Mikrosysteme qualifiziert testen

Dr. Stefan Becker, IC-Automation,Bodenheim

Die Mikrosystemtechnik (MST) wird derzeit als eine der Schlüsseltechnologien eingestuft. Um Mikrosysteme am Markt zu etablieren, müssen diese allerdings auch die heute üblichen Qualitätsstandards erfüllen, d.h. der Anwender erwartet die gleiche hohe Qualität wie bei Standard-ICs. Die dafür geforderte Nullfehlerqualität bedeutet, dass alle Eigenschaften der Mikrosysteme getestet und auf Erreichen der Spezifikationen überprüft werden müssen. Da jedoch nicht nur die elektrischen, sondern zusätzlich auch die physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise Licht, Druck und Bewegung eine große Rolle für den Endtest spielen, werden hier neue Anforderungen an das Testhandling gestellt. Für den Test von Mikrosystemen bieten sich unabhängig vom Automatisierungsgrad folgende zwei Möglichkeiten an:

• Die Systeme werden wie ICs rein elektrisch getestet. Die physikalischen Größen werden dabei durch elektrische Einprägung ersetzt (zum Beispiel der durch Licht in einem Fotosensor erzeugte Strom).

• Die physikalischen Größen werden während der elektrischen Kontaktierung eingekoppelt, wobei ein auf das Mikrosystem angepasster Testaufbau notwendig ist, denn der Testaufbau eines Drucksensors hat beispielsweise andere Anforderungen zu erfüllen als der eines Magnetsensors.

Mikrosysteme sind Speziallösungen, auf deren Eigenschaften innerhalb einer Systemgruppe eingegangen werden muss. So ist es zum Beispiel bei einer Lichtschranke ausreichend, diese mit getaktetem Licht zu beleuchten, währen ein PSD (Position-Sensitiv-Device) auch eine ortsaufgelöste Beleuchtung benötigt. Auch können die Wellenlänge und Lichtintensität einzustellende Parameter sein. Bei einem optischen Verstärker muss außerdem die Ausgangslichtleistung in Abhängigkeit der Eingangsleitung gemessen werden.

Da für MEMS zunehmend qualifizierte Testergebnisse erforderlich werden, bedarf es Testlösungen, die den Prüfaufwand minimieren. Dabei spielt die Funktion der Mikrosysteme eine zentrale Rolle, weil für deren Test individuelle Prüfsysteme benötigt werden, die hohe Kosten verursachen. Weiterhin stehen MST-Hersteller häufig der Problematik gegenüber, auch kleine Stückzahlen beispielsweise in der Anlaufphase qualifiziert testen zu müssen, um den Qualitätsforderungen ihrer Kunden gerecht zu werden. Ein Testhandler für Mikrosysteme sollte deshalb flexible Testmöglichkeiten mit kurzen Rüstzeiten und hohem Durchsatz verbinden. Wird ein Mikrosystem jedoch in sehr großen Stückzahlen produziert, ist die Rüstzeit und die Flexibilität meist von untergeordneter Bedeutung, da der Handler mit dem Test eines Produkts ausgelastet ist. In solchen Fällen kann die individuelle Entwicklung des gesamten Handlers nötig sein.

Die Firma IC-Automation erreicht mit dem Mikrosystemhandler Leonardo (Bild 1), der standardisiertes Handling und individuellen Test verbindet, einen Kompromiss zwischen den genannten Anforderungen. Bei der Entwicklung des Handlers lag der Schwerpunkt in der Flexibilität der Maschine, die mit Zykluszeiten von etwa vier Sekunden einen annehmbaren Durchsatz bietet. Das Handling der Mikrosysteme ist dabei auch für produktspezifische Testaufbauten standardisiert. Wesentlich für die Flexibilität ist die Trennung von Transport- und Testbereich, um Letzteren so frei wie möglich gestalten zu können. Dadurch können Testaufbauten oft mit geringem Aufwand realisiert werden, die dem späteren Einsatz nachempfunden oder mit ihm identisch sind.

Die Zuführung der zu testenden Mikrosysteme kann in Trays, Stangen oder Inline erfolgen. Das Transportsystem (Bild 2) ist für eine Bauteilhöhe von bis zu 100 mm ausgelegt, so dass auch größere MEMS, Sensoren, oder ganze Systeme transportiert werden können. Zwei parallele Transportbänder erlauben eine Trennung der Prüflinge nach dem Test, so dass Komponenten, die den Test nicht bestehen, aus dem Fertigungsprozess ausgeschleust werden können. Für den Transport der Mikrosysteme zur Teststation wird ein Pick&Place-Roboter eingesetzt, der alle Gehäuseformen mit einem Vakuumsauger beziehungsweise pneumatischen oder elektrischen Greifern transportieren kann. Auf dem Weg zur Teststation kann die Lage der MEMS mit einer Kamera vermessen werden, um ein präzises Absetzen mit einer Genauigkeit von w 50 mm in den Testsockel zu garantieren.

Der Testbereich ist mit einer Größe von etwa 700x 550x950mm³ auch für ausgefallenere Testaufbauten ausreichend groß dimensioniert. Diese individuellen Prüfaufbauten werden dabei entweder von IC-Automation nach Kundenvorgaben oder vom Anwender selbst entwickelt. Um den Aufbau einer solchen Teststation zu vereinfachen, werden im Testbereich mehrere Schnittstellen bereitgestellt. So stehen neben einem Druckluft- und Vakuumanschluss programmierbare digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung, mit denen sich einfache Steuerungsaufgaben wie etwa das Schalten von Ventilen, Licht oder Rüttlern ausführen lassen. Über eine RS-485-Schnittstelle kann der Handler beispielsweise Schrittmotorsteuerungen ansprechen. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Teststation außerhalb der Maschine in einer Docking Station zu kalibrieren und einzurichten. Die Kommunikation mit dem Tester erfolgt wahlweise über ein TTL-Interface, eine serielle Schnittstelle, oder über Ethernet (TCP/IP). Da die räumliche Trennung von Transport- und Testbereich eine längere Handling- und damit Testdauer bedingt (ca. 2 x 2s), können zwei Teststationen installiert werden, um die effektive Handlingzeit zu verkürzen. Während an einer Station getestet wird, kann die andere be- und entladen werden.

Das Beispiel eines Testaufbaus für ein Position-Sensitive-Device (PSD) zeigt Bild 3: Nach dem Absetzen des PSDs in den Testsockel gibt der Pick&Place-Arm den Testbereich frei. Dann wird ein rotierendes Prisma (rechts) über dem PSD positioniert und lenkt den Laserstrahl (von links) über die lichtempfindliche Fläche.