Frédérick Mailly des MEMS J… · C. Jeffrey, N. Dumas, Z. Xu, F. Mailly, F. Azaïs, P. Nouet et al. Sensors and actuators (2007) Augmenter l’observabilité • Vérification
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Test des MEMS
Frédérick Mailly
LIRMM
Département Microélectronique
CNRS / Université Montpellier 2
email : mailly@lirmm.fr
Test des MEMS
• Contexte• Stratégies pour le test des MEMS• Exemple d’une microboussole
Marché des MEMS• Nombreuses filières technologiques : Si, CMOS, SOI,
Quartz, Polymère, …• Systèmes hétérogènes de complexité variée:
– parties micro-mécaniques– électroniques analogiques, digitales, mixtes
Place du test en microélectroniqueLe coût et la difficulté du test augmentent avec l’intégration
Foundry
SpecificationsLayoutDesigner?
Masks
Dies
TEST$
$$
$$$
Wafer
Foundry
SpecificationsLayoutDesigner?
Masks
Dies
TEST$
$$
$$$
Wafer
Foundry
SpecificationsLayoutDesigner??
Masks
Dies
TEST$
$$
$$$
Wafer
Le test au niveau wafer est souvent primordial !!!
MEMS : SoC, SiP
Sans test
+
$$$$
Avec test
+
$
+
+ +
$
Sans test
+
$$$$
Avec test
+
$
+
+ +
$
= + + +( )SoCSiP …Sans test au niveau wafer
+
$$$
Avec Test
+
$SoC
SiP
Test fonctionnel au niveau wafer• Vérification des spécifications
– Fonctionnalité du MEMS– Vérification des performances : sensibilité, bande passante,
résolution…• Utilisation de stimuli physiques !
Vibration, Temperature
~~ VV
Pression,Force
Le coût du testCoût du système de test : 0.5M€ / an365J * 24h = 500k minTemps de test : 1 min / MEMS
1€ / MEMS
Coût total du système
Volume
capteur + électronique discrète
% du coût du test sur le coût total
µcapteur + standard IC
µcapteur + ASIC
µcapteur intégré
Stratégies pour le test des MEMS
Comment réduire le coût du test ?• en diminuant le coût du test par minute
– en évitant les stimuli physiques externes donc en augmentant la contrôlabilitéélectrique
– en augmentant l’observabilité électrique
• en diminuant le temps du test– en ne vérifiant pas toutes les spécifications– en définissant des méthodes de test
alternatives (test structurel ou orientédéfaut)
• mais en garantissant la qualité du test– en montrant la corrélation entre réponse au
test alternatif et performances fonctionnelles
Modélisation&
DfT
Modélisation du système• Simulation par éléments finis (bas niveau)
– Avantages :• modèles multiphysiques précis et complets• injection de fautes globales ou locales
– Inconvénients :• complexité du modèle• temps de simulation• optimisation
• Modèles nodaux– Avantages :
• modèles analytiques – temps de calcul– SPICE, SIMULINK…
• injection de fautes globales ou locales• technique en plein essor
– Inconvénients ?R. Rosing, R. Reichenbach, A. Richardson – Microelectronics Journal 2002
Modélisation du système• Modèle comportemental (haut niveau)
– avantage• modèle simple et analytique
– temps de calcul– SPICE, SIMULINK…
• bien adapté à l’optimisation système• injection de fautes globales ou comportementales
– inconvénient• détermination des paramètres haut niveau• pas d’injection de fautes locales
KpDpM1
2 +⋅+⋅MM
zAccel. VoutFa∆C
R. Rosing, R. Reichenbach, A. Richardson – Microelectronics Journal 2002
Supprimer les stimuli physiques• Utilisation d’un phénomène parasite (microboussole)
• Modification du design
ADXL
KpDpM1
2 +⋅+⋅MMAccel. Fa
zVout++
F∆C
VtestElectrostat.
Supprimer les stimuli physiques• Stimuli électrothermiques
• autres stimuli : électromagnétique, piézoélectrique, …
B. Charlot, S. Mir, F. Parrain, B. Courtois,JETTA, Vol.17, No. 6, 2001
A. Cozma Lapadatu, D. De Bruyker, H. Jakobsen, R. Puers, Sensors and Actuators 82 (2000) 69–73
Augmenter la contrôlabilité électrique
• Reconfiguration en mode test : test par oscillations
• Bias superposition
dtd
Mode forcéMode forcé
Mode oscillateur
k, M, D, Q…
f0, Vpp
A
dtddtd
Mode forcéMode forcé
Mode oscillateur
k, M, D, Q…
f0, Vpp
A
SensorBiasing
Test stimulus
Test signal analyser and
generator
Functional output
Test output
Analogue interface
Calibration error signal
Measured value
Functional signal
extractor
Test signal
extractor
ADCSensorBiasing
Test stimulus
Test signal analyser and
generator
Functional output
Test output
Analogue interface
Calibration error signal
Measured value
Functional signal
extractor
Test signal
extractor
ADC VDA
GND
VDB
VA VB
R+dR
R+dR
R-dR
R-dR VDA
DB
Time
Vmag
VDA
GND
VDB
VA
R+dR
R+dR
R-dR
R-dR DA
DB
Time
VDA
GND
VDB
VA
R+dR
R+dR
R-dR
R-dR DA
VDB
Time
V. Berroule, Y. Bertrand, L. Latorre, P. Nouet, DATE’02
C. Jeffrey, N. Dumas, Z. Xu, F. Mailly, F. Azaïs, P. Nouet et al.Sensors and actuators (2007)
Augmenter l’observabilité• Vérification des paramètres environnementaux
– MIDISPPI : projet ANR (NXP, IEF, IXL, LIRMM)– packaging intelligent pour MEMS dans les SiP
• MEMS testé avant packaging• vérification du packaging par des capteurs (T, p, Hr)• test go/no go• recalibration
T P Hr
Augmenter l’observabilité• Mesure impulsionnelle on-chip
)(*)()(*)(*)()(*)()( kkhkxkxkhkxkyk xxxy Φ=−=−=Φ
x(j-k)
y(j) 1/(L+1)hk
-1 0MUX
1
z-1
Σ
j = 0:L-1x(j-k)
y(j) 1/(L+1)hk
-1 0MUX
1
z-1
Σ
j = 0:L-1
z-1 z-1z-1z-1 z-1z-1
m 1nn+1m-1
MEMS CAN
CNA
C0
h0
C1
h1
Cm-1
hm-1
1 0
1 -1
LFSR
z-1 z-1z-1z-1 z-1z-1
m 1nn+1m-1
MEMS CAN
CNA
C0
h0
C1
h1
Cm-1
hm-1
1 0
1 -1
z-1z-1 z-1z-1z-1z-1z-1z-1 z-1z-1z-1z-1
m 1nn+1m-1
MEMS CAN
CNA
C0
h0
C1
h1
Cm-1
hm-1
1 0
1 -1
LFSR
-1/L
LTclock
1
Tclock
-1/L
LTclock
1
Tclock
)()( kkxx δ≈Φ
∑−
=
−+
=Φ1
0
)()(1
1)(L
jxy jykjxL
k
A. Dhayni, Thèse (INPG, TIMA), 2006
Exemple : test d’une microboussoleélectronique
Modélisation du système
3dB
Frequency
22 kHz
∆R/
R
∆f ≈ 400Hz
Q = 60
K
M
D
If
B
F
∆R
Vf
Wc
+∆R
∆V
=
Modèleniveau 0
Modélisation du systèmeModèle niveau 1
KgKgKpDpM +⋅+⋅ 21
fRN
WcWc 2Vdd××
B FLz
VoutIfVf
++
R∆Roff
∆R
p
param.
Dispersion process CMOS
Stressrésiduel
0
50
100
150
200
250
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
∆F/F0 (%)
# S
ampl
es
Modélisation du systèmeEffets thermiques
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
1 10 100 1k 10k 100k
Frequency (Hz)
Volta
ge (d
B)
magnetic actuation
thermal actuation
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
1 10 100 1k 10k 100k1 10 100 1k 10k 100k
Frequency (Hz)
Volta
ge (d
B)
magnetic actuation
thermal actuation
magnetic actuation
thermal actuation
Frequence Vf (Hz)
Tens
ion
(V)
Actuation magnétique
Actuation thermique
GVf
VoutVf
Image IR
Modélisation du système
KgKgKpDpM1
2 +⋅+⋅
fRN
WcWc 2Vdd××
B FLz
VoutIf
Vf
++ ++
Effetsthermiques
fR1
pCR1R
thth
th⋅⋅+ thK
Pf Tg
dK
Fth
^2^2
pKcc ⋅
Couplagecapacifif
++
DTk4 b ××× RTk4 b ×××Bruit Offset
statique R∆Roff
∆R
Niveau 2
++
Utilisation du modèle pour la conception
• Suppression des effets thermiques parasites
• Suppression de l’offset (stress résiduel, dispersion process, effet thermique DC) par filtrage passe haut
Vf2
Vf1
I
T°
Vf1
Vf2
I
Exc_in
ADC
Ampl. Det. Conversion
I
I
B
F
f0
f0=f(sw_clk)/n
f(sw_clk)=n*fres
sw_c
lk
Fd_out[n-6]
Driving Block
Quartz
Nb_in Prog. digital frequency divider
Prog. digital frequency divider
BufferBufferFd_out[n]
G
Amplification
B
Utilisation du modèle pour la conception
Out
Fd_out[n]
conception robuste
Test électrothermique
Sans faute Avec faute
Time (ms)
V Whe
at
0 10 20 30 40 50
Vbias
B
Vbias
Détection de faute de gravure
VWheat
Test électrothermique
Frequency (Hz)
Vpp
Whe
at
1 10 100 1k 10k 100k
Vpp
Whe
at
8k 10k 12k 14kFrequency (Hz)
Détection de faute de gravure et recherche de la fréquence de résonance
Vbias
Vbias
B VWheat
Sans faute
Avec faute
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
20.5 21 21.5 22 22.5 23
Freq. (Khz)
V pp
(V)
∆F = 3.76%
Fr1 = 21.42 kHzVr1 = 991.4 mVQ1 = 107.1
Fr2 = 22.24 kHzVr2 = 947.4 mVQ2 = 101.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
20.5 21 21.5 22 22.5 23
Freq. (Khz)
V pp
(V)
∆F = 3.76%
Fr1 = 21.42 kHzVr1 = 991.4 mVQ1 = 107.1
Fr2 = 22.24 kHzVr2 = 947.4 mVQ2 = 101.1
Test électrothermique intégré
5V
5V
Harm_sel
Vf1
Vf2
Exc. buffers
Fd_out[n]
Fd_out[n+1]
Fd_out[n]
Fd_out[n+1]
Vf1
Vf2
Driving Block
Prog. digital frequency divider
Prog. digital frequency divider
BufferBufferFd_out[n]
Nb_in
Test par oscillations
X A
L.O.
~
B
If Vout
Spécifications Min Typ Max
Sensibilité (V/T)
τ (ms) 1.20.9 1.5
2.852.5 3.2
Masses volumiques
EpaisseursModules d’Young
Dimensions Modèle de fautes :20 paramètresbas niveau, LPj
Test par oscillations
X A
B
Vout
fosc=fres
Voscd/dt
fosc= fres
Vcc
• Mesure de deux paramètres indirects (IPk) : fosc, Vosc• Question : tolérances sur ces paramètres ?
Tolérances sur les paramètres bas niveau
STm2TR
Sensitivity (V/T)
2.2
3.5
600 1300
Tm2 (nm)
Spec.
IDPiLPjLPj TRTR =
Tolérances sur les paramètres indirectsAmplitude de l’oscillation (Vpp)
2.1
2.6
600 1300
Fréquence de l’oscillation (kHz)
10
12.5
600 1300Tm2 (nm)2
TRTm
2TRTmFosc
2TRTm
2TRTmAosc
Tolérances sur les paramètres indirects
#
IPk
Approche couverture de fautes(FC)
{ }LPIPLPIP
j
kjkTRTR = ∩
{ }LPIPLPIP
j
kjkTRTR = ∪
Approche rendement(Yield)
Résultats
LP Tpox
750
33LP
LPσ
Tm2Tvox Tfox Tcox
900
33
400
17
700
35
940
47
Tm1
720
40
X A
L.O.
~
B
If Vout
3KHz BW
X A
L.O.
~
B
If Vout
3KHz BWX A
B
Vout
3KHz BW
fosc=fres
Voscd/dt
fosc= fres
Vcc
X A
B
Vout
3KHz BW
fosc=fres
Vosc
fosc=fres
Voscd/dt
fosc= fres
Vcc
test type Yieldnb échantillons sains et gardés 90nb échantillons sains et rejetés 0nb échantillons fautifs et gardés 2nb échantillons fautifs et rejetés 8Efficacité du test 98%Couverture de fautes 80%
test type FCnb échantillons sains et gardés 64nb échantillons sains et rejetés 26nb échantillons fautifs et gardés 0nb échantillons fautifs et rejetés 10Efficacité du test 74%Couverture de fautes 100%
nb échantillons sain 90nb échantillons fautif 10nb total d'échantillons 100rendement de production avant test 90%
ss
nb échantillons sain 90nb échantillons fautif 10nb total d'échantillons 100rendement de production avant test 90%
ss
Conclusion• Principales difficultés du test des MEMS:
– choix du niveau de modélisation (FEM, Nodal, HDL) et du modèle de faute
– remplacement des stimuli physiques– nombreuses méthodes (orientées défaut ou structurelles)– pas d’outils spécifiques et automatiques pour le test des MEMS
(stimuli de test, FC, efficacité)
• Importance de la relation conception et test– prise en compte du test lors de la conception– conception robuste
• Fiabilité des MEMS
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