MEMS傳感器晶圓級測試與成品級測試淺析

　　本文將從MEMS傳感器晶圓級測試與成品級測試這兩個層面，淺析了目前現(xiàn)狀及問題，提出了一些有待商榷的解決辦法。

　　一、晶圓級測試

　　1.1晶圓級測試現(xiàn)狀及問題

　　一款MEMS傳感器一般包括微結構、接口電路及算法。由于接口電路和算法本質(zhì)上就是IC，對于IC的晶圓級測試本文不做展開，主要講述微結構晶圓級測試，無論在產(chǎn)品研制還是量產(chǎn)階段微結構晶圓級測試都具有舉足輕重作用。

　　在產(chǎn)品研制階段，晶圓級測試主要用于驗證器件正常工作，工藝穩(wěn)定性和器件一致性。晶圓級測試可以獲得器件早期特性以及可靠性數(shù)據(jù)分析，這些對于MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)化來講至關重要。相比產(chǎn)品設計定型后再進行產(chǎn)品可靠性和失效驗證，晶圓級微結構測試能夠早期介入極大節(jié)約開發(fā)時間和成本。

　　晶圓級測試在產(chǎn)品量產(chǎn)階段可以驗證傳感器件是否具備較高成品率，因為微感結構成品率一般比接口ASIC要低很多，早期晶圓級測試可以有效剔除不良產(chǎn)品，提高成品率，極大降低生產(chǎn)成本。常規(guī)來講，一款MEMS傳感器三分之一成本在于封裝測試，另外兩個部分分別為研發(fā)及市場投入和流片費用。相比傳統(tǒng)IC產(chǎn)品，MEMS傳感器封測成本十分昂貴，如果在系統(tǒng)封測之前就對成品率相對較低的微結構進行晶圓級測試，顯然能夠提高成品率，降低生產(chǎn)成本。圖1為典型的MEMS傳感器品質(zhì)因數(shù)測試曲線。一般需要微小信號拾取探針卡，以及一臺動態(tài)信號分析儀搭建起來進行測試。Q值的測試可以很全面的評估傳感器的真空度保持情況、微結構的諧振頻率，各模態(tài)的頻率，器件的靈敏度等是否滿足設計要求。

　　晶圓級MEMS傳感器測試如此重要，然而相關性專用測試設備以及標準空白或者極少，研發(fā)公司或制造商很難找到與產(chǎn)品晶圓級測試高度吻合的測試設備，并且價格相當昂貴，例如一臺硅麥的全自動測試機標價高達30萬人民幣。其原因主要有：

　　1.專用測試設備存在技術壁壘

　　微結構的信號十分微弱，比如100nm的位移，10-20F的電容變化量，低于nV級的電壓等等，這些信號經(jīng)常被噪聲淹沒，極易受到干擾，專用測試設備必須突破微小信號檢測技術壁壘。與傳統(tǒng)混合信號IC測試相比而言，不僅僅提供電壓或電流波形測試向量，采集IC輸出結果進行處理和判斷。需要考慮傳感信號的屏蔽，微小信號拾取等高精尖檢測技術，這些技術都有專門公司進行研究并申請專利，一些國家還限制該類設備或技術的對外應用。傳感器晶圓級測試必需通過探針卡或探針可靠接觸，必需考慮噪聲干擾，能夠精確反應傳感量，確實具有挑戰(zhàn)性，難度較大。

　　2.專用測試設備很難提升其通用性

　　因為感知物理量不一致，感知原理不盡相同，傳感器圓片級檢測原理不盡相同。從檢測原理來講有電荷式、電容式、壓阻式、壓電式等，對于一臺測試設備來講，很難完全滿足各種原理的微傳感器測試要求。

　　從激勵源的角度講，需要測試設備提供聲、光、電、磁、熱、力、旋轉、振動等物理激勵。一臺設備也是很難提供多種物理激勵的。

　　3、專用測試設備需要滿足不同測試環(huán)境條件

　　有些傳感器需要真空環(huán)境，有些運動檢測類陀螺儀、加速度計或磁力計需要精確角速度旋轉或精確的方向姿態(tài)控制。還有一些傳感器需要極低溫度或超高溫度。有些傳感器測試需要提供50~150V高壓偏置，并且偏置電壓穩(wěn)定度還影響傳感器性能測試結果。

　　1.2采用一種架構多種組合的思路解決晶圓級測試

　　首先，需要MEMS傳感器行業(yè)盡快制定圓片級的測試標準及綱要，盡快推進標準化進程。

　　其次，基于標準和規(guī)范，再推出一個MEMS傳感器晶圓級測試通用平臺，借鑒IC測試臺思路，在數(shù)據(jù)采集處理方面可以與集成電路相似。而在探針卡上面需要結合不同傳感器推出不同功能探針卡，比如被測晶圓是電容式檢測的，就采用帶電容檢測類的專用屏蔽探針。如果激勵不同，也可以在通用平臺上加裝不同激勵模塊，形成一個閉環(huán)的測試平臺。簡而言之，在開放的平臺上，通過選用不同檢測探針和激勵模塊可以搭建滿足不同種類MEMS傳感器的晶圓級測試平臺。

　　展望MEMS晶圓級測試，這種沒有專用測試設備的狀況可能會持續(xù)一段時間，基本上是研發(fā)公司和代工廠針對自身產(chǎn)品尋求專用設備開發(fā)。5年之內(nèi)，隨著MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的崛起，會有更多的設備提供商與代工廠或研發(fā)公司共同開發(fā)全定制的一些專用測試設備，會有一些技術強大的設備提供商稱為行業(yè)的領導者，5年之后會有基于開放平臺采用不同探針卡組合搭積木的測試設備出現(xiàn)。

　　二、MEMS傳感器成品級測調(diào)及標定

　　2.1成品級測試現(xiàn)狀及問題

　　前面主要對圓片級測試，主要針對微感結構進行了分析，本節(jié)主要對封裝好的MEMS成品級測調(diào)進行淺析。這里不單是測試還包括調(diào)整補償和標定，從字面上來理解，集成電路成品的測試無非是靜、動態(tài)參數(shù)的測試。對于傳感器產(chǎn)品來講，往往需要調(diào)整參數(shù)、補償輸出特性、標定參數(shù)、最后才是測試性能。這也是封裝測式占據(jù)三分之一成本的原因之一。常見的運動檢測類傳感器測試設備，如圖2所示。下面從以下幾個方面分析問題和現(xiàn)狀：

　　集成電路測試時間直接影響測試成本，與IC測試不同，傳感器需要物理量激勵，而這些物理量激勵設備與測試臺提供電壓電流源信號最大不同在于建立時間。一個信號源可以以微秒級速度穩(wěn)定輸出給IC輸入端，這是很容易做到的。但是，轉臺無法在微秒內(nèi)穩(wěn)定輸出，被測陀螺儀也不可能有如此高響應帶寬，從一個轉速的啟動，到穩(wěn)定后采集傳感器轉速，到轉臺停止，一般都是20s左右，與傳統(tǒng)電信號測試相差7個數(shù)量級。所以物理激勵與電激勵顯著差別就在測試效率上。其他類型MEMS傳感器測試都有這樣共性問題。

　　有些傳感器需要進行溫度補償，一般一個溫度點穩(wěn)定時間在1小時，低溫需要2小時才能達到平衡。溫度類測試都是比較耗時的。

　　測試設備自動化程度低，無法進行全自動測試。比如轉臺、高低溫箱、振動臺、離心機這些設備提供商只關心自身設備指標情況，功能單一，手動操作。雖然有控制接口和協(xié)議，還需研發(fā)公司自己再進行二次開發(fā)，才能完成全自動測試。

　　2.2如何破解成品級測試問題

　　向時間要效率，降低時間就是降低成本。成品MEMS產(chǎn)品測試核心問題是如何縮短測調(diào)標定時間。主要有以下幾個方面來縮短測調(diào)標定時間。

　　在傳感器系統(tǒng)設計時就考慮成品測試快速性問題，也就是說MEMS產(chǎn)品通過模式切換，可以轉換成CBIT模式，即所謂的命令內(nèi)部自檢測。通過不同的測試命令字，MEMS產(chǎn)品內(nèi)部可以產(chǎn)生一個多頻合成電壓或電流激勵，經(jīng)過MEMS微結構，檢測接口電路，數(shù)字算法電路，最終結果通過運算比較后給出測試是否正確的標志位。另外，也可以通過電信號等效為外加物理激勵，通過MEMS檢測電路后，應該產(chǎn)生一個預期等效結果輸出。另外，一些帶寬測試，完全可以采用等效階躍信號注入到檢測環(huán)路中，不斷記錄檢測系統(tǒng)對階躍或脈沖信號響應序列，判斷響應曲線上升時間，穩(wěn)定時間，可以計算出檢測系統(tǒng)阻尼系數(shù)，也能間接計算帶寬?？傊?，從系統(tǒng)的角度考慮測試效率提升可以極大降低物理激勵測試時間。這需要在MEMS產(chǎn)品ASIC設計階段就要去考慮，該功能的加入可以開放給用戶，方便用戶在使用器件時也可以進行內(nèi)部自檢測，證明MEMS傳感器功能性能正常。

　　提高工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性，盡量避免后修調(diào)和補償，因為后調(diào)整和補償既增加測試時間，又增加了測試平臺硬投入。但話也不能說死，如果要做高精度傳感器，除了工藝優(yōu)化之外，后調(diào)整和補償能夠顯著提升產(chǎn)品性能，一分錢一分貨，用戶也愿意為此買單。至于到底該不該加入后調(diào)整和補償，需要在測試成本與投入和市場上同類產(chǎn)品的定價情況上折中考慮，當然，與產(chǎn)品的定位也有很大關系。

　　盡量減少人為參與，增加全自動化測試設備。目前，設備基本不具備全自動化功能，需要研發(fā)公司投人資金開發(fā)全自動的標定測試平臺。隨著MEMS傳感器產(chǎn)品應用越來越多，全自動化的測試設備是市場剛需。測試設備廠商可以調(diào)研不同傳感器的測試方法和標準，在此基礎上尋找MEMS產(chǎn)品測試設備共性技術和相同點，推出滿足不同種類的自動化測試設備。

　　三、結束語

　　本文從MEMS傳感器晶圓級測試與成品級測試兩個層面，淺析了目前現(xiàn)狀及問題，提出了一些有待商榷的解決辦法。展望MEMS傳感器的測試，需要解決測試標準及方法的問題，行業(yè)內(nèi)部需要統(tǒng)一接口，統(tǒng)一測試方法。設備廠商也需要為產(chǎn)品的量產(chǎn)定制全自動的測試平臺。代工廠也需要提供穩(wěn)定的工藝參數(shù)確保微結構的產(chǎn)品一致性和成品率，設計人員也需要在系統(tǒng)設計時就要考慮可測試性設計，縮短測試時間等等。相信，未來幾年，目前的問題會得到很多改善。