Fraunhofer verkürzt Testzeiten für MEMS-Inertialsensoren auf Wafer-Ebene um das Sechsfache

Hintergrundinformationen zum Unternehmen: Fraunhofer ISIT

Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (Fraunhofer ISIT) ist eine der in Europa führenden Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen auf dem Gebiet der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Das Unternehmen betreibt eine Anlage mit Fertigungskapazitäten, die von der Forschung bis zur industriellen Produktion reichen. Das Fraunhofer ISIT arbeitet mit Partnern zusammen, die Leistungselektronik und Mikrosysteme mit feinmechanischen Strukturen für Sensoren (wie für Druck, Bewegung und die biochemische Analyse) sowie für Aktoren (wie Ventile, Scanner und Spiegel-Arrays) herstellen und damit eine Vielzahl an Bereichen von der Entwicklung und Fertigung auf Geräte- und Wafer-Ebene bis hin zu Verpackungstechnologien abdecken. Zu den Anwendungen für Komponenten und Technologien gehören die Automobiltechnik, Unterhaltungselektronik, Kommunikationssysteme, medizinische Geräte und vieles mehr.

Eine wirtschaftliche und technische Herausforderung

Abschließende Tests an MEMS-Inertialsensoren auf Wafer-Ebene, wie zum Beispiel Gyroskopen und Beschleunigungsmessern, umfassen die Durchführung von parametrischen Messungen, einschließlich der Messung parasitärer Leckströme, sowie die Extraktion mechanischer Eigenschaften wie Resonanzfrequenzen, Umgebungsdruck und mechanische Kopplung. Unternehmen benötigen eine kostengünstige Möglichkeit, MEMS-Inertialsensoren zu testen, da diese normalerweise für Anwendungen mit hohen Stückzahlen in der Unterhaltungselektronik oder Automobilindustrie zum Einsatz kommen.

Die NI-PXI-Lösung

Für alle Messungen mechanischer Eigenschaften, einschließlich Resonanzfrequenzen, Umgebungsdruck und mechanischer Kopplung, haben wir ein Multifunktions-RIO-Modul des Typs NI PXI-7854R mit folgender Konfiguration verwendet:

• 2 x 2 analoge Ausgangs- und Eingangspaare für jede Achse (Sinus- + Rechteckschwingungen)
• Ein FPGA (Field-Programmable Gate Array), das mit zwei synchronen Demodulatoren pro Achse konfiguriert wurde 
• 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 (die geräteeigene Verarbeitung verkürzt die Testzeiten erheblich)

Wir haben für alle parametrischen Messungen eine Präzisions-SMU (Source Measure Unit) mit vier Kanälen vom Typ NI PXIe-4141 verwendet. Jede SMU führt Leckstrommessungen zwischen den Kontakten durch. Die Signale werden über eine Schaltmatrix an die Kontakte geleitet. Jede NI PXIe-4141 kann bis zu vier 1D-Gyroskope mit vier SMU-Kanälen unterstützen.

Vorteile der NI-PXI-Lösung

Ein Hauptvorteil dieser NI-PXI-Lösung ist die Möglichkeit, eine höhere Messgeschwindigkeit ohne Kompromisse bei der Messgenauigkeit zu erreichen. Dies ist vor allem auf die geräteeigenen Signalverarbeitungsfunktionen des FPGA und die schnelleren SMU-Messfunktionen von NI zurückzuführen. Darüber hinaus sind die Systemkosten erheblich geringer und der Platzbedarf liegt bei nur einem Bruchteil dessen, was Testsysteme der vorherigen Generation im Schaltschrank benötigten, die aus mehreren Tischmessgeräten bestanden.

Die Gesamttestzeit betrug 30.260 Sekunden (8,41 Stunden) pro Wafer, wobei vier Geräte parallel getestet wurden. Das entspricht deutlich weniger als drei Stunden pro Wafer mit 3.400 Prüflingen und somit einer nahezu sechsfachen Reduzierung der Testzeit im Vergleich zur vorherigen Generation des Testsystems. Darüber hinaus kann das System um vier parallele Teststellen erweitert werden, falls sich die Notwendigkeit ergibt, das parallele Testen noch ausweiten zu müssen.

Informationen zum Autor:

Dr. Oliver Schwarzelbach
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
Oliver.schwarzelbach@isit.fraunhofer.de