CN103033699A - Mems器件、其条带测试方法及其测试条带 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MEMS器件、其条带测试方法、及其测试条带。更具体地，公开了一种用于测试MEMS器件(1)的条带(10)的方法，该MEMS器件(1)至少包括耦合至共同的基板(3)的内部表面(3a)并且由保护材料(5)覆盖的半导体材料的相应裸片(6；7)；该方法构思了：检测由MEMS器件(1)响应于至少一个测试激励而生成的输出值；以及在检测步骤之前，至少部分地分隔条带(10)中的邻接的MEMS器件(1)。该分隔步骤包括在邻接的MEMS器件(1)之间限定分隔沟槽(14)，该分隔沟槽(14)延伸穿过保护材料(5)的整个厚度并且穿过从基板(3)的内部表面(3a)开始的、基板(3)的表面部分。
Description
技术领域
本发明涉及用于MEMS(微机电系统)器件的条带测试的方法、MEMS器件的测试条带和设计用于该方法的MEMS器件。
背景技术
MEMS器件因其减小的尺寸和功耗而在电子行业(尤其是在便携式电子设备的消费电子领域)中扮演着日益重要的角色。
众所周知，MEMS器件包括包封在封装体中的半导体材料的一个或多个裸片(例如，在MEMS传感器器件的情形中，第一裸片集成有机械感测结构，而第二裸片集成有形成为ASIC(专用集成电路)的相关电子接口)，该封装体保护和覆盖裸片并且提供去往外部的合适电连接(例如用于焊接至外部印刷电路板)。
常用的封装体是所谓的BGA(球栅阵列)或LGA(栅格阵列)封装体，其提供减少的面积占用和高密度的电连接。
图1示意性地示出了以附图标记1整体表示的MEMS器件，其具有BGA或LGA封装体2。封装体2包括基板3，基板3具有MEMS器件的裸片所附接至的内部表面3a，以及承载去往封装体2的外部的合适电连接元件4的外部表面3b，该电连接元件4的形式为(在BGA封装体的情形下的)“焊球”或“凸块”的阵列或(在如图1所示的LGA封装体情形下的)“焊区”的阵列。基板3通常由多层结构制成，该多层结构包括经由电介质层分隔的若干层导电材料(通常为金属)；提供穿过基板3的电迹线以将裸片连接至外部电连接元件4。在基板3上提供通常为模塑化合物5的覆盖和保护材料，并且该材料覆盖裸片，从而保护裸片免受外部环境影响。
具体而言，在图1所示的示例中，MEMS器件1包括传感器裸片6和ASIC裸片7，传感器裸片6包括微机械检测结构，而ASIC裸片7包括有关的接口电子器件。裸片6和裸片7由形式为接线(使用所谓的“接线键合”技术)的合适电连接而堆叠，该接线被设计用于将传感器裸片6电连接至ASIC裸片7并且将ASIC裸片7电连接至基板3；此外，提供穿过基板3的各种层的过孔8和合适的迹线以在ASCI裸片7和电连接元件4之间路由信号(这些信号可以是检测信号或电源信号、或是MEMS器件1和外部器件之间交换的任何其他类型的信号)。显然，对于裸片6和裸片7而言，其它布置是可能的，裸片6和裸片7可以并列布置在基板3上；或者可以使用倒装芯片技术将传感器芯片6附接至ASIC裸片7，从而在这两个裸片之间提供直接的电连接。
在半导体产业中，为了评估最终产品的电性能和机械性能，尤其是由于需要为用于执行所需测试操作提供的时间量和昂贵的系统及设备，MEMS器件的测试占据制造成本的相当大一部分。测试一般构思提供(例如，以物理应力形式的)激励给MEMS器件并且检测由MEMS器件响应于该激励而生成的输出电信号。
为了减少测试成本以及增加总体效率，提出了所谓的“条带(strip)测试”过程，其构思了对根据矩阵布局布置在条带中的多个MEMS器件进行同时并行测试，而非单独地测试单个MEMS器件。这些测试过程允许实现大的产率改进和用于测试所需的时间的减少，并且因而减少最终制造成本。
在这方面，图2a和图2b示意地示出了MEMS器件的条带10，该MEMS器件同样由附图标记1表示(每个MEMS器件例如为如图1所示的传感器器件或任何其它种类的已知MEMS器件)。MEMS器件1为沿xy平面的第一方向x和第二方向y对准的矩阵布置：在该示例中的条带10具有沿第一方向x的主延伸。测试系统可以被设计用于若干器件(例如如图2a中虚线框所包围示出的器件群组)的并行测试。
如图2b中所描绘的，各种MEMS器件1在制造之后(但是在最终的单片化步骤之前)被包封在相同的模制化合物5中并且附接至相同的基板3；因此，考虑基板3包括多个部分，各个部分对应于单个MEMS器件，各个部分通过边界区域而彼此分隔，在该边界区域处将执行在单片化期间的最终切割。
然而，尤其是在MEMS传感器的情形中，按条带布置的器件的并行测试隐含着一些困难，这是因为需要在测试期间对各种传感器执行合适的物理激励(例如，提供对加速度传感器的测试加速度，或压力传感器的测试压力)，以及尤其是因为如下事实：作用于条带形式的器件上的应力不同于作用于与其他器件分隔的单个器件上的应力。此外，要求条带中的各个器件电绝缘，以便对单个器件执行电测试。
通过使用被配置成在器件上施加特定应力的合适的测试设备(例如，构思使用提供沿多个轴的加速度的支撑台)实现在测试期间对各个器件的物理激励。
发明内容
已提出了各种解决方案以解决与作用于处于条带形式的器件上的应力以及它们的电绝缘有关的问题。
具体而言，提出的解决方案首先构思了各种MEMS器件1的单片化，并且继而它们在合适的承载结构(或托盘)中的布置，该承载结构具有多个壳体，每个壳体适于容纳相应的单片化的器件。在承载结构中的壳体被布置成限定MEMS器件1的条带，该条带可以经历并行测试过程。
该方法是有利的，这是因为在并行测试操作期间没有不期望的应力施加在单片化的MEMS器件1上。然而，其也需要巨大的投入以用于制备容纳各种MEMS器件1所需的支撑结构，该支撑结构必须被设计和制造用于各个可能的封装体尺寸；此外，需要承载结构的连续维护以确保在测试期间MEMS器件1的正确对准。
本发明人已运用了又一测试过程，该过程是所谓的“切割前”方法，如图3示意示出地，其构思了从外部表面3b切除共同的基板3和切除其之上的模制化合物5的一部分，以便创建延伸穿过整个基板3并且穿过模制化合物5的一部分的沟槽(或开口，或切口部分)11。这些沟槽11以图3中未示出的方式在条带10中沿第一方向x和第二方向y延伸，以便限定连续的中空部分，从而分隔和包围MEMS器件1。
该切割过程还将各个MEMS器件1彼此电绝缘并且允许按相同器件的条带的形式测试，这些相同器件经由模制化合物5的剩余部分仍保持在一起；具体而言，要求该剩余部分(从其初始地未接触基板3的内部表面3a的表面开始)的厚度具有充足的刚性以实现在处理和测试操作期间将MEMS器件1保持在一起的结果。此外，在条带10中的MEMS器件1之间实现的所得物理分隔限制了测试期间的相互应力的量。
本申请人已认识到，该测试过程虽然是有利的，但是其受一些缺陷制约。
具体而言，在“切割前”过程中，在按条带形式测试各种MEMS器件1之后执行各种MEMS器件1的最终完全分隔(所谓的“单片化”操作)。单片化过程释放由模制化合物5的剩余部分施加在器件上的应力，从而使器件偏移之前的校准值；实际上，切割前过程在校准步骤期间留下作用于器件上的某些量的剩余应力，并且在单片化之后，偏移分布广泛扩散，从而可能将集群的一部分逐出期望规范。
该偏移因而意味着需要提供在单片化操作之后的第二测试过程，该第二测试过程被设计用于确保所有的最终MEMS器件1位于指定容差值内。
本申请人已认识到，该第二测试步骤代表了非增值过程，这是因为仅因条带测试/校准过程期间施加在MEMS器件1上的剩余应力而要求执行该过程。
尤其是当增加MEMS产量时，对条带测试设备和第二测试设备的投入同样相应地增加，并且可以代表总制造成本的极大部分。因此，显然需要允许按条带形式测试MEMS器件的测试过程，同时减少或可能避免在单片化之后执行又一测试步骤的需要，从而显著改善总的测试成本和时间。
本发明的目的因此在于提供用于MEMS器件的条带测试方法，其具有改善的总性能和成本，从而允许至少部分地解决上面结合已知测试方法论述的问题。
根据本发明，因此提供如权利要求1限定的条带测试方法。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制示例的方式并且参考所附附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1显示了已知MEMS器件的示意截面图；
图2a示意性地显示了MEMS器件的条带的顶视图；
图2b显示了穿过图2a的条带的示意截面；
图3显示了设计用于已知“切割前”测试方法的穿过MEMS器件的条带的示意截面；
图4显示了根据本发明的一个实施例的穿过MEMS器件的条带的示意截面；
图5显示了穿过图4的条带的基板的一部分的更为具体的截面；
图6a显示了本发明的一个实施例的两个邻接的MEMS器件的基板部分的示意顶视图；
图6b和图6c分别显示了图6a的基板部分在切除过程之前和之后的截面部分；以及
图7显示了与条带的MEMS器件的测试性能有关的曲线图。
具体实施方式
本发明人已认识到，围绕测试条带中各种MEMS器件的共同模制化合物是作用于相同的器件和使测试过程偏移的剩余应力的原因。
因此，如图4中所示(其中相同的标记表示与上面公开的相同的元件，这在下文中不再描述)，本发明的第一方面构思了在执行测试操作之前，例如经由切割或切除操作移除围绕条带10的MEMS器件1的整个厚度的模制化合物5。执行的切割还延伸穿过基板3的(始于MEMS器件1的裸片布置在其上的内部表面3a)的内部表面部分，该部分被移除，从而仅留下在邻接的MEMS器件1之间由12表示的剩余基板部分。这些剩余基板部分12(由基板3的外部表面部分构成，始于与内部表面3a相对的外部表面3b)在按条带形式测试期间将各种MESM器件1保持在一起。具体而言，移除操作因此限定此处以14表示的将各个MEMS器件1分隔(并且布置在邻接的MESM器件1之间，并且围绕各个MEMS器件1)的分隔沟槽，从而延伸穿过模制化合物5的整个厚度并且穿过基板3的内部表面部分。这些分隔沟槽14以未示出的方式在条带10中沿第一方向x和第二方向y延伸，以便限定连续的中空(或切除)部分。
根据一个实施例，分隔沟槽14可以从内部表面3a直至相同的基板3的厚度的一半延伸穿过基板3。
分隔沟槽14的存在不仅允许减少作用于各种MEMS器件1上的应力(发明人确实已认识到剩余基板部分12在MEMS器件1上引起较少的应力，并且因此在器件后续的完全单片化期间释放较少的应力)，还允许通过移除基板中的器件之间的任何可能的电连接而使条带10中的各种MEMS器件1电绝缘。实际上，这些电连接可以方便地布置在各个MEMS器件边界处的基板3的内部表面部分中，边界在限定分隔沟槽14的材料移除过程中移除。基板3的剩余部分12继而不承载邻接的MEMS器件1之间的任何电连接，使得相同的MEMS器件电绝缘并且准备好供测试。
考虑到一般而言基板3由多个层(导电和电介质堆叠层)制成，因此所论述的移除操作被设计为仅影响这些层中的一些层，具体而言是第一层，即更为靠近MEMS器件1的裸片所附接至的内部表面3a的层。
具体而言，已知基板的多层结构包括中间层，并且在中间层之上和之下的对称堆叠的导电层和电介质层；例如经由蚀刻过程限定各个导电层(由例如铜的金属材料制成)，以创建穿过基板的电连接的期望图案，并且各个导电层借助于连续的电介质层(例如由BT或FR-4制成)与其他导电层分隔。
在图5中显示了再次以3表示的基板的示例性多层结构，其中，由电介质材料(例如BT或FR-4)制成的中间层由20表示；合适地限定的导电层由21表示；而其他电介质层由22表示(如图所示，各个电介质层22布置于两个导电层21之间以便将它们分隔)。第一导电层21被考虑为布置于基板3的内部表面3a处，而最后一个导电层21被考虑为布置在相同的基板3的外部表面3b处。
穿过基板3方便地提供导电通孔(此处由24表示)，以便限定内部表面3a上的内部导电焊盘25和外部表面3b上的外部连接元件4之间的电连接。在各种导电层21中方便地提供导电迹线26以将信号路由穿过基板3；类似地，提供内部过孔27以将在基板3内的各种导电层21连接。
此外，在基板3的内部表面3a之上的第一导电层21上提供第一保护层28a(所谓的“焊料掩模”)以在除了期望访问相同的第一导电层21的地方(例如键合焊盘30(所谓的键合指状物，其经由接线键合技术布置在内部表面3a处以用于键合至此处未示出的MEMS器件1的ASIC裸片7))之外覆盖和保护在其中提供的迹线和焊盘。类似地，在基板3的外部表面3b之上的最后一个导电层21上在除了期望访问的相同的最后一个导电层21的地方(例如在外部电连接4处)之外提供第二焊料掩模层28b。
如之前论述的那样，在每个MEMS器件11的外围处(即，在邻接的MEMS器件之间的、在基板3的边界部分中)形成的分隔沟槽14可以具有在与基板3的内部表面3a垂直的方向上的高度h，以便至少延伸穿过整个第一导电层21，并且直至到达中间层20(延伸经过相同的中间层20的一部分)；出于结构稳定性的原因，分隔沟槽14未被设计成在中间层20之下延伸。
因此可以根据哪个分隔沟槽14可以具有穿过基板3的不同延伸来构思各种设计可能性，使得通过切割操作移除或保留不同数目的基板层(图5中的双箭头表示分隔沟槽14在基板3内的高度h的变化性的示例性范围)。
图6a至图6c通过示例显示了根据本发明的一个实施例的关于两个邻接的MEMS器件1的、基板3的一部分(然而，显然在相同基板3中提供更多数目的器件，并且这些器件属于测试条带10)。
此处基板3包括：中间层20；第一导电层，此处以M1(如其在本领域中通常的那样)表示，其与基板3的内部表面3a邻接；以及第二导电层，此处以M2表示，其与相同的基板3的外部表面3b邻接。在第一导电层M1中提供导电迹线26，例如以限定键合焊盘30、以及内部导电焊盘25和导电通孔24之间的电连接。还在第二导电层M2中提供导电迹线26，以限定通孔24与在衬底3的外部表面3b处的外部电连接之间的电连接，该外部电连接在此的形式为焊区并且同样由4表示。
此外，以已知的方式在第一导电层M1中限定镀覆迹线32以提供第一导电迹线26(和/或键合焊盘30和/或内部导电焊盘25和/或导电通孔24)与镀覆条34之间的电连接。
镀覆条34布置在各个MEMS器件1的外围处，并且限定邻接的器件(在图6a的实施例中，镀覆条34限定围绕每个MEMS器件1的方形环)之间的边界。以已知的方式在第一导电层M1中限定镀覆条34，并且镀覆条34还可以在第二导电层M2中限定，并且其在电镀过程期间由合适的电压偏置，以便经由化学离子化过程使用保护材料的薄层来镀覆导电迹线26、键合焊盘30、内部导电焊盘25和/或导电通孔24。
根据本实施例的一个特定方面，所有的镀覆迹线32形成于第一导电层M1中，并且没有镀覆迹线形成于第二导电层M2中，使得在相同的第二导电层M2中未提供去往镀覆条34的电连接。
由于镀覆条34为所有MEMS器件1共同的，因此其存在将不同器件的电路迹线和焊盘电短路。然而，限定分隔沟槽14的移除过程被设计为移除各个MEMS器件1之间的边界区域中的第一导电层M1(对应于镀覆条34)，因此移除相同的镀覆条34和连接至镀覆条34的镀覆迹线32至少一部分；以此方式，在按条带形式测试之前在MEMS器件1之间提供电绝缘。
在图6c中示意性地显示选择性移除第一导电层M1的部分的结果，其中分隔沟槽14和基板3的剩余部分12被显示为在邻接的MEMS器件1之间。
显然，当基板3包括较高数目层时适用类似的考虑，在该情形中，连接至镀覆条34的镀覆迹线32被设计为仅在将在按条带形式测试MEMS器件1之前的移除操作中移除的导电层21中。因此，如果(例如在具有五层的基板的情形中)在切割操作中移除第一导电层21和第二导电层21的外围部分，则要求所有的镀覆迹线32在相同的第一导电层21和第二导电层21中布线，以便在执行测试之前实现在各个MEMS器件1之间的电绝缘。
本发明人已通过测试和仿真证实，本解决方案允许实现在条带测试期间的改进的性能(其中故障次数减少，并且位于期望规范之外的器件的数目减少)；具体而言，可以避免在MEMS器件1的单片化之后的第二测试过程。
图7显示了在与期望规范值偏移的方面与测试性能有关的曲线图；将根据本解决方案的MEMS器件1的分布与使用“切割前方法”测试的器件的分布(以虚线示出)和在第二测试过程之后的经单片化的器件的分布(以点划线示出)相比较。图7还以框显示了期望的规范外部界限，使得显然的是，本解决方案即使在第二测试过程未执行时也允许满足规范，这与之前已知的方法形成对照。
根据已描述和示出的内容，本解决方案允许实现的优势是显然的。
具体而言，在此强调，在条带测试期间，基板3的剩余部分12在MEMS器件1上施加较少的应力，因此提供在器件的校准和最终性能之间最小偏移；甚至可以避免第二测试过程，从而显著改进MEMS器件的测试的成本。
在测试期间不需要承载，并且条带10中的各种器件的布置容差仅与基板制造容差(该容差通常非常低)有关。
即使可能要求通常的基板设计在镀覆迹线32的布置方面(其必须集中于基板3的在测试之前被部分地移除的层中)的修改，这并不使得增加设计和制造复杂性。
最终，显然，可以对已在此描述和示出的内容做出修改和变化，而不脱离在所附权利要求书中限定的本发明的范围。
具体而言，基板3的结构(例如在层的数目和构成材料方面)可以与之前显示和论述的具体实施例不同；此外，可以相应地改变分隔沟槽14在基板中的深度和延伸(以及相同的基板的表面部分的移除程度)。
此外，当按条带形式测试任何种类的MEMS器件时，可以应用所论述的测试解决方案，甚至在MEMS传感器的情形中这尤其有利(测试操作期间剩余应力可以极大地影响MEMS传感器)。
Claims (15)
1.一种用于测试MEMS器件(1)的条带(10)的方法，所述MEMS器件(1)至少包括耦合至共同的基板(3)的内部表面(3a)并且由保护材料(5)覆盖的半导体材料的相应裸片(6；7)；所述方法包括：
检测由所述MEMS器件(1)响应于至少一个测试激励而生成的输出值；以及
在检测步骤之前，至少部分地分隔所述条带(10)中的邻接的MEMS器件(1)，
其特征在于，分隔步骤包括在所述邻接的MEMS器件(1)之间限定分隔沟槽(14)，所述分隔沟槽(14)延伸穿过所述保护材料(5)的整个厚度并且穿过所述基板(3)的、从其所述内部表面(3a)开始的表面部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述分隔沟槽(14)在所述基板(3)中的延伸(h)并不高于所述基板(3)的厚度的一半。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中所述分隔步骤包括在所述邻接的MEMS器件(1)之间留下所述基板(3)的、限定其外部表面(3b)的剩余部分(12)；所述MEMS器件(1)在所述检测步骤期间由所述基板(3)的所述剩余部分(12)保持在一起。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述分隔步骤包括物理地和电学地分隔所述邻接的MEMS器件(1)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述基板(3)的所述表面部分承载所述邻接的MEMS器件(1)之间的电连接(32；34)；并且所述分隔步骤包括经由移除所述基板(3)的所述表面部分电绝缘所述邻接的MEMS器件(1)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述邻接的MEMS器件(1)之间的电连接(32；34)仅提供在所述基板(3)的所述表面部分内。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述邻接的MEMS器件(1)之间的所述电连接包括连接至设计用于镀覆操作的共同镀覆条(34)的镀覆迹线(32)，所述镀覆条(34)限定所述邻接的MEMS器件(1)之间的边界；并且其中所述分隔步骤包括移除所述镀覆条(34)和连接至所述镀覆条(34)的所述镀覆迹线(32)的至少部分。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述基板(3)具有多层结构，所述多层结构包括由电介质层(22)分隔的多个堆叠的导电层(21)；并且其中所述基板(3)的所述表面部分包括在所述堆叠的导电层(21)中的多个表面导电层(21)，并且所述镀覆迹线(32)和镀覆条(34)形成于所述表面导电层(26)中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述MEMS器件(1)是传感器器件，每个传感器器件包括集成有检测结构的MEMS裸片(6)和集成有耦合至所述检测结构的接口电子器件的ASIC裸片(7)。
10.一种设计用于经历测试操作的MEMS器件(1)的条带(10)，其中所述MEMS器件(1)至少包括耦合至共同的基板(3)的内部表面(3a)并且由保护材料(5)覆盖的半导体材料的相应裸片(6；7)，并且其中邻接的MEMS器件(1)在所述条带(10)中至少部分地分隔；
其特征在于，其包括在所述邻接的MEMS器件(1)之间的分隔沟槽(14)，所述分隔沟槽(14)延伸穿过所述保护材料(5)的整个厚度并且穿过所述基板(3)的、从其所述内部表面(3a)开始的表面部分。
11.根据权利要求10所述的条带，其中所述分隔沟槽(14)在所述基板(3)中的高度(h)并不高于所述基板(3)的厚度的一半。
12.根据权利要求10或11所述的条带，包括在所述邻接的MEMS器件(1)之间的、所述基板(3)的、限定其外部表面(3b)的剩余部分(12)；其中所述MEMS器件(1)被设计成在所述测试操作期间由所述基板(3)的所述剩余部分(12)保持在一起。
13.根据权利要求12所述的条带，其中所述基板的所述剩余部分(12)并不承载所述邻接的MEMS器件(1)之间的任何电连接。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的条带，其中所述MEMS器件(1)是传感器器件，每个传感器器件包括集成有检测结构的MEMS裸片(6)和集成有耦合至所述检测结构的接口电子器件的ASIC裸片(7)。
15.一种根据前述权利要求中任一项所述的条带(10)的MEMS器件(1)。
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