CN107560788A - 压力传感器芯片的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力传感器芯片的测试方法，使用该测试方法，在常温下，分别测试多个的被测压力传感器芯片工作压力范围内的第一输出电压；并对多个被测压力传感器芯片进行互不相同的老化处理；将老化处理后的多个被测压力传感器芯片均恢复至常温，分别测试工作压力范围内的第二输出电压；分别计算多个被测压力传感器芯片的两次输出电压的实际变化率；通过比较实际变化率和预设变化率的大小，就能准确的判断出被测压力传感器芯片是否合格。该方法能够直观、快速、准确的测试出压力传感器芯片的性能，可以用于验证和监控压力传感器芯片的工艺可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件测试，特别是涉及压力传感器芯片的测试方法。
背景技术
微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、微执行器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。
压力传感器是将压力信号转换为电学信号的换能器，是商业化的传感器中的重要组成部分。与传统压力传感器相比，采用MEMS技术制备的压力传感器在体积、功耗、重量以及价格等方面有十分明显的优势。目前，利用MEMS技术制作的压力传感器已广泛用于汽车工业、生物医学、工业控制、能源、以及半导体工业等众多领域。
到目前为止MEMS业界的工作主要集中在新工艺开发和新装置的研制上，对可靠性的研究较少，MEMS工艺可靠性老化方案和测试数据稀缺，与产品功能开发相比可靠性研究严重滞后。另外，MEMS产品工艺可靠性测试方法无行业标准，工厂针对MEMS产品仅有PCM参数测量，无可靠性测试方法，无法验证和监控其工艺可靠性。
MEMS压力传感器成品的可靠性测试，测试对象为包括压力传感器芯片、ASIC芯片及封装在内的一个整体。当发现其可靠性失效时，需大量分析实验才可确定具体为哪个部分产生了可靠性失效。即使当确认了为MEMS芯片发现可靠性失效时，也较难确认为工艺中哪个参数发生失效。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种测试数据精准且可靠性强的压力传感器芯片的测试方法。
一种压力传感器芯片的测试方法，包括：
经半导体工艺，形成同一批次的压力传感器芯片，并选取多个被测试压力传感器；
在常温下，分别测试多个所述被测压力传感器芯片工作压力范围内的第一输出电压；
对每颗所述被测压力传感器芯片进行一次老化处理；
将多个所述被测压力传感器芯片均恢复至常温，分别测试工作压力范围内的第二输出电压；
根据所述第一输出电压、第二输出电压，分别计算多个所述被测压力传感器芯片的两次输出电压的实际变化率；
对应比较所述实际变化率与预设变化率的大小，并判断被测压力传感器是否合格。
在其中一个实施例中，所述被测压力传感器芯片的数量大于等于五。
在其中一个实施例中，所述老化处理包括五种老化处理试验，分别为：高温存储试验、温度冲击试验、电压过载试验、压力过载试验、温湿循环试验。
在其中一个实施例中，所述高温存储试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片在84.5℃-85.5℃范围内的恒温环境内保存72小时；
所述温度冲击试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片进行10次-50℃和150℃高低温循环冲击；
所述电压过载试验的应力条件为：对被测压力传感器芯片施加16伏的电压并持续一分钟；
所述压力过载试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片在120℃和202千帕的环境内保存24小时；
所述温湿循环试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片在40C～65℃，相对湿温为90％～95％的环境下进行6次循环，且循环周期为24小时。
在其中一个实施例中，所述被测压力传感器芯片的工作压力范围为40千帕-100千帕。
在其中一个实施例中，施加所述工作压力的方式为环形循环施加。
在其中一个实施例中，所述对应比较所述实际变化率与预设变化率的大小，并判断被测压力传感器是否合格的步骤包括：
一一比较每个所述被测压力传感器芯片实际变化率与预设变化率的大小，若所有所述被测压力传感器芯片的实际变化率均小于预设变化率，则被测压力传感器芯片合格；否则被测压力传感器芯片不合格。
在其中一个实施例中，所述实际变化率的计算公式为：[|(V1-V2)|/V1]*100％，其中，V1为第一输出电压；V2为第二输出电压。
上述压力传感器芯片的测试方法，在常温下，分别测试多个的被测压力传感器芯片工作压力范围内的第一输出电压；并对多个被测压力传感器芯片进行互不相同的老化处理；将老化处理后的多个被测压力传感器芯片均恢复至常温，分别测试工作压力范围内的第二输出电压；分别计算多个被测压力传感器芯片的两次输出电压的实际变化率；通过比较实际变化率和预设变化率的大小，就能准确的判断出被测压力传感器芯片是否合格。该方法能够直观、快速、准确的测试出压力传感器芯片的性能，可以用于验证和监控压力传感器芯片的工艺可靠性。
附图说明
图1为压力传感器芯片的测试方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示的为压力传感器芯片的测试方法的流程图，包括如下步骤：
S110：经半导体工艺，形成同一批次的压力传感器芯片，并选取多个被测试压力传感器。
晶圆(Wafer)是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片。晶圆上有多个小块，每一个小块就是一个晶片(Die)，经过镀膜、光刻、分割封装等半导体工艺后就形成同一批次的多颗压力传感器芯片。并从同一批次的多颗压力传感器芯片中选取大于等于五颗压力传感器芯片作为被测对象，被选取的压力传感器芯片称之为被测压力传感器。在本实施例中，共选取10个被测压力传感器分别标记为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10。在其他实施例中，可以根据测试的需求选取被测压力传感器的数量，例如5颗、15颗或者其他数值。
S120：在常温下，分别测试多个被测压力传感器芯片工作压力范围内的第一输出电压。
在常温(25℃±0.5℃)常压下，分别测试多个被测压力传感器芯片工作压力范围内的第一输出电压V1。在本实施例中，就是分别测试十个被测压力传感器芯片(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10)工作压力范围内的第一输出电压V1。
硅压阻式压力传感器芯片是由压阻效应的电阻应变片组成的惠斯通电桥，当有外力作用于应变片上时，应变片会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，其电阻将发生明显的变化，电桥输出与压力成正比的电压信号。其中，被测压力传感器芯片的工作压力范围为40Kpa-100Kpa。
电压测试装置采用的是自助搭建的测试系统，该系统包括用于提供工作电压电压源、用于显示输出电压的数据采集器、用于提供压力源的压力控制装置和用于放置被测压力传感器芯片的测试夹具。其中，测试夹具通过连接线分别与电压源、数据采集器、压力控制装置连接。开始测试时，将被测压力传感器芯片放置在测试夹具中，并进行密封处理；然后通过按压压力控制装置中的压力杆来抽取测试夹具中的空气，进而调节被测压力传感器芯片的所需工作压力(40Kpa-100Kpa)，接着接通电压源，在数据采集装置中读取在所需工作压力下的第一输出电压V1。
在测试被测压力传感器芯片的第一输出电压V1时，通过选取工作压力范围内的不同压力值(100Kpa、80Kpa、60Kpa、40Kpa)进行对应的测试，在本实施例中，每个被测试的压力传感器在100Kpa、80Kpa、60Kpa、40Kpa的工作压力值下测试对应的第一输出电压，其测试结果参考表1-5。在测试过程中，施加环形循环的工作压力，例如工作压力先从100KPa，降低到40KPa，然后再从40KPa升回至100KPa；或者先从40KPa升回至100KPa，然后再从100KPa降低到40KPa。通过在环形循环的工作压力下测试被测压力传感器芯片第一的输出电压，可以研究被测压力传感器芯片的回滞特性，其主要考究的是工作压力范围内高低压循环时输出电压产生的最大偏差。
表1为高温存储试验数据表
表2为温度冲击试验数据表
表3为电压过载试验数据表
表4为压力过载试验数据表
表5为温湿循环试验数据表
S130：对每颗被测压力传感器芯片进行一次老化处理。
老化处理包括五种老化处理试验，分别为：高温存储试验、温度冲击试验、电压过载试验、压力过载试验、温湿循环试验。每颗被测压力传感芯片只进行一种老化处理试验，但是每种老化处理试验的对象可以是多颗被测压力传感。
在本实施中，对被测压力传感芯片(D1、D2)同时进行高温存储试验的老化处理，其高温存储试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片在85℃±0.5℃的恒温环境内保存72小时。高温存储试验在恒温烘箱中进行。
对被测压力传感芯片(D3、D4)同时进行温度冲击试验的老化处理，其温度冲击试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片进行10次-50℃和150℃高低温循环冲击。温度冲击试验在高低温试验箱中进行。
对被测压力传感芯片(D5、D6)同时进行电压过载试验的老化处理，其电压过载试验的应力条件为：在常温下(25℃±0.5℃)，对被测压力传感器芯片施加16伏电压并持续一分钟。正常情况下，测试压力传感芯片的基准工作电压是5V，而电压过载研究的是远高于基准工作电压(5V)对压力传感芯片的影响。对被测压力传感器芯片施加16伏电压并持续一分钟是指对压力传感芯片施加基准工作电压(5V)的3.2倍的工作电压。
对被测压力传感芯片(D7、D8)同时进行压力过载试验的老化处理，其压力过载试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片在120℃和202千帕的环境内保存24小时。压力过载在高温高压烘箱中进行。
对被测压力传感芯片(D9、D10)同时进行温湿循环试验的老化处理，其温湿循环试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片在40C～65℃，相对湿温为90％～95％的环境下进行6次循环，且循环周期为24小时。温湿循环试验在高低温湿热试验箱中进行。
每个被测压力传感器只对应一种老化处理试验，其对应关系不限于上述描述。还可以根据所选取的被测压力传感器芯片的数量来分配每种老化处理试验对象的颗数。
S140：将多个被测压力传感器芯片均恢复至常温，分别测试工作压力范围内的第二输出电压。
经过老化处理试验的所有被测压力传感器芯片冷却恢复至常温、常压状态，与步骤S130的测试条件完全相同。然后分别测试十个被测压力传感器芯片(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10)分别在100Kpa、80Kpa、60Kpa、40Kpa的工作压力值下测试对应的第二输出电压V2，其测试结果参考表1-5。
S150：根据第一输出电压、第二输出电压，分别计算多个被测压力传感器芯片的两次输出电压的实际变化率。
实际变化率的计算公式为：[|(V1-V2)|/V1]*100％，其中，V1为第一输出电压；V2为第二输出电压。
也就是说，分别计算十个被测压力传感器芯片(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10)分别在100Kpa、80Kpa、60Kpa、40Kpa的工作压力下的输出电压的实际变化率，其实际变化率计算结果参考表1-5。
S160：对应比较实际变化率与预设变化率的大小，并判断被测压力传感器是否合格。
在本实施例中，预设变化率为10％，在其他实施例中，预设变化率可以与其他数值，其预设变化率的大小可以根据测试参数的不同来调整。
一一比较被测压力传感器芯片(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10)实际变化率与预设变化率的大小，若所有被测压力传感器芯片(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10)的实际变化率均小于预设变化率，则被测压力传感器芯片合格；否则被测压力传感器芯片不合格。换言之，若某一个被测传感器芯片在某一工作压力值下的实际变化率大于预设变化率，则说明被测传感器芯片不合格。在本实施中，从表1-5中可以看出，被测压力传感器芯片(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10)在各工作压力条件下的实际变化率均小于10％，也就该被测试压力传感器合格。
该方法能够直观、快速、准确的测试出压力传感器芯片的性能，可以用于验证和监控压力传感器芯片的工艺可靠性。若发现被测压力传感器失效时，通过测试数据可以快速、直观的分析并确定具体是哪个部分产生了可靠性失效，同时也可以快速、直观、准确的确定具体是工艺中哪个参数发生失效。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种压力传感器芯片的测试方法，其特征在于，包括：
经半导体工艺，形成同一批次的压力传感器芯片，并选取多个被测试压力传感器；
在常温下，分别测试多个所述被测压力传感器芯片工作压力范围内的第一输出电压；
对每颗所述被测压力传感器芯片进行一次老化处理；
将多个所述被测压力传感器芯片均恢复至常温，分别测试工作压力范围内的第二输出电压；
根据所述第一输出电压、第二输出电压，分别计算多个所述被测压力传感器芯片的两次输出电压的实际变化率；
对应比较所述实际变化率与预设变化率的大小，并判断被测压力传感器是否合格。
2.根据权利要求1所述的压力传感器芯片的测试方法，其特征在于，所述被测压力传感器芯片的数量大于等于五。
3.根据权利要求2所述的压力传感器芯片的测试方法，其特征在于，所述老化处理包括五种老化处理试验，分别为：高温存储试验、温度冲击试验、电压过载试验、压力过载试验、温湿循环试验。
4.根据权利要求3所述的压力传感器芯片的测试方法，其特征在于，
所述高温存储试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片在84.5℃-85.5℃范围内的恒温环境内保存72小时；
所述温度冲击试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片进行10次-50℃和150℃高低温循环冲击；
所述电压过载试验的应力条件为：对被测压力传感器芯片施加16伏的电压并持续一分钟；
所述压力过载试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片在120℃和202千帕的环境内保存24小时；
所述温湿循环试验的应力条件为：将被测压力传感器芯片在40C～65℃，相对湿温为90％～95％的环境下进行6次循环，且循环周期为24小时。
5.根据权利要求1所述的压力传感器芯片的测试方法，其特征在于，所述被测压力传感器芯片的工作压力范围为40千帕-100千帕。
6.根据权利要求5所述的压力传感器芯片的测试方法，其特征在于，施加所述工作压力的方式为环形循环施加。
7.根据权利要求1所述的压力传感器芯片的测试方法，其特征在于，所述对应比较所述实际变化率与预设变化率的大小，并判断被测压力传感器是否合格的步骤包括：
一一比较每个所述被测压力传感器芯片实际变化率与预设变化率的大小，若所有所述被测压力传感器芯片的实际变化率均小于预设变化率，则被测压力传感器芯片合格；否则被测压力传感器芯片不合格。
8.根据权利要求1所述的压力传感器芯片的测试方法，其特征在于，所述实际变化率的计算公式为：[|(V1-V2)|/V1]*100％，其中，V1为第一输出电压；V2为第二输出电压。
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