圆片级测试MEMS器件的解决之道

MEMS产业发展十分迅速，但是人们常常忽视对其的早期测试。乍一看来，MEMS器件和传统IC器件的制造十分相似，但是，由于MEMS器件具有额外的机械部分（大多是可活动的）和封装，这些部分的成本通常占其总成本的大部分，因此MEMS器件的特性比传统IC器件要复杂得多，而且各不相同。

有很多原因都可以说明在MEMS封装之前进行测试是有好处的：封装工艺的成本很高。在最终封装之后经过测试发现失效的器件浪费的不仅是资金，而且包括研发、工艺利用和投片的时间。在生产的早期就进行功能测试、可靠性研究和失效分析对于微系统的商业化是至关重要的，因为它能够降低生产成本，缩短上市时间。

分段测试目标

在MEMS产品开发周期三个阶段的每一阶段都有独特的测试目标和需求，会产生截然不同的结果。
在产品的研发阶段，要验证器件是否能够正常工作以及是否可制造。在这一阶段，圆片级测试能够对器件进行早期的特征分析，这最高能够将研发时间和研发成本降低到15%。此外，可靠性问题是MEMS器件成功实现商业化应用的关键。因此，在研发阶段进行圆片级测试是非常必要的。

在试生产阶段，目标是验证大量生产情况下的可制造性，并形成一个生产-设备解决方案，制订量产的测试需求。这里，通过圆片级测试可以减少研发时间和成本。

图1 MEMS器件的早期测试能够降低成本提高成品率

在量产阶段，目标是实现最大的产能并降低成本。由于MEMS生产的典型成品率比IC生产低得多，并且成本分解表明制造成本的60%～80%都是在封装过程中以及封装之后引入的，因此对于MEMS的量产而言，早期测试能够大幅度降低成本（如图1所示）。具体节约的成本取决于实际生产环境和MEMS元件的类型。

然而，有利于早期测试的标准的、现成的测试设备对于大多数制造商而言是很难获得的。除了电气仿真和电气测量之外，可能还需要利用光、振动、流体、压力、温度、化学或应力仿真对器件进行测试。

对于某种输入的仿真，测试人员除了要检测并测量这种仿真产生的机械、光学或电信号之外，可能还需要测量所有这些分类信号。器件可能需要在一种受控的环境下进行测试，以保护该器件免受环境的损坏，或者正确模拟该器件被封装之后所在的工作环境。

MEMS测试设备的类型

自从2000年以来，SUSS MicroTec公司就提供了圆片级测试技术和设备，支持压力传感器、射频MEMS、谐振器、微镜、气体传感器、微辐射热测量计等器件的圆片级测试。该设备采用了最新的MEMS测试技术研制而成，主要受用户需求的驱动。

当前的圆片级MEMS测试系统基于两种平台：开放式和封闭式。在半导体行业，圆片级测试是采用圆片探针来执行的。圆片上的器件必须与探针卡或单个探针形成可靠的接触，从而与测试仪形成电气连接。
这种系统执行MEMS测试方面的能力是有限的，但是通过增加适当的模块进行非电气仿真和/或检测非电气输出，圆片探针可以扩展成开放式统一测试平台，这种平台根据测试需求很容易进行重构（如图2所示）。这种开放式平台非常适合于测试微分和绝对值压力传感器、麦克风和微镜。

图2 诸如PA200之类的开放式测试系统配合PPM和MSA-500可以通过重构满足这些测试需求

工作在真空或某些特殊气体环境下的MEMS器件在圆片级测试阶段就需要这种环境。此外，生长可靠性问题的研究无法在开放式系统上进行评估；它们需要精确控制的测试环境。

要想在圆片级进行这些测试工作，必须将圆片探测器放在一个测试容器中（如图3所示）。该容器可以是真空的或者充满不同的气体，在测试过程中容器内的气压可以在高真空和小幅正气压之间调节。同时，真空探测器中的圆片温度可以控制在-60～200℃之间，或者降低到77K（液氮）或4.2K（液氦）的低温。

与开放式平台类似，封闭式平台中可以适当增加某些非电气仿真模块和/或非电气输出值检测模块。这种封闭式平台尤其对于射频MEMS、MEMS谐振器、微辐射热测量计和惯性传感器（如加速度计和陀螺仪）的测试非常有用。

进行之中的工作

今后MEMS领域的任务包括最终封装测试和圆片级测试的标准化、制订设计规则以简化MEMS器件的测试、扩展设备和技术平台以覆盖今后的新型MEMS器件。

图3 真空探测器为可靠性评测提供了一种高度受控的封闭式环境

为了应对圆片级MEMS测试面临的挑战，来自业界、研究机构和学术界的一些MEMS测试专家组成了一个开放式团体——MEMUNITY。利用MEMUNITY提供的专家资源和技术实力，过去两年中圆片级测试技术领域取得了多项研究成果，包括全球唯一的压力容器探测系统。

最近，MEMUNITY完成了协同PAR-TEST项目的工作，该项目的研究目标是定义MEMS器件生产中所用材料的特性，使工程人员可以利用这些特性。更明确的是，人们研究了一些高级测量技术，能够使工程人员判断出MEMS器件生产中所用材料的质量参数——这些参数对于工艺控制是非常关键的。

MEMUNITY协同的PAR-TEST项目的一项成果是开发出了一种集成式圆片级MEMS器件测试系统，该系统采用了一种活动的膜片（membrane），例如在压力传感器中。该测试系统是一种半自动探测系统（SUSS PA200），具有精确、自动的定位和圆片绘图功能，通过一个静电探针卡驱动膜片，利用一个激光多普勒计（Polytec MSA-500）测量面外（out-of-plane）运动。通过测量本征频率可以提取到该膜片的特征参数，所得到的数据结果用于优化器件设计和制造工艺，以及确定好坏的管芯测试。