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攻克MEMS产业短板,Salland Engineering加速MEMS测试
2020-01-12 08:57:28   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

我们的世界对MEMS传感器的需求变得越来越多。然而,目前芯片产业在大批量生产MEMS方面仍缺乏高效的测试技术。来自荷兰兹沃勒(Zwolle)的MEMS测试厂商Salland Engineering公司希望在2020年能改变这一现状。

我们的世界对MEMS传感器的需求变得越来越多。然而,目前芯片产业在大批量生产MEMS方面仍缺乏高效的测试技术。来自荷兰兹沃勒(Zwolle)的MEMS测试厂商Salland Engineering公司希望在2020年能改变这一现状。

据麦姆斯咨询介绍,近几十年来,微机电系统(MEMS)已取得了瞩目的成功。它在不知不觉中,稳步地渗透到几乎所有需要获取环境信息的应用中。

独立可定制的MEMS传感器已在一些高度专业化的应用中使用。但在某些情况,该技术也可以集成到CMOS芯片中。这使得MEMS可以满足最大的消费电子产品市场的高要求:小尺寸、低成本、增强功能。导航、高度测量以及运动追踪,所有这些都可以利用MEMS传感器提供的数据实现。

MEMS是典型的利基市场,Salland Engineering首席执行官Paul van Ulsen表示乐意参与其中

MEMS是典型的利基市场,Salland Engineering首席执行官Paul van Ulsen表示乐意参与其中

MEMS技术不再局限于汽车行业。90年代,MEMS加速度计曾在汽车安全气囊中大受追捧。如今,它们得到了更广泛的应用,比如:运动、压力、光、湿气、声音和超声波等,所有这些都可以通过MEMS技术测量。

随着物联网和大众对环境和健康相关信息永无止境的追求,MEMS传感器的需求与日俱增。研究机构Yole预测MEMS市场将在2019年至2024年期间实现显著增长:市场营收的复合年增长率约为8.3%,出货量的复合年增长率约为11.9%。其中,消费类市场仍然占据最大的份额(超过60%)。(参考资料:《MEMS产业现状-2019版》

挑战

据麦姆斯咨询报道,由Salland Engineering举办的Salland MEMS研讨会上,传统的MEMS测试已达到了极限正成为大家的共识。Salland的测试专家们与国际MEMS专家们共同讨论了下一代MEMS产品的趋势、挑战和解决方案。Nigel Beddoe是来自美国加州宝威(Poway)的MEMS测试设备厂商Cohu的专家,他说道:“随着用于家庭健康监测的便携式应用和系统的增长,现在MEMS技术的挑战在于它的最终决定关乎人的生死。这意味着芯片的设计、封装、最终测试和最终应用者之间需要更加紧密的合作。”

Beddoe明确表示,Cohu在测试质量和生产效率方面正面临越来越多的技术限制。他解释说,对于信噪比为70dB的最先进的MEMS麦克风,实际上还没有好的测试方法,而目前信噪比为75dB的MEMS麦克风已经在开发中了。Cohu的测试机器可一次同时测试256颗大小为0.8 mm x 0.8 mm的MEMS元件。Beddoe告诉研讨会的听众:“这确实是目前我们所能做到的极限了。”直接裸片组装的MEMS元件也越来越普遍。Beddoe说:“测试这些易碎的芯片级元件确实是很大的挑战。”

Cohu在研讨会上强烈呼吁:“芯片设计人员在继续设计更小的MEMS时,并不关心在“24小时/7天”全天候大批量生产时如何测试它们。在设计评审期间,甚至在决定采用哪种封装形式和如何给出正确的激励测试前,大家应当坐下来一起讨论。”Beddoe指出,在保证测试规范所要求的准确性方面,Cohu也在接近极限。“所以,在设计阶段也需要考虑这些极限。”

基本工具

MEMS是典型的利基市场,即它需要快速测试解决方案来验证终端芯片。Salland Engineering首席执行官(CEO)Paul Van Ulsen表示乐意参与到这个领域中。根据公司原型测试的结果,Van Ulsen表示:“我们有希望将测试的时间减少近一半。”在某些情况下,测试时间甚至可以减少到很小。“这个月,我们已经开始在验证客户的芯片。”Van Ulsen希望能够在明年初交付硬件。

Salland Engineering致力于测试市场领域的创新。在新的芯片产品投入生产之前,他们的专家已经在与芯片制造商讨论开发技术以在生产线末端验证其电路。

Van Ulsen不仅与半导体制造商打交道,还与Advantest、Cohu(前身为LTX-Credence)或Teradyne等自动测试设备(ATE)的供应商交易往来。他们提供基本工具,包括信号处理和测试数据分析的强大计算机。这些昂贵的测试单元使用期限可持续15到20年,但是由于技术开发的快速发展,它们需要不断的技术更新,而这正是这家兹沃勒公司的专长。

Salland Engineering表示,他们现在已经准备好了电源、仪器模块、测试程序、测试协议和接口硬件,用于实现MEMS的ATE设备扩展。目前测试封装好的MEMS器件的方法是使用物理激励,例如,通过轻敲MEMS加速度计来测量其响应。Salland Engineering表示,在很大程度上该方法可以用电信号测试来代替,用于测试晶圆级芯片。晶圆级测试可以在高度并行的情况下进行,这大大提高了测试速度。

MEMS的主要挑战是测量很小的电流和电容量来感知物理变化。无论如何,测量精度都需要大大提高。Van Ulsen说:“对于IC芯片,我们讨论的是微安(uA)级,而在MEMS测试中,它的大小是皮安(pA)和飞法(fF),小了一千倍。此外,MEMS元件的尺寸有时还不到1平方毫米。它需要很多新技术来处理。”

两种趋势

加速度计是最常见的MEMS器件之一,其传统形式是由悬挂在弹簧上的质量块组成。如果该质量块受物理激励发生移动,其运动或振动可以通过多种方式获取:电容式、压电式、压阻式、热式、光学式或隧穿式。MEMS设计人员的工具包似乎无穷无尽。

MEMS加速度计用在安全气囊系统中已经超过三十多年,但是如今,这些传感器也可以用在无人机、游戏机、手机、运动手表、GPS设备、医疗应用等。MEMS已经从独立的器件发展到集成的六轴甚至九轴组合传感器。

MEMS技术的进步令人震惊,尽管最初的MEMS旋转传感器只检测到1.5度的旋转,但现在常见的是0.1度,而不久后将达到0.05度。陀螺仪和电子罗盘的应用将受益于这种精度。MEMS气压计首次面市时精度在米级,现在的标准是25厘米。对于MEMS麦克风,当前标准的信噪比为55dB,最高能到70dB,但对智能手机而言,75dB的MEMS麦克风已经在开发中了。

MEMS的发展主要呈现两种趋势。由于对小尺寸和低成本的要求,越来越多的MEMS技术被集成到芯片中,或者先进封装中。例如,博世(Bosch)推出了一款系统级封装MEMS传感器,其集成了14位的三轴加速度计、16位的三轴陀螺仪和三轴的磁力计,所有的这些元件再与32位微控制器一起封装在大小只有5.2 x 3.8 x 1.1立方毫米的模块中。(参考资料:《博世BMF055:9轴运动传感器+传感器中枢》

两个步骤

大多数芯片制造商仍然使用机架和堆栈设备测试MEMS组件,即使用标准仪器自建单元以适当的速度测试传感器。Cohu是少数可提供物理测试专用仪器的供应商。Van Ulsen认为Salland Engineering可以将最新的MEMS测试技术补充进来。“我们的目标不仅仅是进行MEMS的物理激励,还包括电信号激励。”

Van Ulsen预测,MEMS测试过程未来主要由两个步骤组成。第一步,芯片制造商通过物理信号表征其器件,以验证设计。“如果您确认设计是好的并了解传感器的特性,那么在大批量生产中,您可以减少自己的工艺验证:是对还是错?我们认为,这完全可以在晶圆级以并行的电性测试方式进行,或者很大程度上在元件封装后进行:以此决定这种芯片是否可以大批量生产,从而最终降低测试成本。”

Van Ulsen确信在MEMS世界,总有一些任务关键型应用需要进行物理测试。“汽车行业需要100%的安全性,并且可能不会很快切换到单独的电性测试。“但是,即使您只做部分电性测试和随机的物理测试,也可以将测试时间减少一半甚至更多。”

延伸阅读:

《MEMS产业现状-2019版》

《自动驾驶汽车传感器-2018版》

《高端惯性系统市场与技术-2017版》

《霍尼韦尔9轴MEMS惯性传感器:HG1120CA50》

《霍尼韦尔6轴MEMS惯性传感器:HG4930CA51》

《ADI精密6轴MEMS惯性传感器:ADIS16460》

《苹果iPhone X中的博世6轴IMU》

《博世BMF055:9轴运动传感器+传感器中枢》 

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