラーのCEOが提唱し、近未来の自動車の方向を示す言葉。

計測器の代表であるオシロスコープも、過去には国内に多くの計測器メーカがあったが、海外メーカの参入によってほとんどが撤退し、国内に開発部門を持ち海外メーカと競っているのは数少なくなった。アナログ計測技術に磨きをかけ、国産メーカとして日本のデバイスメーカに貢献し続けるエーディーシーへの期待は、ますます高まるばかりだ。

田中功氏(右)と青貫哲士氏

田中功氏(右)と青貫哲士氏

主な仕様

発生桁数 5 1/2桁
出力方式 バイポーラ
最大出力(上) 最小分解能(下) 電圧 ±110V/0.5A
5μV
電流 ±2A/32V
50pA
測定桁数 6 1/2桁
基本確度(代表レンジ) 0.02%
最小測定分解能 電圧 100nV
電流 1pA
パルス印加/測定
最小パルス幅 25μs
インタフェース 標準 USB/GPIB
オプション RS232/LAN
発生・測定機能 発生、測定のファンクション指定により、電圧発生/電流発生、 電圧測定/電流測定/抵抗測定が選択可能。
電圧・電流発生モード 発生モードはDC、パルス、DCスイープ、パルス・スイープの4種類をもっており、さらにスイープはフィクスド、リニア、ログ、ランダム(ユーザ・プログラミングで任意の波形発生)、マルチ・スロープ・リニアの5種類のスイープ・タイプがあります。
可変スルー・レート(SR)機能 6253では立上がり/ 立下がり時間を任意の時間に設定できます。(可変SR)10.0 ~ 99.9 V/s、100 ~ 999 V/s、1.00 ~ 9.99 kV/s、10.0 ~ 99.9 kV/s の4レンジ
サスペンド機能 6253は、出力OFF状態をSTBY(出力リレーOFF)、HiZ(出力リレーON、高抵抗状態)、LoZ(出力リレーON、低抵抗状態)の3 つの状態から選択することができます。この機能により、従来問題となっていたリレー動作時間によるスループット低下を改善し、リレー寿命を飛躍的に延ばすことにより、製品の信頼性を向上させます。さらに、サスペンド電圧(HiZ、LoZ 状態での電圧)設定が可能で、バッテリなど電圧出力デバイスの接続時に発生する、過渡的な電流吸い込みを防止することができます。
HI/LOリミット個別設定機能 電圧・電流発生では、HI/LOのリミット設定は極めて大切です。6253はHI/LOリミットが個別に設定可能であり、電圧リミットはHI/LO同一極性が可能です。これにより、コンデンサの充放電、特にバッテリの過放電を防止することが可能です。

6253の製品カタログは こちら

取材協力:

株式会社エーディーシーの製品ページは こちらから