【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(lái)，MEMS器件和傳統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(dòng)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IC器件要復雜得多，而且各不相同。
有很多原因都可以說(shuō)明在MEMS封裝之前進(jìn)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(guò)測試發(fā)現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(shí)間。在生產(chǎn)的早期就進(jìn)行功能測試、可靠性研究和失效分析對于微系統的商業(yè)化是至關(guān)重要的，因為它能夠降低生產(chǎn)成本，縮短上市時(shí)間。
分段測試目標
在MEMS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期三個(gè)階段的每一階段都有獨特的測試目標和需求，會(huì )產(chǎn)生截然不同的結果。
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，圓片級測試能夠對器件進(jìn)行早期的特征分析，這最高能夠將研發(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)現商業(yè)化應用的關(guān)鍵。因此，在研發(fā)階段進(jìn)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(gè)生產(chǎn)-設備解決方案，制訂量產(chǎn)的測試需求。這里，通過(guò)圓片級測試可以減少研發(fā)時(shí)間和成本。
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(shí)現最大的產(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）。具體節約的成本取決于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境和MEMS元件的類(lèi)型。
然而，有利于早期測試的標準的、現成的測試設備對于大多數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(dòng)、流體、壓力、溫度、化學(xué)或應力仿真對器件進(jìn)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(xué)或電信號之外，可能還需要測量所有這些分類(lèi)信號。器件可能需要在一種受控的環(huán)境下進(jìn)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(lèi)型
自從2000年以來(lái)，SUSS MicroTec公司就提供了圓片級測試技術(shù)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(shù)研制而成，主要受用戶(hù)需求的驅動(dòng)。
當前的圓片級MEMS測試系統基于兩種平臺：開(kāi)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(lái)執行的。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，從而與測試儀形成電氣連接。
這種系統執行MEMS測試方面的能力是有限的，但是通過(guò)增加適當的模塊進(jìn)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(kāi)放式統一測試平臺，這種平臺根據測試需求很容易進(jìn)行重構（如圖2所示）。這種開(kāi)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(fēng)和微鏡。
圖2 諸如PA200之類(lèi)的開(kāi)放式測試系統配合PPM和MSA-500可以通過(guò)重構滿(mǎn)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(cháng)可靠性問(wèn)題的研究無(wú)法在開(kāi)放式系統上進(jìn)行評估；它們需要精確控制的測試環(huán)境。
要想在圓片級進(jìn)行這些測試工作，必須將圓片探測器放在一個(gè)測試容器中（如圖3所示）。該容器可以是真空的或者充滿(mǎn)不同的氣體，在測試過(guò)程中容器內的氣壓可以在高真空和小幅正氣壓之間調節。同時(shí)，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(kāi)放式平臺類(lèi)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(jìn)行之中的工作
今后MEMS領(lǐng)域的任務(wù)包括最終封裝測試和圓片級測試的標準化、制訂設計規則以簡(jiǎn)化MEMS器件的測試、擴展設備和技術(shù)平臺以覆蓋今后的新型MEMS器件。
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，來(lái)自業(yè)界、研究機構和學(xué)術(shù)界的一些MEMS測試專(zhuān)家組成了一個(gè)開(kāi)放式團體——MEMUNITY。利用MEMUNITY提供的專(zhuān)家資源和技術(shù)實(shí)力，過(guò)去兩年中圓片級測試技術(shù)領(lǐng)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。
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(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——這些參數對于工藝控制是非常關(guān)鍵的。
MEMUNITY協(xié)同的PAR-TEST項目的一項成果是開(kāi)發(fā)出了一種集成式圓片級MEMS器件測試系統，該系統采用了一種活動(dòng)的膜片（membrane），例如在壓力傳感器中。該測試系統是一種半自動(dòng)探測系統（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)靜電探針卡驅動(dòng)膜片，利用一個(gè)激光多普勒計（Polytec MSA-500）測量面外（out-of-plane）運動(dòng)。通過(guò)測量本征頻率可以提取到該膜片的特征參數，所得到的數據結果用于優(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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