揭秘：一篇文章让你了解MEMS晶圆级测试系统

微机电系统（MEMS）属于21 世纪前沿技术，是对MEMS加速度计、MEMS 陀螺仪及惯性导航系统的总称。MEMS 器件特征尺寸从毫米、微米甚至到纳米量级，涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多个学科。在产品的研制方面，能够显著提升装备轻量化、小型化、精确化和集成化程度，因此应用极为广泛。MEMS 产品制造与经典的IC 最大区别在于其含有机械部分，封装环节占整个器件成本的大部分，如果在最终封装之后测出器件失效不但浪费成本，还浪费了研究和开发（RD）、工艺过程和代工时间，因此，MEMS产品的晶圆级测试在早期产品功能测试、可靠性分析及失效分析中，可以降低产品成本和加速上市时间，对于微机电系统产业化非常关键。

晶圆级测试技术应用于MEMS产品开发全周期的3个阶段：（1）产品研发（RD）阶段：用以验证器件工作和生产的可行性，获得早期器件特征。（2）产品试量产阶段：验证器件以较高成品率量产的能力。（3）量产阶段：最大化吞吐量和降低成本。本文分析了国内和国际MEMS晶圆级测试系统硬件和系统技术现状，参照下表中的RM 8096和RM 8097，给出了国内现有问题的解决方案。

MEMS晶圆级测试系统硬件

1. 测试系统

正如引言所说，一般MEMS产品的成品率比IC产品要低很多，成本分析发现60%～80%的制造成本来自于封装阶段，图1中当成品率为50%时，采用晶圆级测试的芯片能节省30%总成本，可见采用晶圆级测试技术，可以极大降低MEMS量产成本，提高器件可靠性。

图1 有无晶圆级测试条件下总成本对比

国际上主流的MEMS开发厂商，如美国的德州仪器（TI）、模拟器件（ADI）、飞思卡尔半导体（Freescale）、Silicon Microstructures（SMI）公司，欧洲的Robert Bosch、意法半导体（ST），日本的丰田电装（DENSO）、欧姆龙（Omron）公司等均配备与MEMS晶圆级产品配套测试系统。

国内而言，某些高校均建立了服务于自身MEMS生产线的晶圆级测试系统，如清华大学、北京大学、复旦大学、东南大学、哈工大等；一些科研院所亦然，如中国电科49所、13所、26所、46所等。测试系统根据产品特点结构和功能各异，其中，航天新锐公司在MEMS晶圆级测试系统的研制方面优势明显，推出了LS1100系列MEMS晶圆片全参数自动测试系统。测试产品包括流量计、加速度计、陀螺仪等。测试系统由探针台和一系列测量仪器，用于测量晶圆片的动态参数和静态参数。系统测试速率达到8s/芯片；圆片最大为6 in（1 in=2.54 cm）；参量包括微小电容（最低10aF）、电阻（1Ω～1GΩ）、固有频率（最高20kHz）、品质因数（最高200000）、带宽（最高10kHz）共5种，准确度最高达±1%。

2. 专用探针卡

探卡是连接芯片管脚和标准仪器必要手段，是晶圆级芯片自动测试的核心部分。

国际上，早在1995年，Beiley M等人提出了一种阵列结构的薄膜式探卡，该探卡采用聚酰亚胺作为薄膜，并将探针做到薄膜当中；2002年，由Park S等人提出利用了Ⅲ型硅片研制的悬臂梁结构探卡，可以承受一定的接触力，并能使探针针尖产生足够的位移，因此，目前国际上通用的探卡形式为该种形式。

国内而言，生产商使用MEMS悬臂梁式芯片测试探卡开展晶圆级测试工作。探卡的主要性能包括机械方面以及电学方面特性。探卡的机械特性主要通过检测悬臂梁的弹性系数来测量。近年来，纳米压痕技术已经成为MEMS结构机械特性测试的一个重要手段。利用Nano Indenter XP纳米压痕系统，在探针针尖上施加一个逐步增大的接触力，可得力—位移曲线，加载与卸载过程的力-位移曲线几乎重合，说明悬臂梁在整个受力过程中没有产生塑性变形。利用半导体探针测试台可以检测探卡的电学特性。开路状态时，在相邻两个悬臂梁针尖上加上20 mV的直流电压，测得漏电流仅为0.04 pA，即开路情况下相邻悬臂梁探针之间的绝缘电阻高达500GΩ。而在探卡针尖相互短接时，可以测得通路电阻约为1.6 Ω。也就是说，对于一个悬臂梁，其探卡背面的针尖到探卡正面的引线点的互联电阻仅为0.8 Ω，这已达到目前芯片测试的基本要求。另外，利用一种半导体参数测试仪（HP4284A）测试了相邻两个探针引线焊盘之间的寄生电容，结果仅为0.02～0.03pF。综上，国内此类结构的探卡在机械性能和电学性能方面均满足MEMS晶圆级测试系统批量测试的要求。