經(jīng)過二十余年產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，微機電系統(tǒng)（MEMS）行業(yè)正迎來關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期——從定制化測試解決方案向標準化設備與方法轉(zhuǎn)變。這一變化或預示著產(chǎn)業(yè)將逐步告別"應用定制化"的傳統(tǒng)模式。構(gòu)建標準化、通用化測試平臺，有望提升MEMS廠商效率、優(yōu)化成本、改善擴展性，并助力其在競爭日益激烈的市場環(huán)境中破局前行。

MEMS測試面臨的挑戰(zhàn)

自本世紀初以來，微機電系統(tǒng)（MEMS）器件已廣泛應用于消費電子（智能手機、可穿戴設備）、汽車系統(tǒng)（安全用慣性測量單元、胎壓傳感器）和醫(yī)療設備（血糖監(jiān)測儀、植入式傳感器）等眾多領域。

隨著需求激增，制造商面臨著雙重挑戰(zhàn)：既要交付高性能器件，又要應對產(chǎn)品平均售價下降而導致的利潤率下降難題。在此背景下，多數(shù)廠商會考慮以下幾種策略改善盈利：

• 實現(xiàn)更高產(chǎn)品良率（>95%）

• 建立標準化制造與測試體系

• 將封裝測試環(huán)節(jié)外包給專業(yè)供應商
  

其中，測試與校準環(huán)節(jié)的成本問題尤為突出。例如，需要復雜物理刺激和精密測量的高端MEMS器件，其測試成本可能占總生產(chǎn)成本的15%至30%。這使得測試環(huán)節(jié)成為優(yōu)化改進的關(guān)鍵。盡管技術(shù)不斷進步，但校準精度面對的挑戰(zhàn)仍然存在，這可能會制約MEMS產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

MEMS器件設計復雜且敏感，給測試帶來了獨特的挑戰(zhàn)。與主要處理電信號的傳統(tǒng)集成電路不同，MEMS器件通常涉及復雜的結(jié)構(gòu)以及機械、電氣、光學、熱學和化學元件之間的相互作用，需要跨多個領域進行精確的控制和測量。

以MEMS加速度計為例：它的功能依賴于微小質(zhì)量塊在加速度作用下的運動，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。測試此類產(chǎn)品不僅需要進行電氣測量，還需要施加精確控制的機械刺激。

同樣，壓力傳感器需要精確的壓力施加和測量，而陀螺儀則需要受控的角運動。由于它們是物理層面的接口，傳統(tǒng)的電氣測試不足以捕捉它們的機械特性。

它們測試的關(guān)鍵是向設備提供物理刺激，以激活設備內(nèi)部的換能器：輸入通過換能器轉(zhuǎn)換成電信號，然后進行處理。

對定制測試解決方案的依賴進一步加劇了這些挑戰(zhàn)。為每種特定的MEMS器件開發(fā)定制設備可能會延長新產(chǎn)品的開發(fā)周期，因為每個測試設置都需要從頭開始設計、構(gòu)建并驗證。

此外，這些定制解決方案通常缺乏可擴展性，導致產(chǎn)量提升困難且成本高昂。而將定制設備與其他制造系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析工具集成也是一個復雜且耗時的過程。

維護和升級定制設備通常需要專業(yè)知識，如果缺乏必要的專業(yè)知識，則會導致更高的運營成本和潛在的產(chǎn)能瓶頸。

MEMS測試設備標準化的必要性

測試在半導體制造中起著至關(guān)重要的作用，直接影響最終產(chǎn)品的成本。這對于MEMS器件而言更為明顯，因為傳統(tǒng)定制測試設備是針對特定應用而設計的，并不適用于其他類型的MEMS。

多年來，MEMS制造商和測試設備供應商為各種設備（無論是壓力傳感器、加速度計還是麥克風）開發(fā)了定制解決方案。然而，這種基于定制的方法在效率、成本效益和可擴展性方面均存在局限性。

定制測試裝置的開發(fā)和維護成本普遍較高，在小批量生產(chǎn)的情況下尤為突出。另外，它們通常缺乏靈活性，在不進行大規(guī)模重新設計的情況下很難適應不斷變化的測試要求或新的產(chǎn)品變化。

業(yè)界普遍認識到需要轉(zhuǎn)向標準化、可擴展和模塊化的測試設備及解決方案，以適應大批量生產(chǎn)線上的各種MEMS產(chǎn)品。

現(xiàn)代MEMS 產(chǎn)品（例如將多個傳感元件集成到單個芯片中的多傳感器融合設備）的復雜性不斷增加，進一步放大了這種需求，迫切需要全面且適應性強的測試方法。

標準化MEMS測試設備的優(yōu)勢

現(xiàn)代MEMS測試裝置包括分選機、測試資源以及一個可替換的測試單元，用于在電氣測試期間模擬器件。標準化解決方案的優(yōu)勢在于其靈活性——只需更換測試單元，即可將單個測試單元調(diào)整為用于測試各種MEMS器件。這種模塊化是通過通用的硬件和軟件架構(gòu)實現(xiàn)的，這些架構(gòu)允許集成針對特定MEMS系列定制的不同測試模塊。這種方法具有以下幾個關(guān)鍵優(yōu)勢：

• 跨應用、可復用：基于通用平臺構(gòu)建的標準化設備可應用于多種MEMS器件，無需為每種產(chǎn)品配備單獨的設備。例如，只需更換為每種器件類型提供必要物理激勵和測量功能的特定測試單元，即可使用相同的基礎ATE系統(tǒng)和測試分選器來測試加速度計、陀螺儀和壓力傳感器。這種可復用性顯著降低了測試設備的總資本支出。
  
• 更高效率：統(tǒng)一的測試設置可減少停機時間并最大限度地延長正常運行時間，使其成為大批量生產(chǎn)線的理想解決方案。標準化平臺通常具有優(yōu)化的測試序列和并行測試功能，可顯著縮短每個設備的總測試時間。此外，測試單元之間的切換非常便捷（通常在數(shù)小時內(nèi)），從而最大限度地減少了在不同 MEMS 產(chǎn)品之間切換時的生產(chǎn)中斷。標準化的維護程序和隨時可用的備件也有助于減少停機時間并提高設備的整體效率。
  
  
• 可擴展性：同一基礎設備可以通過根據(jù)需要添加或修改測試模塊，從工程和中批量生產(chǎn)擴展到批量生產(chǎn)。例如，制造商可以從單個測試單元開始進行初始產(chǎn)品開發(fā)，然后隨著產(chǎn)量的增加，可以輕松地將更多測試單元添加到同一標準化平臺上。這種可擴展性使公司能夠適應不斷變化的市場需求，而無需在完全不同的測試系統(tǒng)上進行大量新的投資。模塊化設計還允許根據(jù)需要逐步升級和擴展測試功能。
  
• 降低成本：測試處理機可重復使用，僅需更換特定測試單元，從而降低設備成本。制造商無需為每個MEMS 器件投資全新的測試系統(tǒng)，而是可以利用現(xiàn)有的標準化平臺，僅購買必要的測試單元，從而大幅節(jié)省資本支出。此外，標準化方法還能縮短開發(fā)和部署新測試解決方案所需的時間，從而加快新產(chǎn)品的上市速度。通用平臺帶來的維護和培訓成本降低，進一步降低了整體成本。

MEMS的標準ATE架構(gòu)

標準化自動測試設備(ATE)架構(gòu)注重靈活性和可擴展性。它由模塊化測試單元組成，可根據(jù)被測MEMS產(chǎn)品進行互換。測試單元和產(chǎn)品之間切換的停機時間極短，從而最大程度地減少了對生產(chǎn)的干擾。典型MEMS測試單元的關(guān)鍵組件包括：

• 高吞吐量測試分選機：該系統(tǒng)旨在自動移動MEMS器件完成測試流程。對于精密的MEMS器件，這些分選機集成了精密機械臂、專用拾取機構(gòu)和可控運動等功能，以確保輕柔地處理器件，避免施加過大的力，以免干擾器件的正常工作。高速移動能力對于在大批量生產(chǎn)環(huán)境中最大限度地提高吞吐量也至關(guān)重要。
  
• 高性能測試資源：這些是測試單元內(nèi)的核心測量儀器，提供先進的測量能力，并能精確測量各種電氣參數(shù)（電壓、電流、電阻、電容等）。它們還包括用于MEMS器件動態(tài)測試的復雜定時和頻率測量功能。先進的信號處理能力對于分析MEMS傳感器通常復雜的輸出信號至關(guān)重要。
  
• 能夠施加各種物理刺激的測試單元：這些模塊化單元是使標準化ATE適應不同MEMS產(chǎn)品的關(guān)鍵。它們旨在精確生成和控制各種物理刺激，包括：
  • 加速度：使用高精度速率表或振動臺，精確控制加速度水平和頻率。

• 角刺激：使用速率表生成，精確控制角速度和位置，這對于測試陀螺儀至關(guān)重要。

• 振動（高g加速度）：由頻率和振幅可控的振動發(fā)生器（“振動臺”）產(chǎn)生，這對于測試汽車安全氣囊應用中的高g加速度計至關(guān)重要。

• 聲刺激：由經(jīng)過校準的聲源和人工耳產(chǎn)生，精確控制頻率和聲壓級，這對于測試麥克風、揚聲器和聲學傳感器至關(guān)重要。

• 壓力：使用高精度壓力發(fā)生器和測量系統(tǒng)施加，這對于測試各種壓力和環(huán)境傳感器至關(guān)重要，包括氣壓傳感器和胎壓監(jiān)測傳感器(TPMS)。

• 磁場：由磁場強度和方向可控的磁電機板產(chǎn)生，這對于測試地磁傳感器和速度傳感器至關(guān)重要。

• 濕度和氣體：使用環(huán)境艙進行控制，精確調(diào)節(jié)濕度和氣體濃度，這對于測試環(huán)境傳感器至關(guān)重要。這些測試單元還包含隔離設備與不良環(huán)境影響的機制，確保測試結(jié)果的準確性和可重復性。
  

• 熱調(diào)節(jié)：該子系統(tǒng)提供精確的溫度控制，以執(zhí)行三溫測試（冷/常溫/熱）。在各種溫度范圍內(nèi)測試MEMS器件對于表征其性能并確保其在不同工作條件下的可靠性至關(guān)重要。先進的熱控制單元可確保測試過程中溫度條件準確穩(wěn)定。

• 接觸單元（插座和探針）：這些組件提供測試設備與被測MEMS器件之間的接口。它們旨在與精密的MEMS器件進行輕柔接觸，確?？煽康碾姎膺B接，同時不影響其機械性能。專門設計的插座和探針卡可用于適應不同的MEMS封裝類型和引腳配置。
  通過使用標準ATE制造商可以實現(xiàn)：

穩(wěn)定運行：借助可重構(gòu)測試單元，生產(chǎn)可連續(xù)運行，最大程度減少因設備更換或維護而導致的停機時間。

測試單元模塊化：測試單元可根據(jù)不同的MEMS系列進行定制，包括加速度計、陀螺儀、麥克風和磁傳感器等。

快速完成產(chǎn)品切換：模塊化設計允許在測試單元之間快速切換，確保最大程度的靈活性并高效利用測試設備。

MEMS測試的未來趨勢

MEMS測試的未來在于標準化。標準化的測試處理機和測試儀基于通用平臺構(gòu)建，并配備模塊化、可互換的單元，為制造商提供了測試各種設備所需的靈活性，使其能夠以最短的停機時間和最高的效率進行廣泛的測試。

這不僅降低了成本，還使制造商能夠跟上MEMS設備日益增長的復雜性和體積。MEMS技術(shù)的新興趨勢，例如更小、更集成和多功能傳感器的發(fā)展，將進一步推動對適應性強且標準化的測試解決方案的需求。

將軟件和數(shù)據(jù)分析集成到標準化測試平臺中，也將在優(yōu)化測試流程、提高良率和實現(xiàn)預測性維護方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，人工智能和機器學習在自動化測試程序生成和故障診斷方面的潛力，可能會在未來幾年徹底改變MEMS測試。

MEMS標準化測試轉(zhuǎn)型的實踐思考

雖然標準化MEMS測試的優(yōu)勢顯而易見，但從定制解決方案過渡需要仔細規(guī)劃和考量。制造商最初可能會擔心新設備的投資成本，以及工程和生產(chǎn)團隊的潛在學習適應周期。

評估標準化設備帶來的長期成本節(jié)約和效率提升至關(guān)重要。在選擇標準化測試設備供應商時，制造商應考慮以下因素：平臺可支持的MEMS器件范圍、所需的測試能力和精度水平、產(chǎn)量所需的吞吐量要求、總擁有成本（包括維護和支持）以及供應商的聲譽和可靠性の等。

SPEA的自動MEMS測試單元

SPEA自動化MEMS測試單元為尋求高效、可靠且經(jīng)濟實惠的測試能力的制造商提供了極具價值的解決方案。

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