本文將從MEMS傳感器晶圓級(jí)測(cè)試與成品級(jí)測(cè)試這兩個(gè)層面，淺析了目前現(xiàn)狀及問(wèn)題，提出了一些有待商榷的解決辦法。

　　一、晶圓級(jí)測(cè)試

　　1.1晶圓級(jí)測(cè)試現(xiàn)狀及問(wèn)題

　　一款MEMS傳感器一般包括微結(jié)構(gòu)、接口電路及算法。由于接口電路和算法本質(zhì)上就是IC，對(duì)于IC的晶圓級(jí)測(cè)試本文不做展開(kāi)，主要講述微結(jié)構(gòu)晶圓級(jí)測(cè)試，無(wú)論在產(chǎn)品研制還是量產(chǎn)階段微結(jié)構(gòu)晶圓級(jí)測(cè)試都具有舉足輕重作用。

　　在產(chǎn)品研制階段，晶圓級(jí)測(cè)試主要用于驗(yàn)證器件正常工作，工藝穩(wěn)定性和器件一致性。晶圓級(jí)測(cè)試可以獲得器件早期特性以及可靠性數(shù)據(jù)分析，這些對(duì)于MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)化來(lái)講至關(guān)重要。相比產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型后再進(jìn)行產(chǎn)品可靠性和失效驗(yàn)證，晶圓級(jí)微結(jié)構(gòu)測(cè)試能夠早期介入極大節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

　　晶圓級(jí)測(cè)試在產(chǎn)品量產(chǎn)階段可以驗(yàn)證傳感器件是否具備較高成品率，因?yàn)槲⒏薪Y(jié)構(gòu)成品率一般比接口ASIC要低很多，早期晶圓級(jí)測(cè)試可以有效剔除不良產(chǎn)品，提高成品率，極大降低生產(chǎn)成本。常規(guī)來(lái)講，一款MEMS傳感器三分之一成本在于封裝測(cè)試，另外兩個(gè)部分分別為研發(fā)及市場(chǎng)投入和流片費(fèi)用。相比傳統(tǒng)IC產(chǎn)品，MEMS傳感器封測(cè)成本十分昂貴，如果在系統(tǒng)封測(cè)之前就對(duì)成品率相對(duì)較低的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行晶圓級(jí)測(cè)試，顯然能夠提高成品率，降低生產(chǎn)成本。圖1為典型的MEMS傳感器品質(zhì)因數(shù)測(cè)試曲線。一般需要微小信號(hào)拾取探針卡，以及一臺(tái)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀搭建起來(lái)進(jìn)行測(cè)試。Q值的測(cè)試可以很全面的評(píng)估傳感器的真空度保持情況、微結(jié)構(gòu)的諧振頻率，各模態(tài)的頻率，器件的靈敏度等是否滿足設(shè)計(jì)要求。

　　晶圓級(jí)MEMS傳感器測(cè)試如此重要，然而相關(guān)性專用測(cè)試設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)空白或者極少，研發(fā)公司或制造商很難找到與產(chǎn)品晶圓級(jí)測(cè)試高度吻合的測(cè)試設(shè)備，并且價(jià)格相當(dāng)昂貴，例如一臺(tái)硅麥的全自動(dòng)測(cè)試機(jī)標(biāo)價(jià)高達(dá)30萬(wàn)人民幣。其原因主要有：

　　1.專用測(cè)試設(shè)備存在技術(shù)壁壘

　　微結(jié)構(gòu)的信號(hào)十分微弱，比如100nm的位移，10-20F的電容變化量，低于nV級(jí)的電壓等等，這些信號(hào)經(jīng)常被噪聲淹沒(méi)，極易受到干擾，專用測(cè)試設(shè)備必須突破微小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)壁壘。與傳統(tǒng)混合信號(hào)IC測(cè)試相比而言，不僅僅提供電壓或電流波形測(cè)試向量，采集IC輸出結(jié)果進(jìn)行處理和判斷。需要考慮傳感信號(hào)的屏蔽，微小信號(hào)拾取等高精尖檢測(cè)技術(shù)，這些技術(shù)都有專門公司進(jìn)行研究并申請(qǐng)專利，一些國(guó)家還限制該類設(shè)備或技術(shù)的對(duì)外應(yīng)用。傳感器晶圓級(jí)測(cè)試必需通過(guò)探針卡或探針可靠接觸，必需考慮噪聲干擾，能夠精確反應(yīng)傳感量，確實(shí)具有挑戰(zhàn)性，難度較大。

　　2.專用測(cè)試設(shè)備很難提升其通用性

　　因?yàn)楦兄锢砹坎灰恢拢兄聿槐M相同，傳感器圓片級(jí)檢測(cè)原理不盡相同。從檢測(cè)原理來(lái)講有電荷式、電容式、壓阻式、壓電式等，對(duì)于一臺(tái)測(cè)試設(shè)備來(lái)講，很難完全滿足各種原理的微傳感器測(cè)試要求。

　　從激勵(lì)源的角度講，需要測(cè)試設(shè)備提供聲、光、電、磁、熱、力、旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)等物理激勵(lì)。一臺(tái)設(shè)備也是很難提供多種物理激勵(lì)的。

　　3、專用測(cè)試設(shè)備需要滿足不同測(cè)試環(huán)境條件

　　有些傳感器需要真空環(huán)境，有些運(yùn)動(dòng)檢測(cè)類陀螺儀、加速度計(jì)或磁力計(jì)需要精確角速度旋轉(zhuǎn)或精確的方向姿態(tài)控制。還有一些傳感器需要極低溫度或超高溫度。有些傳感器測(cè)試需要提供50~150V高壓偏置，并且偏置電壓穩(wěn)定度還影響傳感器性能測(cè)試結(jié)果。

　　1.2采用一種架構(gòu)多種組合的思路解決晶圓級(jí)測(cè)試

　　首先，需要MEMS傳感器行業(yè)盡快制定圓片級(jí)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及綱要，盡快推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

　　其次，基于標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，再推出一個(gè)MEMS傳感器晶圓級(jí)測(cè)試通用平臺(tái)，借鑒IC測(cè)試臺(tái)思路，在數(shù)據(jù)采集處理方面可以與集成電路相似。而在探針卡上面需要結(jié)合不同傳感器推出不同功能探針卡，比如被測(cè)晶圓是電容式檢測(cè)的，就采用帶電容檢測(cè)類的專用屏蔽探針。如果激勵(lì)不同，也可以在通用平臺(tái)上加裝不同激勵(lì)模塊，形成一個(gè)閉環(huán)的測(cè)試平臺(tái)。簡(jiǎn)而言之，在開(kāi)放的平臺(tái)上，通過(guò)選用不同檢測(cè)探針和激勵(lì)模塊可以搭建滿足不同種類MEMS傳感器的晶圓級(jí)測(cè)試平臺(tái)。

　　展望MEMS晶圓級(jí)測(cè)試，這種沒(méi)有專用測(cè)試設(shè)備的狀況可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，基本上是研發(fā)公司和代工廠針對(duì)自身產(chǎn)品尋求專用設(shè)備開(kāi)發(fā)。5年之內(nèi)，隨著MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的崛起，會(huì)有更多的設(shè)備提供商與代工廠或研發(fā)公司共同開(kāi)發(fā)全定制的一些專用測(cè)試設(shè)備，會(huì)有一些技術(shù)強(qiáng)大的設(shè)備提供商稱為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，5年之后會(huì)有基于開(kāi)放平臺(tái)采用不同探針卡組合搭積木的測(cè)試設(shè)備出現(xiàn)。

　　二、MEMS傳感器成品級(jí)測(cè)調(diào)及標(biāo)定

　　2.1成品級(jí)測(cè)試現(xiàn)狀及問(wèn)題

　　前面主要對(duì)圓片級(jí)測(cè)試，主要針對(duì)微感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，本節(jié)主要對(duì)封裝好的MEMS成品級(jí)測(cè)調(diào)進(jìn)行淺析。這里不單是測(cè)試還包括調(diào)整補(bǔ)償和標(biāo)定，從字面上來(lái)理解，集成電路成品的測(cè)試無(wú)非是靜、動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試。對(duì)于傳感器產(chǎn)品來(lái)講，往往需要調(diào)整參數(shù)、補(bǔ)償輸出特性、標(biāo)定參數(shù)、最后才是測(cè)試性能。這也是封裝測(cè)式占據(jù)三分之一成本的原因之一。常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)類傳感器測(cè)試設(shè)備，如圖2所示。下面從以下幾個(gè)方面分析問(wèn)題和現(xiàn)狀：

　　集成電路測(cè)試時(shí)間直接影響測(cè)試成本，與IC測(cè)試不同，傳感器需要物理量激勵(lì)，而這些物理量激勵(lì)設(shè)備與測(cè)試臺(tái)提供電壓電流源信號(hào)最大不同在于建立時(shí)間。一個(gè)信號(hào)源可以以微秒級(jí)速度穩(wěn)定輸出給IC輸入端，這是很容易做到的。但是，轉(zhuǎn)臺(tái)無(wú)法在微秒內(nèi)穩(wěn)定輸出，被測(cè)陀螺儀也不可能有如此高響應(yīng)帶寬，從一個(gè)轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)，到穩(wěn)定后采集傳感器轉(zhuǎn)速，到轉(zhuǎn)臺(tái)停止，一般都是20s左右，與傳統(tǒng)電信號(hào)測(cè)試相差7個(gè)數(shù)量級(jí)。所以物理激勵(lì)與電激勵(lì)顯著差別就在測(cè)試效率上。其他類型MEMS傳感器測(cè)試都有這樣共性問(wèn)題。

　　有些傳感器需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，一般一個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間在1小時(shí)，低溫需要2小時(shí)才能達(dá)到平衡。溫度類測(cè)試都是比較耗時(shí)的。

　　測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化程度低，無(wú)法進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)試。比如轉(zhuǎn)臺(tái)、高低溫箱、振動(dòng)臺(tái)、離心機(jī)這些設(shè)備提供商只關(guān)心自身設(shè)備指標(biāo)情況，功能單一，手動(dòng)操作。雖然有控制接口和協(xié)議，還需研發(fā)公司自己再進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，才能完成全自動(dòng)測(cè)試。

　　2.2如何破解成品級(jí)測(cè)試問(wèn)題

　　向時(shí)間要效率，降低時(shí)間就是降低成本。成品MEMS產(chǎn)品測(cè)試核心問(wèn)題是如何縮短測(cè)調(diào)標(biāo)定時(shí)間。主要有以下幾個(gè)方面來(lái)縮短測(cè)調(diào)標(biāo)定時(shí)間。

　　在傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮成品測(cè)試快速性問(wèn)題，也就是說(shuō)MEMS產(chǎn)品通過(guò)模式切換，可以轉(zhuǎn)換成CBIT模式，即所謂的命令內(nèi)部自檢測(cè)。通過(guò)不同的測(cè)試命令字，MEMS產(chǎn)品內(nèi)部可以產(chǎn)生一個(gè)多頻合成電壓或電流激勵(lì)，經(jīng)過(guò)MEMS微結(jié)構(gòu)，檢測(cè)接口電路，數(shù)字算法電路，最終結(jié)果通過(guò)運(yùn)算比較后給出測(cè)試是否正確的標(biāo)志位。另外，也可以通過(guò)電信號(hào)等效為外加物理激勵(lì)，通過(guò)MEMS檢測(cè)電路后，應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)預(yù)期等效結(jié)果輸出。另外，一些帶寬測(cè)試，完全可以采用等效階躍信號(hào)注入到檢測(cè)環(huán)路中，不斷記錄檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)階躍或脈沖信號(hào)響應(yīng)序列，判斷響應(yīng)曲線上升時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間，可以計(jì)算出檢測(cè)系統(tǒng)阻尼系數(shù)，也能間接計(jì)算帶寬?？傊?，從系統(tǒng)的角度考慮測(cè)試效率提升可以極大降低物理激勵(lì)測(cè)試時(shí)間。這需要在MEMS產(chǎn)品ASIC設(shè)計(jì)階段就要去考慮，該功能的加入可以開(kāi)放給用戶，方便用戶在使用器件時(shí)也可以進(jìn)行內(nèi)部自檢測(cè)，證明MEMS傳感器功能性能正常。

　　提高工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性，盡量避免后修調(diào)和補(bǔ)償，因?yàn)楹笳{(diào)整和補(bǔ)償既增加測(cè)試時(shí)間，又增加了測(cè)試平臺(tái)硬投入。但話也不能說(shuō)死，如果要做高精度傳感器，除了工藝優(yōu)化之外，后調(diào)整和補(bǔ)償能夠顯著提升產(chǎn)品性能，一分錢一分貨，用戶也愿意為此買單。至于到底該不該加入后調(diào)整和補(bǔ)償，需要在測(cè)試成本與投入和市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的定價(jià)情況上折中考慮，當(dāng)然，與產(chǎn)品的定位也有很大關(guān)系。

　　盡量減少人為參與，增加全自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備。目前，設(shè)備基本不具備全自動(dòng)化功能，需要研發(fā)公司投人資金開(kāi)發(fā)全自動(dòng)的標(biāo)定測(cè)試平臺(tái)。隨著MEMS傳感器產(chǎn)品應(yīng)用越來(lái)越多，全自動(dòng)化的測(cè)試設(shè)備是市場(chǎng)剛需。測(cè)試設(shè)備廠商可以調(diào)研不同傳感器的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上尋找MEMS產(chǎn)品測(cè)試設(shè)備共性技術(shù)和相同點(diǎn)，推出滿足不同種類的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　本文從MEMS傳感器晶圓級(jí)測(cè)試與成品級(jí)測(cè)試兩個(gè)層面，淺析了目前現(xiàn)狀及問(wèn)題，提出了一些有待商榷的解決辦法。展望MEMS傳感器的測(cè)試，需要解決測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及方法的問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)部需要統(tǒng)一接口，統(tǒng)一測(cè)試方法。設(shè)備廠商也需要為產(chǎn)品的量產(chǎn)定制全自動(dòng)的測(cè)試平臺(tái)。代工廠也需要提供穩(wěn)定的工藝參數(shù)確保微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品一致性和成品率，設(shè)計(jì)人員也需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮可測(cè)試性設(shè)計(jì)，縮短測(cè)試時(shí)間等等。相信，未來(lái)幾年，目前的問(wèn)題會(huì)得到很多改善。