MEMS传感器晶圆级测试与成品级测试浅析

　　本文将从MEMS传感器晶圆级测试与成品级测试这两个层面，浅析了目前现状及问题，提出了一些有待商榷的解决办法。

　　一、晶圆级测试

　　1.1晶圆级测试现状及问题

　　一款MEMS传感器一般包括微结构、接口电路及算法。由于接口电路和算法本质上就是IC，对于IC的晶圆级测试本文不做展开，主要讲述微结构晶圆级测试，无论在产品研制还是量产阶段微结构晶圆级测试都具有举足轻重作用。

　　在产品研制阶段，晶圆级测试主要用于验证器件正常工作，工艺稳定性和器件一致性。晶圆级测试可以获得器件早期特性以及可靠性数据分析，这些对于MEMS传感器产业化来讲至关重要。相比产品设计定型后再进行产品可靠性和失效验证，晶圆级微结构测试能够早期介入极大节约开发时间和成本。

　　晶圆级测试在产品量产阶段可以验证传感器件是否具备较高成品率，因为微感结构成品率一般比接口ASIC要低很多，早期晶圆级测试可以有效剔除不良产品，提高成品率，极大降低生产成本。常规来讲，一款MEMS传感器三分之一成本在于封装测试，另外两个部分分别为研发及市场投入和流片费用。相比传统IC产品，MEMS传感器封测成本十分昂贵，如果在系统封测之前就对成品率相对较低的微结构进行晶圆级测试，显然能够提高成品率，降低生产成本。图1为典型的MEMS传感器品质因数测试曲线。一般需要微小信号拾取探针卡，以及一台动态信号分析仪搭建起来进行测试。Q值的测试可以很全面的评估传感器的真空度保持情况、微结构的谐振频率，各模态的频率，器件的灵敏度等是否满足设计要求。

　　晶圆级MEMS传感器测试如此重要，然而相关性专用测试设备以及标准空白或者极少，研发公司或制造商很难找到与产品晶圆级测试高度吻合的测试设备，并且价格相当昂贵，例如一台硅麦的全自动测试机标价高达30万人民币。其原因主要有：

　　1.专用测试设备存在技术壁垒

　　微结构的信号十分微弱，比如100nm的位移，10-20F的电容变化量，低于nV级的电压等等，这些信号经常被噪声淹没，极易受到干扰，专用测试设备必须突破微小信号检测技术壁垒。与传统混合信号IC测试相比而言，不仅仅提供电压或电流波形测试向量，采集IC输出结果进行处理和判断。需要考虑传感信号的屏蔽，微小信号拾取等高精尖检测技术，这些技术都有专门公司进行研究并申请专利，一些国家还限制该类设备或技术的对外应用。传感器晶圆级测试必需通过探针卡或探针可靠接触，必需考虑噪声干扰，能够精确反应传感量，确实具有挑战性，难度较大。

　　2.专用测试设备很难提升其通用性

　　因为感知物理量不一致，感知原理不尽相同，传感器圆片级检测原理不尽相同。从检测原理来讲有电荷式、电容式、压阻式、压电式等，对于一台测试设备来讲，很难完全满足各种原理的微传感器测试要求。

　　从激励源的角度讲，需要测试设备提供声、光、电、磁、热、力、旋转、振动等物理激励。一台设备也是很难提供多种物理激励的。

　　3、专用测试设备需要满足不同测试环境条件

　　有些传感器需要真空环境，有些运动检测类陀螺仪、加速度计或磁力计需要精确角速度旋转或精确的方向姿态控制。还有一些传感器需要极低温度或超高温度。有些传感器测试需要提供50~150V高压偏置，并且偏置电压稳定度还影响传感器性能测试结果。

　　1.2采用一种架构多种组合的思路解决晶圆级测试

　　首先，需要MEMS传感器行业尽快制定圆片级的测试标准及纲要，尽快推进标准化进程。

　　其次，基于标准和规范，再推出一个MEMS传感器晶圆级测试通用平台，借鉴IC测试台思路，在数据采集处理方面可以与集成电路相似。而在探针卡上面需要结合不同传感器推出不同功能探针卡，比如被测晶圆是电容式检测的，就采用带电容检测类的专用屏蔽探针。如果激励不同，也可以在通用平台上加装不同激励模块，形成一个闭环的测试平台。简而言之，在开放的平台上，通过选用不同检测探针和激励模块可以搭建满足不同种类MEMS传感器的晶圆级测试平台。

　　展望MEMS晶圆级测试，这种没有专用测试设备的状况可能会持续一段时间，基本上是研发公司和代工厂针对自身产品寻求专用设备开发。5年之内，随着MEMS传感器产业的崛起，会有更多的设备提供商与代工厂或研发公司共同开发全定制的一些专用测试设备，会有一些技术强大的设备提供商称为行业的领导者，5年之后会有基于开放平台采用不同探针卡组合搭积木的测试设备出现。

　　二、MEMS传感器成品级测调及标定

　　2.1成品级测试现状及问题

前面主要对圆片级测试，主要针对微感结构进行了分析，本节主要对封