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圓片級測試MEMS器件的解決之道

發(fā)布時間:2016-09-29 責任編輯:wenwei

【導讀】MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速,但是人們常常忽視對其的早期測試。乍一看來,MEMS器件和傳統(tǒng)IC器件的制造十分相似,但是,由于MEMS器件具有額外的機械部分(大多是可活動的)和封裝,這些部分的成本通常占其總成本的大部分,因此MEMS器件的特性比傳統(tǒng)IC器件要復雜得多,而且各不相同。

有很多原因都可以說明在MEMS封裝之前進行測試是有好處的:封裝工藝的成本很高。在最終封裝之后經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)失效的器件浪費的不僅是資金,而且包括研發(fā)、工藝利用和投片的時間。在生產(chǎn)的早期就進行功能測試、可靠性研究和失效分析對于微系統(tǒng)的商業(yè)化是至關重要的,因為它能夠降低生產(chǎn)成本,縮短上市時間。

分段測試目標

在MEMS產(chǎn)品開發(fā)周期三個階段的每一階段都有獨特的測試目標和需求,會產(chǎn)生截然不同的結(jié)果。
在產(chǎn)品的研發(fā)階段,要驗證器件是否能夠正常工作以及是否可制造。在這一階段,圓片級測試能夠?qū)ζ骷M行早期的特征分析,這最高能夠?qū)⒀邪l(fā)時間和研發(fā)成本降低到15%。此外,可靠性問題是MEMS器件成功實現(xiàn)商業(yè)化應用的關鍵。因此,在研發(fā)階段進行圓片級測試是非常必要的。

在試生產(chǎn)階段,目標是驗證大量生產(chǎn)情況下的可制造性,并形成一個生產(chǎn)-設備解決方案,制訂量產(chǎn)的測試需求。這里,通過圓片級測試可以減少研發(fā)時間和成本。

圓片級測試MEMS器件的解決之道
圖1 MEMS器件的早期測試能夠降低成本提高成品率

在量產(chǎn)階段,目標是實現(xiàn)最大的產(chǎn)能并降低成本。由于MEMS生產(chǎn)的典型成品率比IC生產(chǎn)低得多,并且成本分解表明制造成本的60%~80%都是在封裝過程中以及封裝之后引入的,因此對于MEMS的量產(chǎn)而言,早期測試能夠大幅度降低成本(如圖1所示)。具體節(jié)約的成本取決于實際生產(chǎn)環(huán)境和MEMS元件的類型。

然而,有利于早期測試的標準的、現(xiàn)成的測試設備對于大多數(shù)制造商而言是很難獲得的。除了電氣仿真和電氣測量之外,可能還需要利用光、振動、流體、壓力、溫度、化學或應力仿真對器件進行測試。

對于某種輸入的仿真,測試人員除了要檢測并測量這種仿真產(chǎn)生的機械、光學或電信號之外,可能還需要測量所有這些分類信號。器件可能需要在一種受控的環(huán)境下進行測試,以保護該器件免受環(huán)境的損壞,或者正確模擬該器件被封裝之后所在的工作環(huán)境。

MEMS測試設備的類型

自從2000年以來,SUSS MicroTec公司就提供了圓片級測試技術和設備,支持壓力傳感器、射頻MEMS、諧振器、微鏡、氣體傳感器、微輻射熱測量計等器件的圓片級測試。該設備采用了最新的MEMS測試技術研制而成,主要受用戶需求的驅(qū)動。

當前的圓片級MEMS測試系統(tǒng)基于兩種平臺:開放式和封閉式。在半導體行業(yè),圓片級測試是采用圓片探針來執(zhí)行的。圓片上的器件必須與探針卡或單個探針形成可靠的接觸,從而與測試儀形成電氣連接。

這種系統(tǒng)執(zhí)行MEMS測試方面的能力是有限的,但是通過增加適當?shù)哪K進行非電氣仿真和/或檢測非電氣輸出,圓片探針可以擴展成開放式統(tǒng)一測試平臺,這種平臺根據(jù)測試需求很容易進行重構(gòu)(如圖2所示)。這種開放式平臺非常適合于測試微分和絕對值壓力傳感器、麥克風和微鏡。

圓片級測試MEMS器件的解決之道
圖2 諸如PA200之類的開放式測試系統(tǒng)配合PPM和MSA-500可以通過重構(gòu)滿足這些測試需求

工作在真空或某些特殊氣體環(huán)境下的MEMS器件在圓片級測試階段就需要這種環(huán)境。此外,生長可靠性問題的研究無法在開放式系統(tǒng)上進行評估;它們需要精確控制的測試環(huán)境。

要想在圓片級進行這些測試工作,必須將圓片探測器放在一個測試容器中(如圖3所示)。該容器可以是真空的或者充滿不同的氣體,在測試過程中容器內(nèi)的氣壓可以在高真空和小幅正氣壓之間調(diào)節(jié)。同時,真空探測器中的圓片溫度可以控制在-60~200℃之間,或者降低到77K(液氮)或4.2K(液氦)的低溫。

與開放式平臺類似,封閉式平臺中可以適當增加某些非電氣仿真模塊和/或非電氣輸出值檢測模塊。這種封閉式平臺尤其對于射頻MEMS、MEMS諧振器、微輻射熱測量計和慣性傳感器(如加速度計和陀螺儀)的測試非常有用。

進行之中的工作

今后MEMS領域的任務包括最終封裝測試和圓片級測試的標準化、制訂設計規(guī)則以簡化MEMS器件的測試、擴展設備和技術平臺以覆蓋今后的新型MEMS器件。

圓片級測試MEMS器件的解決之道
圖3 真空探測器為可靠性評測提供了一種高度受控的封閉式環(huán)境

為了應對圓片級MEMS測試面臨的挑戰(zhàn),來自業(yè)界、研究機構(gòu)和學術界的一些MEMS測試專家組成了一個開放式團體——MEMUNITY。利用MEMUNITY提供的專家資源和技術實力,過去兩年中圓片級測試技術領域取得了多項研究成果,包括全球唯一的壓力容器探測系統(tǒng)。

最近,MEMUNITY完成了協(xié)同PAR-TEST項目的工作,該項目的研究目標是定義MEMS器件生產(chǎn)中所用材料的特性,使工程人員可以利用這些特性。更明確的是,人們研究了一些高級測量技術,能夠使工程人員判斷出MEMS器件生產(chǎn)中所用材料的質(zhì)量參數(shù)——這些參數(shù)對于工藝控制是非常關鍵的。

MEMUNITY協(xié)同的PAR-TEST項目的一項成果是開發(fā)出了一種集成式圓片級MEMS器件測試系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了一種活動的膜片(membrane),例如在壓力傳感器中。該測試系統(tǒng)是一種半自動探測系統(tǒng)(SUSS PA200),具有精確、自動的定位和圓片繪圖功能,通過一個靜電探針卡驅(qū)動膜片,利用一個激光多普勒計(Polytec MSA-500)測量面外(out-of-plane)運動。通過測量本征頻率可以提取到該膜片的特征參數(shù),所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果用于優(yōu)化器件設計和制造工藝,以及確定好壞的管芯測試。



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