2014年05月21日

让你领会MEMS晶圆级测试体系

  微机电体系(MEMS)属于21 世纪前沿手艺,是对MEMS加快度计、MEMS 陀螺仪及惯性体系的总称。MEMS 器件特性尺寸主毫米、微米以至到纳米量级,涉及机器、电子、化学、物理、光学、生物、资料等多个学科。正在产物的研造方面,可以大概显著提拔配备轻量化、小型化、切确化战集成化水平,因而使用极为普遍。

  微机电体系(MEMS)属于21 世纪前沿手艺,是对MEMS加快度计、MEMS陀螺仪及惯性体系的总称。MEMS器件特性尺寸主毫米、微米以至到纳米量级,涉及机器、电子、化学、物理、光学、生物、资料等多个学科。正在产物的研造方面,可以大概显著提拔配备轻量化、小型化、切确化战集成化水平,因而使用极为普遍。MEMS产物造造与典范的IC 最大区别正在于其含无机器部门,封装关键占整个器件本钱的大部门,若是正在最终封装之后测出器件失效不单华侈本钱,还华侈了钻研战开辟(R&D)、工艺历程战代工时间,因而,MEMS产物的晶圆级测试正在晚期产物功效测试、靠得住性阐发及失效阐发中,能够低落产物本钱战加快上市时间,对付微机电体系财产化很是环节。

  晶圆级测试手艺使用于MEMS产物开辟全周期的3个阶段:(1)产物研发(R&D)阶段:用以验证器件事情战出产的可行性,得到晚期器件特性。(2)产物试量产阶段:验证器件以较高造品率量产的威力。(3)量产阶段:最大化吞吐量战低落本钱。本文阐发了国内战国际MEMS晶圆级测试体系硬件战体系手艺隐状,参照下表中的RM 8096战RM 8097,给出了国内隐有问题的处理方案。

  正如弁言所说,正常MEMS产物的造品率比IC产物要低良多,本钱阐发发觉60%~80%的造形成原来自于封装阶段,图1中当造品率为50%时,采用晶圆级测试的芯片能节流30%总本钱,可见采用晶圆级测试手艺,能够极大低落MEMS量产本钱,提高器件靠得住性。

  国内而言,某些高校均成立了办事于本身MEMS出产线的晶圆级测试体系,如大学、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。测试体系按照产物特点布局战功效各别,此中,航天新锐公司正在MEMS晶圆级测试体系的研造方面劣势较着,推出了LS1100系列MEMS晶圆片全参数主动测试体系。测试产物包罗流量计、加快度计、陀螺仪等。测试体系由探针台战一系列丈量仪器,用于丈量晶圆片的动态参数战静态参数。体系测试速度到达8s/芯片;圆片最大为6 in(1 in=2.54 cm);参量包罗细小电容(最低10aF)、电阻(1~1G)、固有频次(最高20kHz)、质量因数(最高200000)、带宽(最高10kHz)共5种,精确度最高达1%。

  国际上,早正在1995年,Beiley M等人提出了一种阵列布局的薄膜式探卡,该探卡采用聚酰亚胺作为薄膜,并将探针作到薄膜傍边;2002年,由Park S等人提出了Ⅲ型硅片研造的悬臂梁布局探卡,能够必然的接触力,并能使探针针尖发生足够的位移,因而,目前国际上通用的探卡情势为该种情势。

  国内而言,出产商利用MEMS悬臂梁式芯片测摸索卡开展晶圆级测试事情。探卡的次要机能包罗机器方面以及电学方面特征。探卡的机器特征次要通过检测悬臂梁的弹性系数来丈量。近年来,纳米压痕手艺曾经成为MEMS布局机器特征测试的一个主要手段。Nano Indenter XP纳米压痕体系,正在探针针尖上一个逐渐增大的接触力,可得力位移直线,加载与卸载历程的力-位移直线险些重合,申明悬臂梁正在整个受力历程中没有发生塑性变形。半导体探针测试台能够检测探卡的电学特征。开形态时,正在相邻两个悬臂梁针尖上加上20 mV的直流电压,测得泄电流仅为0.04 pA,即开下相邻悬臂梁探针之间的绝缘电阻高达500G。而正在探卡针尖彼此短接时,能够测得通电阻约为1.6 。也就是说,对付一个悬臂梁,其探卡后背的针尖到探卡的引线 ,这已到达目前芯片测试的根基要求。别的,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,仅为0.02~0.03pF。综上,国内此类布局的探卡正在机器机能战电学机能方面均餍足MEMS晶圆级测试体系批量测试的要求。

  外洋MEMS成幼很是注重根本手艺特别是测试手艺的扶植,成立了响应的尝试室,如美国的MCNC、SANDIA国度尝试室、的BOSCH尝试室等。别的,建立于2003年的MEMUNITY是微体系测试手艺范畴的国际性组织,次要钻研微机器产物的计量与测试。通过钻研晶圆级测试手艺所用的安装,低落MEMS产物出产本钱,鞭策微电子机器体系的贸易化。该组织次要方针是领会下一代微机电体系机器战电机能的丈量手艺最新进展,会商晶圆级测试计谋战尺问题。晶圆级测试手艺范畴与得了多项钻研。比来,MEMUNITY完成了协同PAR-TEST项目标事情,项目标是开辟出了一种集成式晶圆级MEMS器件测试体系。该测试体系是一种半主动探测体系(SUSS PA200),拥有切确、主动的定位战圆片画图功效,通过一个静电探针卡驱动膜片,一个激光多普勒计丈量面外活动。通过丈量本征频次能够提与特性参数,所获得的数据用于优化器件设想战造造工艺,以及确定黑白的管芯测试。

  我国MEMS晶圆级测试手艺钻研始于20世纪90年代初,颠末20年的成幼,开端构成了几个钻研气力比力集中的地域,如京津、华东、东北、西南、西北地域等。因为MEMS晶圆级测试的对象为立体微布局,其测试手艺与保守IC晶圆测试比拟有很大分歧,难点次要表隐正在3个方面:待测芯片为纯机器布局,无任何电元件;芯片的信号很是幽微,如电容量仅为aF级,提与坚苦,抗滋扰威力差;测试项目除了静态测试之外,还必要大量动态目标测试,如谐振频次、阻尼系数、带宽等。前文中提及国内航天新锐的测试手艺处于国内领先职位地方,出格是采用低寄生参数探针、公用细小电容检测电、检测电与探卡集成、屏障与隔振、寄生参数弥补五种手艺减小寄生参数看待测电容的影响,真隐细小电容检测。

  目前,国内MEMS晶圆级测试体系次要开展的是晶圆片电参数的丈量,而国际上针对此部分的钻研曾经趋于成熟,国际上针对芯片战产物的力学参数开展了大量钻研,下面一一论述。

  国际上采用美国国度尺度手艺钻研院的Janet Cassard提出的供给了一种五合一的尺度物质(reference material, RM)处理MEMS晶圆级测试体系的验证。这种尺度物质是一种拥有测试布局的芯片,这种测试布局是通过五种尺度的测试方式获与资料战空间特征的。客户能够通过将尺度物质正在本机构测试体系中的测试数据与此尺度物质正在NIST(国度尺度手艺钻研院)的统一测试体系中所得数据进行比对来进行溯源。别的,五合一MEMS还能够使用于历程丈量及验证、客户体系当地丈量、尝试室比对、胶葛及仲裁、仪器的校准等方面。

  MEMS五合一芯片是用以丈量空间战资料特征的NIST尺度物质,分为RM8096战RM8097。RM8096是用1.5m的化合物半导体(CMOS)工艺线战显微机器加工刻蚀造成的。据报道此尺度物质的每一层均为化合物氧化层。RM8097是由多层概况显微机器加工MEMS多晶硅的后背刻蚀手艺造成,此中第一、第二层的多晶硅资料特征是公然报道的。

  “五种尺度测试方式”用于MEMS五合一芯片的特征测试,别离为:杨氏模量、台阶高度、应变、应变梯度以及平面幼度。此中,杨氏模量战台阶高度的测试方式曾经正在“国际半导体仪器战资料(SEMI)”被报道,而应变、应变梯度、平面幼度三者的丈量方式由“美国国际丈量&资料结合社(ASTM)”公然报道,上述每种丈量方式均有一系列的精确度战修负数据。

  “8个手艺特征”是尺度物质证书中拥有代表性的典范参数,即前文论述中提到的五种加上以下三种:应力、应力梯度、横梁厚度。应力战应力梯度是通过杨氏模量测试方式计较获得的;横梁厚度特征是RM8096通过基于电物理手艺、加上RM8097通过光机器手艺,使用台阶高度丈量方式得到的(正在NIST特刊SP260177中提及)。因而,五种测试方式能够用于得到8个手艺特征参数。

  正如枚举的各个测试方式所涉及的,杨氏模量的测试方式利用的是光学振动计、频闪不雅测仪的激光仪或同类仪器。其它四种丈量方式利用的是光学激光仪战针式概况光度计或同类仪器。MEMS计较器可对MEMS特征参量进行数据阐发。正在每一个数据阐颁发单的最下方有检定区。若是所有的有关单位均显示“OK”,则数据验证通过;不然,特定区域会提醒“修负数据并主头计较”。

  每一个“五合一芯片”均附带尺度物质证书一份,包罗响应数据阐颁发单、五种丈量方式战NISTSP260-177。附带的响应数据阐颁发单给出了对应丈量方式的特殊测试布局,同时包罗用于正在NIST获与尺度物质证书中丈量的原始数据。SP260是一本片面的MEMS五合一用户利用手册;它列出了基于NIST不异丈量布局的统一SEMI或ASTM尺度丈量方式;同时,保举一种可与NIST尺度物质证书比拟较的丈量方式,以验证用户文件尺度丈量方式的准确性。

  我国目前曾经购买或组筑多台MEMS晶圆级测试体系,验证手段尚处于空缺阶段。因为国内尚无针对此类公用测试设施的尺度物质战尺度样片,因而,测试体系的精确度战分歧性验证问题尚未处理,仍逗留正在“单台仪器装分计量”的层面,未开展体系的全体校准事情,各体系参数无奈溯源到探针端面,难以MEMS产物参数的精确战分歧性,为产质量量埋下隐患。

  无论主硬件构成仍是主测试手艺战验证手段比力,目前咱们与国际另有必然的差距,次要表隐正在3个方面:

  1)缺乏尺测试硬件体系。虽然晚期测试有诸多益处,但对大部门造造商来说很难找到尺、运转的测试体系,且尚无统一的测试尺度可依循。MEMS测试必需通过增添恰当的模块进行非电鼓励输入丈量战非电信号输出检测,晶圆探针能够被扩展成一个的、通用的测试平台,按照测试必要能够便利地调解。整个平台能够用于测试分歧的产物如:压力传感器、微麦克风战微镜等。

  2)测试手艺有待提高。正在鼓励信号方面,除了电鼓励战电测试之外,器件可能还必要进行声学、发光、振动、流体、压力、温度、化学或动力鼓励输入;正在测试平台方面,器件可能必要的平台且正在受控的中测试才能器件不受的毁伤或准确地正在封装的内鼓励器件。MEMS器件的晶圆级测试能够正在测试所需的真空中或正在特殊的气体中操作,必要切确可控的测试。

  3)体系验证手段空缺。目前国内的测试体系鉴于晶圆级测试的微不雅性战用于探针结尾的尺度样片的缺乏,无奈主精确度方面临其进行量值传迎,主而难以其溯源性,无奈阐扬晶圆级测试的优胜性,难以保障剔除芯片的合战精确性。

  产物的成幼而逐步成熟,跟着造造器件适用化、高靠得住性、本钱低廉的要求,测试体系呈隐了如下成幼趋向:将来或IC手艺研造高不变性尺度样片,是行之无效的校准方案;正在产等第测试方面,参照NIST的芯片增添外围电构成模块化的尺度测试平台的手段,处理非电信号鼓励下的测试难题,研造合适响应鼓励信号测试的尺度物质,与国际NIST尺度接轨,进一步赶超国际程度,提拔我国

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