一种MEMS压力传感器芯片的圆片级测试装置及测试方法

摘要

本发明属于芯片测试领域，具体涉及一种MEMS压力传感器芯片的圆片级测试装置及测试方法，该测试装置包括测试系统、调压吸盘、移动机构和调压系统，调压吸盘上表面有吸气孔，用于导通不同气压到待测MEMS压力传感器芯片水的敏感膜；待测圆片固定在调压吸盘上表面，并用固定夹、压环、密封环固定密封，保障待测圆片与调压吸盘间不漏气；调压系统自动调节和保持吸盘气压在设定值。在不同的设定气压下测试MEMS压力传感器芯片的输出信号，根据芯片输出值的差值，判断芯片的好坏。本发明适用于量程在0.1～1个大气压的MEMS压力传感器芯片的测试，并且在封装前就剔除不良芯片，或筛选出不同性能的芯片，提高了封装后成品的良率，避免了封装不合格导致的资源浪费。

说明书

技术领域

本发明属于芯片测试领域，具体涉及一种MEMS压力传感器芯片的圆片级测试装置，以及测试压力传感器芯片的方法。

背景技术

MEMS技术主要是以成熟的电子芯片加工技术为基础，加工微小机械结构，如传感器、致动器等，MEMS器件的优点在于体积小、成本低、可靠性高、功能强大，其中MEMS压力传感器是使用最早、最广泛的MEMS芯片，被广泛应用于工业生产、过程控制、汽车、气象、输气管道、智能建筑、油井、大坝、野外运动装置、医疗设备等等。MEMS压力传感器芯片与信号处理电路、管道接口等封装在一起，组成传感器成品，再通过测试、补偿等工序，才能提供给用户使用，所以MEMS压力传感器成品的最大特点是MEMS芯片占总成本的比例很低，特别是工业级应用的MEMS压力传感器成品，MEMS芯片占总成本约1％～10％，如果MEMS圆片存在异常，封装后的成品良率低，则会导致严重的经济损失，因此，需要在封装前通过圆片级压力动态测试的方法将不良芯片筛选出来，以提高成品的测试良率，降低成本。动态测试就是在敏感膜上施加不同的气压，并读出相应的电学信号输出，判断芯片是否合格。

现有技术中，专利CN211784059U提出了一种采用压缩空气喷射的方法，在待测芯片敏感膜上施加一个临时的压力，测试芯片输出信号。其不足之处在于：1、这个方法只能测量引线PAD和敏感膜在上表面或通气道在上侧的压力传感器芯片(例如压阻式压力传感器)，而对于敏感膜与测试引线PAD不在同一平面方向的产品，不适用这种方法(例如有些电容式和谐振式的压力传感器)；2、只能施加大于1个大气压的气压激励信号；3、压力不稳定，测试出来的结果可信度不高。

专利US9527731B2描述的是一个气压喷嘴头部制作有小密封环，测试时喷嘴、密封环、芯片通气道和敏感膜形成一个小密封腔，对压力传感器芯片施加不同气压，测试芯片输出信号。其不足处在于：1、密封环接触芯片表面，容易玷污芯片；2、只能施加大于1个大气压的气压激励信号；3、只能测量引线PAD和敏感膜在上表面或通气道在上侧的压力传感器芯片。专利US20160116361A1是在专利US9527731B2的基础上的改进技术，即用转接盘固定MEMS压力传感器圆片，转接盘表面与圆片间有一定间隔，转接盘表面制作有一层粘性物质，以防止加气压时因把MEMS芯片的感应膜吹破产生的碎片落到圆片表面影响测试结果。

现有的普通的集成电路圆片级测试装置，如图1所示，待测集成电路圆片10放置在吸盘20上，由吸气架20c托住，吸盘面20a上有吸气孔22，吸气孔22通过真空通道24连接真空管道形成负压，固定待测集成电路圆片10；吸盘20的底部20b固定在移动机构26上，可在水平面内沿X，Y方向移动；测试时PCB板12对准待测集成电路芯片16下降，固定在PCB板12上的探针15接触待测集成电路芯片16的焊盘18，进行电性能测试；一个芯片测试完成后，PCB板12抬起，探针15与焊盘18脱离接触，移动机构26带动吸盘20及圆片10移动一个或几个芯片的位置，探针15对准下一个芯片的焊盘18，重复上述操作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种MEMS压力传感器的圆片级测试装置和测试方法，适用于量程在0.1～1个大气压的MEMS压力传感器芯片的测试，并且在封装前就剔除不良芯片，或筛选出不同性能的芯片，提高了封装后成品的良率，避免了封装不合格导致的资源浪费。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS压力传感器芯片的圆片级测试装置，包括测试系统、调压吸盘、移动机构和调压系统，调压吸盘的表面上制作有固定夹、吸气孔、吸盘架和密封槽，密封槽内放置有密封环，密封环对应于待测MEMS压力传感器圆片边缘区域，固定夹用于将待测MEMS压力传感器圆片固定在调压吸盘上，所述的吸气孔通过真空通道连接调压系统；调压系统由软管、调压阀以及连接空气和真空的管道构成，软管连接到调压吸盘的真空通道外侧上，调压系统通过调压阀调节气压；调压吸盘的底部固定在移动机构上，测试系统设置在调压吸盘的上方，所述的测试系统包括PCB板和固定在PCB板上的探针；待测MEMS压力传感器圆片、密封环、吸气孔、真空通道以和调压系统形成一个可调压力的密封腔，密封腔内部压力可在0.1～1个大气压范围内调节，所述的调压吸盘上设有温度控制器，具有温度调节功能。测试时，PCB板上的探针下降，对准接触待测MEMS压力传感器芯片的焊盘，测试MEMS压力传感器芯片的输出电信号；通过调压系统设置不同的密封腔气压P，重复测试圆片上的每一个MEMS压力传感器芯片，记录电信号值，最后通过计算MEMS压力传感器芯片电信号与不同气压的相互关系，判断MEMS压力传感器芯片是否合格，最后切割测试过的圆片，形成多个MEMS压力传感器芯片，将不合格的MEMS压力传感器芯片剔除，合格的MEMS压力传感器芯片则用于后续生产。

作为本发明的一个实施例，所述的固定夹可以用压环代替，调压吸盘的表面上制作有压环槽，所述的压环安装在压环槽内。测试时，将待测MEMS压力传感器圆片由压环固定在调压吸盘上，待测MEMS压力传感器圆片、密封环、吸气孔、真空通道以及调压系统形成一个密封腔，密封腔内部压力可在0.1～1个大气压范围内调节。

作为本发明的优化，所述的吸气孔的尺寸与待测MEMS压力传感器芯片的通气孔尺寸相同，在待测MEMS压力传感器圆片固定在调压吸盘上后，吸气孔与待测MEMS压力传感器芯片的通气孔一一对应。

作为本发明的一个实施例，所述的吸气孔的尺寸明显小于待测MEMS压力传感器芯片的通气孔尺寸，在待测MEMS压力传感器圆片固定在调压吸盘上后，每个待测MEMS压力传感器芯片的通气孔至少与一个吸气孔连通。

作为本发明的另一个实施例，所述的吸盘架呈圆柱形，相邻两吸盘架之间形成吸气槽，吸盘架的尺寸明显小于待测MEMS压力传感器芯片背面通气框的宽度，吸气槽的尺寸也明显小于待测MEMS压力传感器芯片背面通气框的宽度，在待测MEMS压力传感器圆片固定在调压吸盘上后，每个待测MEMS压力传感器芯片的通气孔至少与一个吸气槽连通。

进一步地，所述的密封槽为圆形，密封槽直径小于待测MEMS压力传感器圆片的直径。

作为本发明的另一个实施例，所述的MEMS压力传感器芯片的圆片级测试装置，包括测试系统、普通圆片测试吸盘、移动机构和调压系统，所述的普通圆片测试吸盘的表面制作有吸气孔和吸盘架，所述的吸气孔通过真空通道连接调压系统；调压系统由软管、调压阀以及连接空气和真空的管道构成，软管连接到调压吸盘的真空通道外侧上，调压系统通过调压阀调节气压；调压吸盘的底部固定在移动机构上，测试系统设置在调压吸盘的上方，所述的测试系统包括PCB板和固定在PCB板上的探针；

在普通圆片测试吸盘上通过固定结构固定一个转接盘，转接盘的背面与普通圆片测试吸盘的表面接触；转接盘表面上制作有转接吸气槽、固定夹和转接吸盘架，转接吸气槽与待测MEMS压力传感器芯片的通气孔对准，转接盘背面与普通圆片测试吸盘的吸盘架之间有转接空腔，待测MEMS压力传感器芯片的通气孔通过转接吸气槽、转接空腔、吸气孔以及真空通道连接调压系统；转接盘的表面和底面都制作有密封槽，密封槽内置密封环，分别对于待测MEMS压力传感器圆片的边缘区域和普通圆片测试吸盘的边缘区域；待测MEMS压力传感器圆片由固定夹固定在转接盘上，待测MEMS压力传感器圆片、密封环、转接吸气槽、转接空腔、吸气孔、真空通道以和调压系统形成一个可调压力的密封腔，密封腔内部压力可在0.1～1个大气压范围内调节。

测试时，将待测MEMS压力传感器圆片放置在调压吸盘上，圆片上MEMS压力传感器芯片背面的通气孔对准调压吸盘的吸气孔，用固定夹或压环固定，操作调压系统，设置从0.1大气压至1大气压不同的气压值，逐个测试圆片上的每个MEMS压力传感器芯片，记录每个气压值下、每个MEMS压力传感器芯片的电信号输出值，计算出每个MEMS压力传感器芯片的零点、灵敏度、线性度等性能参数。而且调压吸盘具有温度控制功能，可以设定测试温度，在每个设定温度下，再设定不同的真空度，测量每个MEMS压力传感器芯片的信号输出，计算出每个MEMS压力传感器芯片片的输出参数随温度的变化量，判断MEMS压力传感器芯片是否合格，或者根据测试结果进行分档。本发明具有成本低、测试精度高、可测试参数多的优点。

为了解决上述技术问题，本发明还一种MEMS压力传感器芯片的圆片级测试方法，步骤为：

(1)设定一个测试温度T

(2)保持测试温度T

(3)设定第二个温度T

(4)设定第J个温度T

(5)以此类推，直到所有设定温度、所有设定气压下，每个待测MEMS压力传感器芯片全部测试完成，获得每个MEMS压力传感器芯片的信号输出数据组；

(6)根据获得的每个MEMS压力传感器芯片的信号输出数据组，计算出MEMS压力传感器芯片所需的参数，判断MEMS压力传感器芯片是否合格，或将MEMS压力传感器芯片进行分档；

每个测试温度T下至少有一个测试气压P的设定值为1个大气压。

所述的参数为零点、灵敏度、零点温漂、灵敏度温漂或灵敏度线性度。

本发明特别适用于测量量程在1个大气压左右，电接触焊盘(PAD)在芯片正面，敏感膜在芯片背面的MEMS压力传感器芯片，如用于高度计、气象气压计等产品的MEMS压力传感器芯片。通过本发明的测试方法，在封装前即可得到MEMS压力传感器芯片的零偏、灵敏度、灵敏度非线性、零偏温漂曲线、灵敏度温度曲线等参数，剔除不良芯片，或筛选出不同性能的芯片，提高了封装后成品的良率，避免了封装不合格产品导致的资源和成本浪费。

附图说明

图1是现有的普通的集成电路圆片级测试装置示意图。

图2是待测MEMS压力传感器圆片的俯视图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是待测MEMS压力传感器芯片的剖面图。

图5是待测MEMS压力传感器芯片的仰视图。

图6是本发明实施例一的测试装置的剖面图。

图7是本发明实施例一测试装置中调压吸盘的俯视图。

图8是实施例一待测MEMS压力传感器圆片安装后的俯视图。

图9是本发明实施例二的测试装置的剖视图。

图10是本发明实施例二的测试装置的俯视图。

图11是本发明实施例三的测试装置的剖视图。

图12是本发明实施例三的调压吸盘的俯视图。

图13是本发明实施例四的测试装置的剖视图。

图14是本发明实施例四的调压吸盘的俯视图。

图15是本发明实施例五的测试装置的剖视图。

图16是本发明测试方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明待测试的MEMS压力传感器圆片100，如图2所示，多个MEMS压力传感器芯片110通过光刻、刻蚀、氧化、CVD、溅射、掺杂、键合等圆片加工工艺步骤制作在同一块MEMS压力传感器圆片100上，后续通过圆片测试、芯片切割、组装、成品测试等工艺步骤加工成MEMS压力传感器成品。MEMS压力传感器圆片100的定位槽102是圆片加工过程中用于辨识圆片发现的标记，同样用于本发明中MEMS压力传感器圆片100在真空吸盘上的定位。由于MEMS压力传感器芯片110不像集成电路一样是制作在圆片表面的，而是立体加工的，圆片上制作有多个深凹槽，圆片比较脆弱，容易在圆片加工过程中碎裂，所以MEMS压力传感器110在圆片上布图时离圆片边缘105一般需要10微米的间隔，这就是图2中的圆片边缘区域108。图3是MEMS压力传感器圆片100的A-A剖面图，MEMS压力传感器圆片100具有圆片表面100a、圆片底面100b、以及圆片边缘105，圆片底面100b上制作有多个通气孔124，每个MEMS压力传感器芯片110具有至少一个通气孔124。

图4是切割圆片得到的MEMS压力传感器芯片110的剖面图，MEMS压力传感器芯片110中间有一个密封腔112，密封腔112内的气压小于0.01大气压，用于绝压传感器的参考压力；MEMS压力传感器芯片110的上部120与敏感膜116围成一个密封腔112，MEMS检测结构114制作在密封腔112内，将气压转换成电容或谐振频率信号；MEMS压力传感器芯片110的表面110a上制作有金属焊盘118，用于输出芯片电信号；MEMS压力传感器芯片110的下部制作有通气框122，围成至少一个通气孔124。从MEMS压力传感器芯片110的背面110a仰视MEMS压力传感器芯片110，可以看出通气框外侧122a的形状是正方形或长方形，如图5所示，在圆片切割时形成通气框内侧形状，即通气孔124的形状可以是正方形、长方形、圆形、椭圆形、三角形或其他常见的形状。

实施例一

一种MEMS压力传感器芯片圆片级测试装置，如图6、图7所示，包括调压吸盘30、移动机构26、调压系统43，调压吸盘30的表面30a上制作有吸气孔32、吸盘架30c、密封槽36和固定夹40，密封槽36内放置有密封环38；吸气孔32通过真空通道34连接调压系统43；调压系统43由软管42、调压阀45、以及连接空气和真空的管道构成，软管42连接到调压吸盘30的真空通道34外侧34a上，调压系统43通过调压阀45调节气压；调压吸盘30的底部30b固定在移动机构26上。测试时，用固定夹40压住待测MEMS压力传感器圆片100的边缘区域108，将待测MEMS压力传感器圆片100固定在调压吸盘表面30a上，如图8所示，密封环38接触MEMS压力传感器圆片背面边缘区域108，吸气孔32与待测MEMS压力传感器芯片的通气孔124一一对应，待测MEMS压力传感器芯片背面110b由吸盘架30c托住；MEMS压力传感器圆片100、密封环38、吸气孔32、真空通道34、以及调压系统43形成一个可调压力的密封腔，密封腔内部压力可在0.1～1个大气压范围内调节。调压吸盘30具有温度调节功能，这是集成电路圆片测试设备的常用功能。

进行测试时，移动机构26带动调压吸盘30和待测MEMS压力传感器圆片100沿水平方向移动，固定在PCB板12上的探针15下降，对准并接触MEMS压力传感器芯片110的金属焊盘118，测试至少一个MEMS压力传感器芯片110的输出电信号，完成一个测试操作；一个测试操作完成后，PCB板12抬起，探针15与金属焊盘118脱离接触，移动机构26带动吸盘30及圆片100移动一个或几个芯片的位置，探针15对准下一个MEMS压力传感器芯片110的金属焊盘118，重复上述操作，直至圆片上的全部MEMS压力传感器芯片测试完成，完成第一轮测试；通过调压系统43设置不同的密封腔气压，重复第一轮的测试操作，记录电信号值，完成第二轮测试；重复测试操作，完成设定的测试操作轮次后，通过计算每个MEMS压力传感器芯片110电信号与不同气压值的相互关系，判断待测MEMS压力传感器芯片110是否合格，最后切割已测试过全部MEMS压力传感器芯片的圆片100，形成多个MEMS压力传感器芯片110，将不合格的MEMS压力传感器芯片110直接剔除，合格的MEMS压力传感器芯片110则用于下一工序。

实施例二

本实施例与实施例一的区别之处在于调压吸盘的结构不同，如图9所示调压吸盘50的表面50a上制作有吸气孔52、吸盘架50c、密封槽56和压环槽54，密封槽56内放置有密封环58，压环槽54内安装有压环51，如图9、图10所示，利用重力、磁力、静电力、弹力中的任何一种力压住待测MEMS压力传感器圆片100。

测试时，用压环51压住包括待测MEMS压力传感器圆片边缘105在内的圆片边缘区域108，将待测MEMS压力传感器圆片100固定在调压吸盘表面50a上；密封环58接触待测MEMS压力传感器圆片100背面边缘区域108，待测MEMS压力传感器芯片110背面由吸盘架50c托住，吸气孔52与待测MEMS压力传感器芯片110的通气孔124一一对应。

实施例三

本实施例与实施例一的区别之处在于吸气孔62的尺寸明显小于待测MEMS压力传感器芯片110的通气孔124的尺寸，如图11、图12所示。

测试时，用固定夹40压住待测MEMS压力传感器圆片100的边缘区域108，将待测MEMS压力传感器圆片100固定在调压吸盘表面60a上，密封环68接触MEMS压力传感器圆片100的背面边缘区域108，待测MEMS压力传感器芯片110背面由吸盘架60c托住，待测MEMS压力传感器芯片110的通气孔124至少连通一个吸气孔62。

实施例四

本实施例与实施例一的区别之处在于调压吸盘的结构不同，调压吸盘70的表面70a上制作有吸气槽72、吸盘架70c、密封槽76和固定夹40，密封槽76内放置有密封环78，所述的吸盘架呈圆柱形，吸气槽72位于相邻的两根吸盘架70c之间，吸气槽72的尺寸明显小于待测MEMS压力传感器芯片110的通气孔124的尺寸，如图13、14所示。

测试时，用固定夹40压住待测MEMS压力传感器圆片100的边缘区域108，将待测MEMS压力传感器圆片100固定在调压吸盘表面70a上，密封环78接触MEMS压力传感器圆片100的背面边缘区域108，待测MEMS压力传感器芯片110背面由圆柱70c托住，待测MEMS压力传感器芯片110的通气孔124至少连通一个吸气槽72。

实施例五

本实施例是将一个转接盘80通过固定结构88固定在普通圆片测试吸盘20上，转接盘80的背面80b与吸盘20的表面20a接触；转接盘表面80a上制作有转接吸气槽82、密封槽86、固定夹40和转接吸盘架80c，转接盘的背面80b也制作有密封槽86，内置密封环88，如图15所示；在待测MEMS压力传感器圆片100通过固定夹40固定在转接吸盘80表面80a上后，待测MEMS压力传感器芯片110背面由转接吸盘架80c托住，待测MEMS压力传感器芯片110的通气孔124至少连通一个转接吸气槽82，通过位于转接盘80背面的转接空腔84、吸气孔22以及真空通道24连接调压系统43；待测MEMS压力传感器圆片100、密封环88、转接吸气槽82、转接空腔84、吸气孔22、真空通道24以及调压系统43形成一个可调气压的密封腔，内部压力可在0.1～1大气压范围内调节。

实施例六

具体实施MEMS压力传感器芯片的圆片级测试时，将待测MEMS压力传感器圆片安装在调压吸盘或转接吸盘上，用固定夹或压环固定，设定调压吸盘的温度为T

保持吸盘温度T

以此类推，在T

设定吸盘温度T

保持吸盘温度T

重复上述操作，测得温度T

测试完成后，计算每个MEMS压力传感器芯片的参数，例如计算每个MEMS压力传感器芯片在1个大气压时的输出信号，设为基准值，即零点Z

由于测试过程中探针需多次接触MEMS压力传感器芯片的压焊块，压焊块容易损伤，引起后续封装时金线键合可靠性的问题，通常MEMS压力传感器芯片上的压焊块会设计得长一些，其中一部分专门用于圆片级测试。

所述MEM压力传感器芯片的零偏，一般设定为室温时1个大气压下的芯片输出信号为Z

以上所述仅是本发明的最佳实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行若干变形或者等同替换，也能达到本发明的技术效果，也应视为属于本发明的保护范围。