MEMS陀螺芯片晶圆级测试系统及测试和筛选方法与流程

本发明涉及一种芯片测试系统及快速测试和筛选的方法，尤其是一种mems陀螺芯片晶圆级快速、准确的批量测试和筛选方法，属于微机电系统（mems）传感器测试技术领域。

背景技术：

传统陀螺仪是有机械加工制成的转动式陀螺，利用高速转动的物体角动量守恒的原理测量角速度。这种陀螺仪具有很高的精度，但结构复杂，成本高，且高速转动部件的磨损大大缩短其使用寿命。传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。mems陀螺仪由于其具有体积小、重量轻、可适用于大规模生产等特点，已经逐渐取代昂贵且体积庞大的传统惯性传感器，广泛应用于姿态监测、健康监护、惯性导航及远程控制等领域。随着消费级mems陀螺芯片的大规模量产，芯片良率和单颗芯片的成本越来越受到产业界的关注。由于mems陀螺仪是一个含有三维微结构和活动组件的复杂系统，特别是目前主流的电容式陀螺仪，其核心是可简谐振动的梳齿电容，且通常需要真空封装才能保证其工作条件和性能，因此封装成本约占mems陀螺仪总成本的50%。

为了降低mems陀螺仪封装成本，研究人员开发了封装前的晶圆级检测，即在晶圆上对芯片进行功能测试、可靠性研究和失效分析等，以期在封装前筛选出不合格芯片，从而降低后道的封装成本。东南大学的唐洁影等人提出一种使用多普勒测振仪对mems微梁结构粘附特性进行检测的方法，其中函数发生器加载扫频信号驱动芯片梳齿振动，并将激光束聚焦在被测结构上，最后将测得的结构振幅特性与理论值比较，以此判断结构中是否存在粘附缺陷[专利申请号：200710020548.2]。在此基础上，江苏物联网研究发展中心的谭振新等人开发了基于激光多普勒测振仪和半自动探台的晶圆级测试系统，通过表面形貌图像对比和激光测振频率对比的原理，对mems结构的表面缺陷和内部缺陷进行动静态检测，判断mems产品是否可以流入后道封装工序[专利申请号：201210357917.8]。然而激光多普勒测振法只能实现垂直方向的振动测试，而面内测试的闪频技术需要大量的图像拍摄和对比过程，测试时间较长且测量精度较低，均不适合生产线批量测试。因此寻找一种快速、准确且满足大规模量产的陀螺仪芯片晶圆级测试方案对产业发展尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种mems陀螺仪晶圆级测试系统及测试和筛选方法。本发明借助于测试系统，对晶圆上mems陀螺芯片的漏电电流、静态电容和谐振频率进行测试，通过控制主机建立测试流程、设定预设参数阈值，筛选出参数不合格的芯片剔除，实现了mems陀螺晶圆级芯片的快速、准确的测试和筛选。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：mems陀螺芯片晶圆级测试系统，其特征是：包括控制主机和用于放置待测晶圆的载片台，所述载片台下方设有程控电机，所述程控电机通过探针台控制器与控制主机连接；所述载片台的正上方用夹具固定有探针卡，所述探针卡通过探针与载片台上待测晶圆的电极连接；所述探针卡上设有rs485接口、bnc三轴接口和bnc同轴接口，所述探针卡通过rs485接口与控制主机连接，通过bnc三轴接口与高精度源表连接，通过bnc同轴接口与网络分析仪连接，所述探针台控制器、高精度源表和网络分析仪均通过gpib/usb转接线与控制主机连接；所述探针卡上设有集成电路开关矩阵、mcu微处理器、c/v转换芯片和c/v转换电路模块，所述mcu微处理器分别与集成电路开关矩阵、c/v转换芯片和c/v转换电路模块电连接；

所述控制主机通过高精度源表和探针卡获取载片台上待测晶圆芯片上各个电极间的漏电电流；所述控制主机通过探针卡电路板上的mcu微处理器和c/v转换芯片获取载片台上待测晶圆芯片上各个电极间的静态电容；所述控制主机通过网络分析仪和探针卡获取载片台上待测晶圆芯片各个模态的谐振频率；所述mcu微处理器通过集成电路开关矩阵控制不同芯片切换、芯片各个电极间切换、电极与高精度源表的导通或关断、电极与网络分析仪的导通或关断；所述控制主机通过探针台控制器驱动程控电机运动，进而控制载片台上的待测晶圆的水平定位。

进一步地，所述控制主机控制高精度源表输出 15v偏置电压，并通过探针加载于芯片的电极上，测量电极间的漏电电流，并将测量结果通过bnc三轴接口送入高精度源表，所述高精度源表将漏电电流值发送至控制主机。

进一步地，所述控制主机发送控制命令给探针卡上的mcu微处理器，所述mcu微处理器控制c/v转换芯片测量电极间的静态电容，并将测量结果通过rs485接口发送至控制主机。

进一步地，所述控制主机控制网络分析仪提供扫频激励信号，并通过探针驱动芯片内部梳齿电容运动，所述c/v转换电路模块用于测试芯片不同模态的动态电容，并将测试的动态电容信号转换成频率相关的电压信号，通过bnc同轴接口将电压信号送入网络分析仪，所述网络分析仪对数据进行极值分析，从而捕获最大电压点对应的频率，即谐振频率，所述网络分析仪将谐振频率值通过gpib/usb转接线发送至控制主机。

进一步地，所述的扫描激励信号为频率15khz~25khz的正弦扫频信号，扫频时间为5s，采样数为1000。

进一步地，所述c/v转换电路模块用于测试芯片不同模态的动态电容是指c/v转换电路模块分别对驱动模态、驱动检测模态和检测模态的动态电容进行测量。

进一步地，所述c/v转换电路模块将测试的电容信号转换成频率相关的电压信号是指将测试的动态电容信号转换成电压模拟信号，所述电压模拟信号通过放大、整流、滤波后进行a/d转换，a/d转换后的信号为频率相关的电压信号。

同时为实现以上技术目的，本发明还提出了mems陀螺芯片晶圆级测试和筛选方法，其特征是，所述晶圆级测试、筛选方法步骤如下：

步骤一.选取待测晶圆，并将待测晶圆置于载片台上，将探针卡用夹具固定于待测晶圆的正上方，使探针卡7下方的探针8到达指定高度；

步骤二.利用gpib/usb转接线将控制主机分别与探针台控制器、高精度源表和网络分析仪连接，通过rs485接口将控制主机与探针卡连接，通过bnc三轴接口将高精度源表与探针卡连接，通过bnc同轴接口将网络分析仪与探针卡连接；

步骤三.通过控制主机对待测晶圆进行精确定位，并将待测晶圆上第一颗待测芯片移动至探针的针尖正下方；

步骤四.通过控制主机检测整个测试系统的连接情况，设定测试参数为漏电电流、静态电容和谐振频率，同时设定参数的阈值，建立测试流程；

步骤五.电容校准：测试参数前先将探针与待测晶圆分离，利用c/v转换芯片空测静态电容，并将测得的电容值存储于控制主机，作为芯片静态电容测量的校准参数；

步骤六.测量漏电电流：所述控制主机控制高精度源表测量芯片的漏电电流，所述mcu微处理器控制集成电路开关矩阵切换电极，测量芯片各个电极间的漏电电流，并将测试结果发送至控制主机；

步骤七.将测得的漏电电流值与预设的电流阈值进行比较，若测得的漏电电流值超出电流阈值，则判定芯片不合格，控制主机控制打点器打点标识，并控制载片台移动待测晶圆至下一待测芯片，然后返回步骤六；若测得的漏电电流值在电流阈值范围内，则按测量流程继续测量该芯片的静态电容；

步骤八.测量静态电容：所述控制主机发送控制命令给探针卡上的mcu微处理器，所述mcu微处理器控制c/v转换芯片测量芯片的静态电容，控制集成电路开关矩阵切换电极，测量各个电极间的静态电容，并将测试结果发送至控制主机；

步骤九.利用电容校准参数对测得的的静态电容进行校准，将校准后的静态电容值与预设的电容阈值进行比较，若静态电容值超出电容阈值，则判定芯片不合格，控制主机控制打点器打点标识，并控制载片台移动待测晶圆至下一待测芯片，然后返回步骤六；若静态电容值在电容阈值范围内，则按测量流程继续测量该芯片的谐振频率；

步骤十.测量谐振频率：所述控制主机控制c/v转换电路模块和网络分析仪测量芯片不同模态的谐振频率，所述mcu微处理器控制集成电路开关矩阵切换不同电极与网络分析仪导通或关断，并将测试结果发送至控制主机；

步骤十一.将测得的各个振动模态的谐振频率值与预设的谐振频率阈值进行比较，若测得的谐振频率值超出谐振频率阈值，则判定芯片不合格，控制主机控制打点器打点标识，并控制载片台移动待测晶圆至下一待测芯片，然后返回步骤六；若测得的谐振频率值在谐振频率阈值范围内，则判定芯片合格，控制主机控制载片台移动待测晶圆至下一待测芯片，然后返回步骤六；

步骤十二.重复以上步骤直至待测晶圆上所有待测芯片测试完成，根据测试结果，将打点标识的不合格芯片划片剔除。

进一步地，所述步骤三中的待测晶圆定位过程为：根据待测晶圆芯片的分布和尺寸，所述控制主机绘制晶圆芯片的分布模版图，所述探针台控制器驱动程控电机运动，进而带动载片台上待测晶圆在水平面移动，使待测晶圆芯片与晶圆的分布模版图对齐。

从以上描述可以看出，本发明的有益效果在于：

1）本发明的测试系统可以实现快速、精确有效测试，且能满足大规模量产的mems陀螺芯片晶圆级测试；

2）本发明的测试、筛选方法能够有效的筛选出不合格的晶圆芯片，避免了不良芯片流入后道封装工序，大大节约了封装成本。

附图说明

图1为本发明整个测试系统的结构示意图。

图2为本发明测试筛选方法流程图。

附图说明：1-控制主机、2-探针台控制器、3-高精度源表、4-网络分析仪、5-载片台、6-待测晶圆、7-探针卡、8-探针、9-集成电路开关矩阵、10-mcu微处理器、11-c/v转换芯片、12-c/v转换电路模块、13-rs485接口、14-bnc三轴接口、15-bnc同轴接口、16-程控电机。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

根据附图1所述，为了能够实现mems陀螺晶圆级芯片快速有效的测试，本发明设计了mems陀螺芯片晶圆级测试系统，其特征是：包括控制主机1和用于放置待测晶圆6的载片台5，所述载片台5下方设有程控电机16，所述程控电机16通过探针台控制器2与控制主机1连接；所述载片台5的正上方用夹具固定有探针卡7，所述探针卡7通过探针8与载片台5上待测晶圆6的电极连接；所述探针卡7上设有rs485接口13、bnc三轴接口14和bnc同轴接口15，所述探针卡7通过rs485接口13与控制主机1连接，通过bnc三轴接口14与高精度源表3连接，通过bnc同轴接口15与网络分析仪4连接，所述探针台控制器2、高精度源表3和网络分析仪5均通过gpib/usb转接线与控制主机1连接；所述探针卡7上设有集成电路开关矩阵9、mcu微处理器10、c/v转换芯片11和c/v转换电路模块12，所述mcu微处理器10分别与集成电路开关矩阵9、c/v转换芯片11和c/v转换电路模块12电连接。

所述控制主机1通过高精度源表3和探针卡7获取载片台5上待测晶圆6芯片上各个电极间的漏电电流；具体为控制主机1控制高精度源表3输出 15v偏置电压，并通过探针8加载于芯片的电极上，测量电极间的漏电电流，并将测量结果通过bnc三轴接口14送入高精度源表3，所述高精度源表3将漏电电流值发送至控制主机1；

所述控制主机1通过探针卡7电路板上的mcu微处理器10和c/v转换芯片11获取载片台5上待测晶圆6芯片上各个电极间的静态电容；具体为控制主机1发送控制命令给探针卡7上的mcu微处理器10，所述mcu微处理器10控制c/v转换芯片11测量电极间的静态电容，并将测量结果通过rs485接口13发送至控制主机1；

所述控制主机1通过网络分析仪4和探针卡7获取载片台5上待测晶圆6芯片各个模态的谐振频率；具体为控制主机1控制网络分析仪4提供扫频激励信号，所述的扫描激励信号为频率15khz~25khz的正弦扫频信号，扫频时间为5s，采样数为1000，并通过探针8驱动芯片内部梳齿电容运动，所述探针卡7上的c/v转换电路模块12用于测试芯片不同模态的动态电容，所述的不同模态为驱动模态、驱动检测模态和检测模态，并将测试的动态电容信号转换成频率相关的电压信号，即将动态电容信号转换成电压模拟信号，所述电压模拟信号通过放大、整流、滤波后进行a/d转换，a/d转换后的信号为频率相关的电压信号，通过bnc同轴接口15将电压信号送入网络分析仪4，所述网络分析仪4对数据进行极值分析，从而捕获最大电压点对应的频率，即谐振频率，所述网络分析仪4将谐振频率值通过gpib/usb转接线发送至控制主机1；

所述mcu微处理器10通过集成电路开关矩阵9控制不同芯片切换、芯片各个电极间切换、电极与高精度源表3的导通或关断、电极与网络分析仪4的导通或关断；所述控制主机1通过探针台控制器2驱动程控电机16运动，进而控制载片台5上的待测晶圆6的水平定位。

如图2所示，为mems陀螺芯片晶圆级测试和筛选过程，其中，所述晶圆级测试、筛选方法步骤如下：

步骤一.选取待测晶圆6，并将待测晶圆6置于载片台5上，将探针卡7用夹具固定于待测晶圆6的正上方，使探针卡7下方的探针8到达指定高度；

步骤二.利用gpib/usb转接线将控制主机1分别与探针台控制器2、高精度源表3和网络分析仪4连接，通过rs485接口13将控制主机1与探针卡7连接，通过bnc三轴接口14将高精度源表3与探针卡7连接，通过bnc同轴接口15将网络分析仪4与探针卡7连接；

步骤三.控制主机1上装有晶圆定位软件，所述控制主机1通过晶圆定位软件对待测晶圆6进行精确定位，并将待测晶圆6上第一颗待测芯片移动至探针8的针尖正下方；

晶圆定位过程具体为：根据待测晶圆6芯片的分布和尺寸，控制主机1通过晶圆定位软件绘制晶圆芯片的分布模版图，探针台控制器2驱动程控电机16运动，进而带动载片台5上待测晶圆6在水平面横向（x方向）和纵向（y方向）移动，使得待测晶圆6与晶圆芯片的分布模版图对齐；

步骤四.所述控制主机1上装有上位机软件，所述上位机软件用于检测整个测试系统的连接情况，设定漏电电流、静态电容和谐振频率为测试参数，设定参数的阈值，建立测试流程；

步骤五.电容校准：为了消除探针卡7上寄生电容对测试结果的影响，测试参数前先将探针8与待测晶圆6分离，利用c/v转换芯片11空测静态电容，并将测得的电容值存储于控制主机1，作为芯片静态电容测量的校准参数；

步骤六.测量漏电电流：所述控制主机1通过上位机软件控制高精度源表3测量芯片的漏电电流，所述mcu微处理器10控制集成电路开关矩阵9切换电极，测量芯片各个电极间的漏电电流，并将测试结果发送至控制主机1；

步骤七.将测得的漏电电流值与预设的电流阈值进行比较，若测得的漏电电流值超出电流阈值，则判定芯片不合格，控制主机1控制打点器打点标识，并控制载片台5移动待测晶圆6至下一待测芯片，然后返回步骤六；若测得的漏电电流值在电流阈值范围内，则按测量流程继续测量该芯片的静态电容；

步骤八.测量静态电容：所述控制主机1通过上位机软件发送控制命令给探针卡7上的mcu微处理器10，所述mcu微处理器10控制c/v转换芯片11测量芯片的静态电容，控制集成电路开关矩阵9切换电极，测量各个电极间的静态电容，并将测试结果发送至控制主机1；

步骤九.利用电容校准参数对测得的的静态电容进行校准，将校准后的静态电容值与预设的电容阈值进行比较，若静态电容值超出电容阈值，则判定芯片不合格，控制主机1控制打点器打点标识，并控制载片台5移动待测晶圆6至下一待测芯片，然后返回步骤六；若静态电容值在电容阈值范围内，则按测量流程继续测量该芯片的谐振频率；

步骤十.测量谐振频率：所述控制主机1通过上位机软件控制c/v转换电路模块12和网络分析仪4测量芯片不同模态的谐振频率，所述mcu微处理器10控制集成电路开关矩阵9切换不同电极与网络分析仪4导通或关断，并将测试结果发送至控制主机1；

步骤十一.将测得的各个振动模态的谐振频率值与预设的谐振频率阈值进行比较，若测得的谐振频率值超出谐振频率阈值，则判定芯片不合格，控制主机1控制打点器打点标识，并控制载片台5移动待测晶圆6至下一待测芯片，然后返回步骤六；若测得的谐振频率值在谐振频率阈值范围内，则判定芯片合格，控制主机1控制载片台5移动待测晶圆6至下一待测芯片，然后返回步骤六；

步骤十二.重复以上步骤直至待测晶圆6上所有待测芯片测试完成，根据测试结果，将打点标识的不合格芯片划片剔除。

本发明利用控制主机1实现对探针卡5、探针台控制器2、高精度源表3和网络分析仪4的控制，进而实现测试流程的建立、晶圆的精确定位、不同参数的测试、不同电极的切换控制、测试结果的判定，通过本发明的mems陀螺芯片晶圆级测试和筛选方法可以实现快速准确的大规模测试，同时筛选出不合格芯片并剔除，有效避免了不合格芯片流入后道封装流程，大大节约了封装费用。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。