Fertigungsendtest für MEMS-Mikrofone

Fertigungsendtest für MEMS-Mikrofone
"Mikroelektromechanische Systeme werden
heutzutage überwiegend als Sensoren in
Mobiltelefonen eingesetzt."
- Prof. Dr. Gregor Feiertag, Hochschule für Angewandte Wissenschaften München (
http://www.hm.edu)
Die Aufgabe:
Im Bereich der Akustik zählen MEMS-Mikrofone wegen ihrer sehr kleinen Bauform und ihrer guten elektroakustischen Eigenschaften schon seit
Längerem zum Stand der Technik. Um die fortschreitende Miniaturisierung solcher Mikrofone zu realisieren, werden Fertigungsverfahren mit
Genauigkeiten im Sub-Mikrometer-Bereich benötigt.
Vollständige
Kundenlösung
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Die Lösung:
Eine Durchsatz- und Ausbeutesteigerung des Fertigungsendtestes kann zum einen durch die nachträgliche Programmierung von MEMS-Mikrofonen
erreicht werden und zum anderen durch eine Reduzierung der Gesamtmesszeit bei gleichbleibender Messgenauigkeit. Zweites hängt mit der
jeweiligen Datensatzlänge und der Optimierung der einzelnen Messungen zusammen.
Autor(en):
Prof. Dr. Gregor Feiertag - Hochschule für Angewandte Wissenschaften München (http://www.hm.edu)
M. Sc. Sebastian Walser - Hochschule für Angewandte Wissenschaften München (http://www.hm.edu)
B. Eng. Michael Loibl - Hochschule für Angewandte Wissenschaften München (http://www.hm.edu)
Dr. Christian Siegel - EPCOS AG, ein Unternehmen der TDK Group (http://de.tdk.eu/)
Dr. Matthias Winter - EPCOS AG, ein Unternehmen der TDK Group (http://de.tdk.eu/)
Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2015 (http://www.amazon.de/Virtuelle-Instrumente-Praxis-2015-VIP-Kongress/dp/3800736691/) des
Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ (http://www.ni.com/germany/vip) veröffentlicht.
Eingesetzte Produkte: grafische Programmierumgebung NI LabVIEW, NI DIAdem, DataFinder Server Edition, NI-PXI-Komponenten (Switches, MIO,
SMU, DMM, Motion)
Die Abbildungen der Kundenlösung finden Sie in der Galerie und im Fließtext. In der Galerie können Sie die Bilder in größerer Auflösung ansehen.
Kurzfassung
Dieser Beitrag behandelt die Optimierung eines Fertigungsendtests für mikroelektromechanische Mikrofone. Für die Durchsatz- bzw. Ausbeutesteigerung
des Endtestes wird ein bei der EPCOS AG bestehender automatischer Tester durch eine modulare PXI-Messeinheit erweitert. Die Reduzierung der mit
GPIB-Kommunikationen verketteten Messungen, kürzere Einzelmesszeiten sowie die parallel zur Messung ablaufende Datenauswertung reduzierten die
Messzeit gegenüber dem bisherigen System um bis zu 50 %.
Einleitung
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) werden heutzutage überwiegend als Sensoren in Mobiltelefonen eingesetzt. Im Bereich der Akustik zählen
MEMS-Mikrofone wegen ihrer sehr kleinen Bauform und ihrer guten elektroakustischen Eigenschaften schon seit Längerem zum Stand der Technik.
MEMS-Mikrofone bestehen aus zwei, in einem Gehäuse integrierten Chips, einem elektroakustischen Wandler (MEMS-Chip) und einem
Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) Chip. Der MEMS-Chip basiert dabei auf dem Prinzip eines kapazitiven, elektroakustischen Wandlers mit
einer beweglichen Membran und einer festen Gegenelektrode. Bild 1 zeigt den Aufbau eines solchen Mikrofons exemplarisch anhand eines auf der
Flip-Chip-Technologie basierenden neuen MEMS-Mikrofon-Typs (3,35 mm × 2,5 mm × 1,0 mm) der EPCOS AG.
Bild 1: Exemplarischer MEMS-Mikrofon-Aufbau
Um die fortschreitende Miniaturisierung solcher Mikrofone zu realisieren, werden Fertigungsverfahren mit Genauigkeiten im Sub-Mikrometer-Bereich
benötigt. Prozessbedingte Schwankungen, zum Beispiel Fertigungstoleranzen im Frontend-Prozess, haben Streuungen der elektroakustischen
Mikrofonparameter zur Folge. Um diese prozessbedingten Schwankungen und fehlerhafte Bauteile vor deren Auslieferung an Kunden auszusortieren,
durchlaufen die MEMS-Mikrofone einen Fertigungsendtest. Ziel der Arbeit war die Erhöhung des Durchsatzes und der Ausbeute des Mikrofon-Endtests
bei der EPCOS AG.
Durchsatz- und Ausbeutesteigerung des Fertigungsendtestes
Um den Durchsatz des Endtestes zu steigern und die Fertigungskosten zu senken, soll die Gesamtmesszeit bei gleichbleibender Messgenauigkeit
reduziert werden. Die Messzeit kann durch die Reduzierung der GPIB-Kommunikation zwischen den einzelnen Messgeräten und der Steuereinheit
reduziert werden. Eine weitere Reduzierung der Messzeit erreicht man durch eine zur Audiomessung parallel ablaufenden Verarbeitung der
aufgenommenen Messpunkte. Bild 2 veranschaulicht beide Vorgehensweisen anhand des alten und neuen Endtestprinzips.
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Bild 2: Prinzipskizze altes und neues Endtestprinzip
Das bisherige Endtestprinzip basiert auf einer datensatzgesteuerten Master-Slave-Device-Under-Test-(DUT)-Lösung. Ein Steuerrechner verteilt die
Messbefehle einzeln über GPIB an die jeweiligen Messgeräte und erhält von diesen nach der Messung über GPIB die Ergebisse zurück. Pro Messbefehl
wird hierfür eine Kommunikationszeit von ca. 30 ms beansprucht. Bei einer insgesamten Abfolge von ca. 20 Messbefehlen bedeutet dies einen Verlust
durch Kommunikationszeit von ca. 600 ms. Im neuen Endtestprinzip fällt durch die Einbindung einer modularen PXI-Messeinheit diese
Kommunikationszeit weitgehend weg. Dies bedeutet eine Testzeitreduzierung von bis zu 600 ms pro Mikrofon. Der Steuerrechner sendet hierfür eine alle
Messbefehle enthaltene Sequenz an die Messeinheit. Eine weitere Zeitersparnis erreicht man durch die parallel zur Messung laufende Auswertung der
Messdaten. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt verzögert zum Start der ersten Messung. Somit ergibt sich eine Gesamtzeit von t Gesamt = tMessung
+ tVerzögerung. Nach der kompletten Endtestmessung sendet die Messeinheit einen Endergebnisvektor über GPIB an die Steuereinheit zurück.
Hardware-Lösung
Basierend auf dem bisherigen Automated Test Equipment (ATE) der EPCOS AG wird das Setup im Hinblick auf die Testzeitreduzierung weiterentwickelt.
Das Zusammenspiel der einzelnen Einheiten innerhalb des ATE wird in Bild 3 dargestellt.
Bild 3: Prinzipskizze Automated Test Equipment
Um Kompatibilität zu den bisherigen Mikrofontests zu gewährleisten, wurde die Steuerung der einzelnen ATE-Komponenten über einen Master-PC
beibehalten. Die Testabfolge wird anhand eines Datensatzes festgelegt und die Steuerung der Messeinheit erfolgt über GPIB. Das bei der EPCOS AG
eingesetzte Testprinzip basiert auf dem Prinzip einer Druckkammermessung. Hierfür werden im Handling-System die auf einem Fertigungspanel
aufgebrachten MEMS-Mikrofone über einen Testkopf mit integriertem Lautsprecher und Referenzmikrofon akustisch und elektrisch kontaktiert. Die
Abdichtung zwischen Druckkammer und Mikrofon wird durch einen Silikondichtring gewährleistet.
Für die Umsetzung eines zeitoptimierten Fertigungsendtests wurde als Messeinheit ein PXI-System der Firma National Instruments gewählt. Dieses
ermöglicht neben einem 24/7-Testbetrieb eine modulare kompakte messtechnische Endlösung mit einer eigenen Steuereinheit und GPIB-Schnittstelle.
Die elektrische Ansteuerung des Lautsprechers, die Spannungsversorgung des DUT sowie die elektroakustische Auswertung des Referenz- und
MEMS-Mikrofons werden über einen Dynamiksignalgenerator mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen (NI PXI-4461) realisiert. Die
Stromaufnahmemessung des DUT erfolgt über ein Digitalmultimeter (NI PXI-4070).
Des Weiteren können durch eine nachträgliche Einstellung bzw. Umprogrammierung einzelner Mikrofonparameter die fertigungsbedingten
Sensitivitätsschwankungen der Mikrofone reduziert werden. Dies erlaubt eine geringere Streuung der Mikrofonparameter und damit eine Erhöhung der
Endtestausbeute. Die Umsetzung der Programierung soll ebenfalls in das Endtest-Set-up integriert werden. Hierfür werden ein Digitalsignalgenerator (NI
PXI-6552), zuständig für die Daten und das Clock-Signal, und eine Source Measure Unit (NI PXI-4132), zuständig für die Bereitstellung der
Programmierspannung, verwendet.
Um sowohl die Programmierung als auch die Audiomessung unabhängig voneinander in den Testablauf zu integrieren, wird ein Matrix-Schaltmodul (NI
PXIe-2532B) verwendet. Um eine einfache Handhabung und die Robustheit des Messystems im Testbetrieb zu gewährleisten, wurde für die Schaltmatrix
ein Anschlussblock entwickelt (Bild 4).
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Bild 4: Schaltmatrix mit Anschlussblock
Software-Lösung
Die Messeinheit wird durch eine in LabVIEW umgesetzte Zustandsmaschine gesteuert. Die parallele Verarbeitung der Messdaten erfolgt durch eine
zweite Zustandsmaschine. Das Datenhandling zwischen den beiden Schleifen erfolgt über eine Queue-Struktur. Bild 5 veranschaulicht den prinzipiellen
Ablauf des Messprogrammes.
Bild 5: Prinzipskizze Messablauf
Die Zuweisung der einzelnen Messbefehle in die beiden Hauptstrukturen Programiermodus und Messmodus erfolgt über die im GPIB-Vektor
übergebenen Daten. Die Schaltmatrix wird dementsprechend geschaltet. Beide Strukturen bilden ein eigenständiges Unterprogramm innerhalb des
Hauptprogrammes. Die einzelnen Parameter werden über einen Cluster übergeben. Das Unterprogramm Mess-Modus verfügt zusätzlich über eine
parallele Zustandsmaschine zur Auswertung der Messdaten. Die Auswertung der Messdaten beginnt mit einer kleinen Verzögerung nach dem Start der
Messung. Dadurch resultiert die gesamte Mess-Modus-Zeit aus Messzeit und Verzögerungszeit.
Messergebnisse
Neben der Minimierung der GPIB-Kommunikation auf zwei Einheiten pro Bauteil ergibt sich durch die PXI-Messeinheit ein weiterer Vorteil. Durch die
eigenständige Steuerung der Messung und Auswertung kann innerhalb einer Messkette die Messzeit der einzelnen Messungen bei gleichbleibender
Messgenauigkeit optimiert werden. Bild 6 veranschaulicht dieses Prinzip im Detail.
Bild 6: Exemplarische Messsequenz
Bei der dargestellten exemplarischen Messkette, bestehend aus Sensitivität, Total Harmonic Distortion (THD), Power Supply Rejection Ratio (PSRR) und
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Bei der dargestellten exemplarischen Messkette, bestehend aus Sensitivität, Total Harmonic Distortion (THD), Power Supply Rejection Ratio (PSRR) und
Noise, ergibt sich die Möglichkeit, explizit auf die eizelnen Messzeiten Einfluss zu nehmen. So benötigt man zum Beispiel für eine Sensitivitätsmessung
bei 1 kHz/Pa für das Erreichen einer Messgenauigkeit von ca. ±0,05 dBV eine Messzeitlänge von 20 Perioden (= 20 ms). In der Periodenanzahl wurde
das Einschwingen des Lautsprechers bereits mit berücksichtigt. Bild 7 zeigt eine vollständige Messung beider Varianten im Vergleich.
Bild 7: Messzeitersparnis
Wie in der Aufnahme ersichtlich, lässt sich eine Messzeitersparnis von bis zu 50 % erzielen. Wobei die Länge der Messzeit von der jeweiligen Größe des
Datensatzes (GPIB-Ersparnis) und der Optimierung der Einzelmessungen (Messaufnahmelänge) beeinflusst wird.
Zusammenfassung
Eine Durchsatz- und Ausbeutesteigerung des Fertigungsendtestes kann zum einen durch die nachträgliche Programmierung von MEMS-Mikrofonen
erreicht werden und zum anderen durch eine Reduzierung der Gesamtmesszeit bei gleichbleibender Messgenauigkeit. Zweites hängt mit der jeweiligen
Datensatzlänge (GPIB-Ersparnis) und der Optimierung der einzelnen Messungen (Messaufnahmelänge) zusammen. Eine parallel zur Messaufnahme
laufende Auswertung ermöglicht eine weitere Messzeitoptimierung.
Autor:
Prof. Dr. Gregor Feiertag
Hochschule für Angewandte Wissenschaften München (http://www.hm.edu)
Lothstrasse 64
München 80335
Deutschland
Tel: +49 89 1265 3463
gregor.feiertag@hm.edu (mailto:gregor.feiertag@hm.edu)
Bild 1: Exemplarischer MEMS-Mikrofon-Aufbau
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Bild 2: Prinzipskizze altes und neues Endtestprinzip
Bild 3: Prinzipskizze Automated Test Equipment
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Bild 4: Schaltmatrix mit Anschlussblock
Bild 5: Prinzipskizze Messablauf
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Bild 6: Exemplarische Messsequenz
Bild 7: Messzeitersparnis
Rechtliche Hinweise
Diese Kundenlösung („Kundenlösung“) wurde von einem Kunden von National Instruments („NI“) entwickelt. DIESE KUNDENLÖSUNG WIRD IM „IST-ZUSTAND“
ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN
ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN FÜR NI.COM.
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