圓片級(jí)測(cè)試MEMS器件的解決之道

有很多原因都可以說(shuō)明在MEMS封裝之前進(jìn)行測(cè)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(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)失效的器件浪費(fèi)的不僅是資金，而且包括研發(fā)、工藝?yán)煤屯镀臅r(shí)間。在生產(chǎn)的早期就進(jìn)行功能測(cè)試、可靠性研究和失效分析對(duì)于微系統(tǒng)的商業(yè)化是至關(guān)重要的，因?yàn)樗軌蚪档蜕a(chǎn)成本，縮短上市時(shí)間。

分段測(cè)試目標(biāo)

在MEMS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期三個(gè)階段的每一階段都有獨(dú)特的測(cè)試目標(biāo)和需求，會(huì)產(chǎn)生截然不同的結(jié)果。
在產(chǎn)品的研發(fā)階段，要驗(yàn)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(jí)測(cè)試能夠?qū)ζ骷M(jìn)行早期的特征分析，這最高能夠?qū)⒀邪l(fā)時(shí)間和研發(fā)成本降低到15%。此外，可靠性問(wèn)題是MEMS器件成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，在研發(fā)階段進(jìn)行圓片級(jí)測(cè)試是非常必要的。

在試生產(chǎn)階段，目標(biāo)是驗(yàn)證大量生產(chǎn)情況下的可制造性，并形成一個(gè)生產(chǎn)-設(shè)備解決方案，制訂量產(chǎn)的測(cè)試需求。這里，通過(guò)圓片級(jí)測(cè)試可以減少研發(fā)時(shí)間和成本。

圖1 MEMS器件的早期測(cè)試能夠降低成本提高成品率

在量產(chǎn)階段，目標(biāo)是實(shí)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(guò)程中以及封裝之后引入的，因此對(duì)于MEMS的量產(chǎn)而言，早期測(cè)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(shí)際生產(chǎn)環(huán)境和MEMS元件的類型。

然而，有利于早期測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)成的測(cè)試設(shè)備對(duì)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(cè)量之外，可能還需要利用光、振動(dòng)、流體、壓力、溫度、化學(xué)或應(yīng)力仿真對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于某種輸入的仿真，測(cè)試人員除了要檢測(cè)并測(cè)量這種仿真產(chǎn)生的機(jī)械、光學(xué)或電信號(hào)之外，可能還需要測(cè)量所有這些分類信號(hào)。器件可能需要在一種受控的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，以保護(hù)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(cè)試設(shè)備的類型

自從2000年以來(lái)，SUSS MicroTec公司就提供了圓片級(jí)測(cè)試技術(shù)和設(shè)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(cè)量計(jì)等器件的圓片級(jí)測(cè)試。該設(shè)備采用了最新的MEMS測(cè)試技術(shù)研制而成，主要受用戶需求的驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)前的圓片級(jí)MEMS測(cè)試系統(tǒng)基于兩種平臺(tái)：開(kāi)放式和封閉式。在半導(dǎo)體行業(yè)，圓片級(jí)測(cè)試是采用圓片探針來(lái)執(zhí)行的。圓片上的器件必須與探針卡或單個(gè)探針形成可靠的接觸，從而與測(cè)試儀形成電氣連接。
這種系統(tǒng)執(zhí)行MEMS測(cè)試方面的能力是有限的，但是通過(guò)增加適當(dāng)?shù)哪K進(jìn)行非電氣仿真和/或檢測(cè)非電氣輸出，圓片探針可以擴(kuò)展成開(kāi)放式統(tǒng)一測(cè)試平臺(tái)，這種平臺(tái)根據(jù)測(cè)試需求很容易進(jìn)行重構(gòu)（如圖2所示）。這種開(kāi)放式平臺(tái)非常適合于測(cè)試微分和絕對(duì)值壓力傳感器、麥克風(fēng)和微鏡。

圖2 諸如PA200之類的開(kāi)放式測(cè)試系統(tǒng)配合PPM和MSA-500可以通過(guò)重構(gòu)滿足這些測(cè)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(jí)測(cè)試階段就需要這種環(huán)境。此外，生長(zhǎng)可靠性問(wèn)題的研究無(wú)法在開(kāi)放式系統(tǒng)上進(jìn)行評(píng)估；它們需要精確控制的測(cè)試環(huán)境。

要想在圓片級(jí)進(jìn)行這些測(cè)試工作，必須將圓片探測(cè)器放在一個(gè)測(cè)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(cè)試過(guò)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(shí)，真空探測(cè)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(kāi)放式平臺(tái)類似，封閉式平臺(tái)中可以適當(dāng)增加某些非電氣仿真模塊和/或非電氣輸出值檢測(cè)模塊。這種封閉式平臺(tái)尤其對(duì)于射頻MEMS、MEMS諧振器、微輻射熱測(cè)量計(jì)和慣性傳感器（如加速度計(jì)和陀螺儀）的測(cè)試非常有用。

進(jìn)行之中的工作

今后MEMS領(lǐng)域的任務(wù)包括最終封裝測(cè)試和圓片級(jí)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化、制訂設(shè)計(jì)規(guī)則以簡(jiǎn)化MEMS器件的測(cè)試、擴(kuò)展設(shè)備和技術(shù)平臺(tái)以覆蓋今后的新型MEMS器件。

圖3 真空探測(cè)器為可靠性評(píng)測(cè)提供了一種高度受控的封閉式環(huán)境

為了應(yīng)對(duì)圓片級(jí)MEMS測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)，來(lái)自業(yè)界、研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界的一些MEMS測(cè)試專家組成了一個(gè)開(kāi)放式團(tuán)體——MEMUNITY。利用MEMUNITY提供的專家資源和技術(shù)實(shí)力，過(guò)去兩年中圓片級(jí)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域取得了多項(xiàng)研究成果，包括全球唯一的壓力容器探測(cè)系統(tǒng)。

最近，MEMUNITY完成了協(xié)同PAR-TEST項(xiàng)目的工作，該項(xiàng)目的研究目標(biāo)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(jí)測(cè)量技術(shù)，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(duì)于工藝控制是非常關(guān)鍵的。

MEMUNITY協(xié)同的PAR-TEST項(xiàng)目的一項(xiàng)成果是開(kāi)發(fā)出了一種集成式圓片級(jí)MEMS器件測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一種活動(dòng)的膜片（membrane），例如在壓力傳感器中。該測(cè)試系統(tǒng)是一種半自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)（SUSS PA200），具有精確、自動(dòng)的定位和圓片繪圖功能，通過(guò)一個(gè)靜電探針卡驅(qū)動(dòng)膜片，利用一個(gè)激光多普勒計(jì)（Polytec MSA-500）測(cè)量面外（out-of-plane）運(yùn)動(dòng)。通過(guò)測(cè)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(shè)計(jì)和制造工藝，以及確定好壞的管芯測(cè)試。