微機電系統(MEMS)屬于21 世紀前沿技術,是對MEMS加速度計、MEMS 陀螺儀及慣性導航系統的總稱。MEMS 器件特征尺寸從毫米、微米甚至到納米量級,涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多個學科。在産品的研制方面,能夠顯著提升裝備輕量化、小型化、精確化和集成化程度,因此應用極爲廣泛。MEMS 産品制造與經典的IC 最大區別在于其含有機械部分,封裝環節占整個器件成本的大部分,如果在最終封裝之後測出器件失效不但浪費成本,還浪費了研究和開發(R&D)、工藝過程和代工時間,因此,MEMS産品的晶圓級測試在早期産品功能測試、可靠性分析及失效分析中,可以降低産品成本和加速上市時間,對于微機電系統産業化非常關鍵。
晶圓級測試技術應用于MEMS産品開發全周期的3個階段:(1)産品研發(R&D)階段:用以驗證器件工作和生産的可行性,獲得早期器件特征。(2)産品試量産階段:驗證器件以較高成品率量産的能力。(3)量産階段:最大化吞吐量和降低成本。本文分析了國內和國際MEMS晶圓級測試系統硬件和系統技術現狀,參照下表中的RM 8096和RM 8097,給出了國內現有問題的解決方案。
MEMS晶圓級測試系統硬件
1. 測試系統
正如引言所說,一般MEMS産品的成品率比IC産品要低很多,成本分析發現60%~80%的制造成本來自于封裝階段,圖1中當成品率爲50%時,采用晶圓級測試的芯片能節省30%總成本,可見采用晶圓級測試技術,可以極大降低MEMS量産成本,提高器件可靠性。
圖1 有無晶圓級測試條件下總成本對比
國際上主流的MEMS開發廠商,如美國的德州儀器(TI)、模擬器件(ADI)、飛思卡爾半導體(Freescale)、Silicon Microstructures(SMI)公司,歐洲的Robert Bosch、意法半導體(ST),日本的豐田電裝(DENSO)、歐姆龍(Omron)公司等均配備與MEMS晶圓級産品配套測試系統。
國內而言,某些高校均建立了服務于自身MEMS生産線的晶圓級測試系統,如清華大學、北京大學、複旦大學、東南大學、哈工大等;一些科研院所亦然,如中國電科49所、13所、26所、46所等。測試系統根據産品特點結構和功能各異,其中,航天新銳公司在MEMS晶圓級測試系統的研制方面優勢明顯,推出了LS1100系列MEMS晶圓片全參數自動測試系統。測試産品包括流量計、加速度計、陀螺儀等。測試系統由探針台和一系列測量儀器,用于測量晶圓片的動態參數和靜態參數。系統測試速率達到8s/芯片;圓片最大爲6 in(1 in=2.54 cm);參量包括微小電容(最低10aF)、電阻(1Ω~1GΩ)、固有頻率(最高20kHz)、品質因數(最高200000)、帶寬(最高10kHz)共5種,准確度最高達±1%。
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