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微機電系統（MEMS）屬于21 世紀前沿技術，是對MEMS加速度計、MEMS 陀螺儀及慣性導航系統的總稱。MEMS 器件特征尺寸從毫米、微米甚至到納米量級，涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多個學科。在產品的研制方面，能夠顯著提升裝備輕量化、小型化、精確化和集成化程度，因此應用極為廣泛。MEMS 產品制造與經典的IC 最大區別在于其含有機械部分，封裝環節占整個器件成本的大部分，如果在最終封裝之后測出器件失效不但浪費成本，還浪費了研究和開發（R&D）、工藝過程和代工時間，因此，MEMS產品的晶圓級測試在早期產品功能測試、可靠性分析及失效分析中，可以降低產品成本和加速上市時間，對于微機電系統產業化非常關鍵。

晶圓級測試技術應用于MEMS產品開發全周期的3個階段：（1）產品研發（R&D）階段：用以驗證器件工作和生產的可行性，獲得早期器件特征。（2）產品試量產階段：驗證器件以較高成品率量產的能力。（3）量產階段：最大化吞吐量和降低成本。本文分析了國內和國際MEMS晶圓級測試系統硬件和系統技術現狀，參照下表中的RM 8096和RM 8097，給出了國內現有問題的解決方案。

MEMS晶圓級測試系統硬件

1. 測試系統

正如引言所說，一般MEMS產品的成品率比IC產品要低很多，成本分析發現60%～80%的制造成本來自于封裝階段，圖1中當成品率為50%時，采用晶圓級測試的芯片能節省30%總成本，可見采用晶圓級測試技術，可以極大降低MEMS量產成本，提高器件可靠性。

圖1 有無晶圓級測試條件下總成本對比

國際上主流的MEMS開發廠商，如美國的德州儀器（TI）、模擬器件（ADI）、飛思卡爾半導體（Freescale）、Silicon Microstructures（SMI）公司，歐洲的Robert Bosch、意法半導體（ST），日本的豐田電裝（DENSO）、歐姆龍（Omron）公司等均配備與MEMS晶圓級產品配套測試系統。

國內而言，某些高校均建立了服務于自身MEMS生產線的晶圓級測試系統，如清華大學、北京大學、復旦大學、東南大學、哈工大等；一些科研院所亦然，如中國電科49所、13所、26所、46所等。測試系統根據產品特點結構和功能各異，其中，航天新銳公司在MEMS晶圓級測試系統的研制方面優勢明顯，推出了LS1100系列MEMS晶圓片全參數自動測試系統。測試產品包括流量計、加速度計、陀螺儀等。測試系統由探針臺和一系列測量儀器，用于測量晶圓片的動態參數和靜態參數。系統測試速率達到8s/芯片；圓片最大為6 in（1 in=2.54 cm）；參量包括微小電容（最低10aF）、電阻（1Ω～1GΩ）、固有頻率（最高20kHz）、品質因數（最高200000）、帶寬（最高10kHz）共5種，準確度最高達±1%。

2. 專用探針卡

探卡是連接芯片管腳和標準儀器必要手段，是晶圓級芯片自動測試的核心部分。

國際上，早在1995年，Beiley M等人提出了一種陣列結構的薄膜式探卡，該探卡采用聚酰亞胺作為薄膜，并將探針做到薄膜當中；2002年，由Park S等人提出利用了Ⅲ型硅片研制的懸臂梁結構探卡，可以承受一定的接觸力，并能使探針針尖產生足夠的位移，因此，目前國際上通用的探卡形式為該種形式。

國內而言，生產商使用MEMS懸臂梁式芯片測試探卡開展晶圓級測試工作。探卡的主要性能包括機械方面以及電學方面特性。探卡的機械特性主要通過檢測懸臂梁的彈性系數來測量。近年來，納米壓痕技術已經成為MEMS結構機械特性測試的一個重要手段。利用Nano Indenter XP納米壓痕系統，在探針針尖上施加一個逐步增大的接觸力，可得力—位移曲線，加載與卸載過程的力-位移曲線幾乎重合，說明懸臂梁在整個受力過程中沒有產生塑性變形。利用半導體探針測試臺可以檢測探卡的電學特性。開路狀態時，在相鄰兩個懸臂梁針尖上加上20 mV的直流電壓，測得漏電流僅為0.04 pA，即開路情況下相鄰懸臂梁探針之間的絕緣電阻高達500GΩ。而在探卡針尖相互短接時，可以測得通路電阻約為1.6 Ω。也就是說，對于一個懸臂梁，其探卡背面的針尖到探卡正面的引線點的互聯電阻僅為0.8 Ω，這已達到目前芯片測試的基本要求。另外，利用一種半導體參數測試儀（HP4284A）測試了相鄰兩個探針引線焊盤之間的寄生電容，結果僅為0.02～0.03pF。綜上，國內此類結構的探卡在機械性能和電學性能方面均滿足MEMS晶圓級測試系統批量測試的要求。