Abschließende Tests an MEMS-Inertialsensoren auf Wafer-Ebene mit der NI-PXI-Plattform

Dr. Oliver Schwarzelbach, Fraunhofer Institute of Silicon Technology

"Einer der wesentlichen Vorteile dieser NI-PXI-Lösung ist die Möglichkeit, eine höhere Messgeschwindigkeit ohne Abstriche bei der Messgenauigkeit zu erreichen. Das liegt vor allem an der FPGA-basierten Signalverarbeitung sowie an der schnelleren Messung mithilfe einer SMU von NI."

- Dr. Oliver Schwarzelbach, Fraunhofer Institute of Silicon Technology

Die Aufgabe:

Verringern der Testzeit, des Platzbedarfs für das Testsystem und der Gesamtkosten für die abschließenden Tests an MEMS-Inertialsensoren (mikroelektromechanische Systeme) auf Wafer-Ebene bei gleichzeitiger Wahrung der Messqualität

Die Lösung:

Einsatz der NI-PXI-Plattform für die Entwicklung eines Systems, das bis zu vier Sensoren gleichzeitig testet, Messungen mit ein- bis sechsdimensionalen inertialen Messeinheiten (IMU) unterstützt und die Testzeit pro Wafer mit 3400 Sensoren auf weniger als drei Stunden reduziert

Das Unternehmen: Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie

Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (Fraunhofer ISIT) zählt zu den führenden Einrichtungen für die Entwicklung, Fertigung und Integration mikromechanischer und mikroelektronischer Bauelemente in Europa. Es betreibt eine Anlage, in der Fertigungsmöglichkeiten für Prototypen bis hin zum industriellen Maßstab geboten werden. Das Fraunhofer ISIT arbeitet eng mit Partnern zusammen, die Leistungselektronik und Mikrosysteme mit feinen beweglichen Strukturen für die Sensorik, darunter Druck, Bewegung und biochemische Analytik, und die Aktorik wie Ventile, Scanner und Spiegelarrays produzieren und damit alle Bereiche von der Entwicklung und Fertigung auf Geräte- und Waferebene bis hin zur Verpackungstechnik abdecken. Diese miniaturisierten Bauelemente finden u. a. Einsatz in der Automobilindustrie, der Unterhaltungselektronik, der Kommunikationstechnik und in medizinischen Geräten.

 

Eine wirtschaftliche und technische Herausforderung

Für abschließende Tests an MEMS-Inertialsensoren auf Wafer-Ebene, wie Gyroskope und Beschleunigungsmesser, sind parametrische Messungen, z. B. das Messen parasitärer Leckströme, und das Extrahieren mechanischer Eigenschaften wie Resonanzfrequenzen, Umgebungsdruck und mechanische Kopplung erforderlich. Unternehmen benötigen eine kosteneffiziente Möglichkeit zum Testen von MEMS-Inertialsensoren, da sie in der Regel für Anwendungen mit hohen Stückzahlen in der Unterhaltungselektronik und der Automobiltechnik eingesetzt werden.

 

Die NI-PXI-Lösung

Wir setzten ein Multifunktions-RIO-Modul des Typs NI PXI-7854R für alle Messungen der mechanischen Eigenschaften ein, einschließlich Resonanzfrequenzen, Umgebungsdruck und mechanische Kopplung. Die Konfiguration ist die folgende:

  • 2 X 2 Analogausgangs- und -eingangspaare für jede Achse (Sinus- + Rechteckschwingungen)
  • Ein mit zwei synchronen Demodulatoren pro Achse konfigurierter FPGA
  • Algorithmen für die Spitzenwerterkennung, AC/DC-Messungen und die digitale Signalverarbeitung, die mit dem LabVIEW FPGA Module geschrieben und im Virtex-5-LX110-FPGA von Xilinx implementiert wurden (integrierte Verarbeitung senkt die Testzeiten deutlich)

 

Wir setzten die Präzisions-SMU (Source Measure Unit) NI PXIe-4141 mit vier Kanälen für alle parametrischen Messungen ein. Jede SMU führt Leckstrommessungen zwischen den Kontakten aus. Die Signale sind über eine Schaltmatrix mit den Kontakten verbunden. Jedes NI PXIe-4141 kann bis zu vier 1D-Gyroskope mit vier SMU-Kanälen unterstützen.

 

Vorteile der NI-PXI-Lösung

Einer der wesentlichen Vorteile dieser NI-PXI-Lösung ist die Möglichkeit, eine höhere Messgeschwindigkeit ohne Abstriche bei der Messgenauigkeit zu erreichen. Das liegt vor allem an der FPGA-basierten Signalverarbeitung und an schnelleren Messungen mithilfe der SMU von NI. Außerdem fallen die Systemkosten erheblich geringer aus und der Platzbedarf liegt bei nur einem Bruchteil dessen, was Testsysteme der vorherigen Generation im Schaltschrank benötigten, die aus mehreren Stand-alone-Messgeräten bestanden.

 

Die Gesamttestzeit pro Wafersatz betrug 30.260 Sekunden (8,41 Std.), wobei vier Geräte parallel getestet wurden. Dies entspricht pro Wafer mit 3400 Prüflingen weniger als drei Stunden. Das gleicht einer Verringerung der Testzeit um den Faktor sechs im Vergleich zum Testsystem der vorherigen Generation. Darüber hinaus kann das System um vier parallele Teststellen ergänzt werden, sollte sich die Notwendigkeit ergeben, das parallele Testen noch ausweiten zu müssen.

 

Informationen zum Autor:

Dr. Oliver Schwarzelbach
Fraunhofer Institute of Silicon Technology
Oliver.schwarzelbach@isit.fraunhofer.de

Tabelle 1: Ergebnisse für das 1D-Gyroskop mit 3400 Prüflingen (DUTs) pro Wafer