【導(dǎo)讀】磁傳感技術(shù)現(xiàn)已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)，能夠在廣泛應(yīng)用中精準(zhǔn)檢測位置、速度、電流與方向。隨著各行業(yè)加速邁向電氣化、自動化與智能化系統(tǒng)，市場對傳感解決方案的精度、可靠性和能效也提出了更高要求。
在現(xiàn)有的各類技術(shù)中，隧道磁阻（TMR）傳感器憑借高靈敏度、低功耗以及與互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成的兼容性，已成為一種領(lǐng)先的解決方案。過去十年間，TMR 器件已從早期實驗室研發(fā)，演變?yōu)閺V泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車電子、消費電子、機器人及醫(yī)療領(lǐng)域的核心元器件。
與霍爾（Hall）、各向異性磁電阻（AMR）及巨磁電阻（GMR）傳感器相比，TMR 技術(shù)具備更出色的信噪比與線性度。然而，伴隨著這些優(yōu)勢，晶圓級測試與分選流程也更為復(fù)雜。在晶圓測試環(huán)節(jié)，TMR 器件需要在特定方向、幅度與空間均勻性都極為精確的三維磁場下進(jìn)行測試，這給傳感器制造商、晶圓代工廠及測試設(shè)備供應(yīng)商帶來了巨大挑戰(zhàn)。
隨著全球產(chǎn)能持續(xù)擴大，尤其是在中國市場，受電動汽車、機器人、智能制造及互聯(lián)消費電子設(shè)備的強勁需求驅(qū)動，上述挑戰(zhàn)愈發(fā)突出。因此，高效、精準(zhǔn)且可規(guī)模化的晶圓級測試解決方案，對于助力基于 TMR 的系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。
磁傳感技術(shù)概述
半導(dǎo)體集成電路中采用的磁傳感技術(shù)包含多種方案，并且在性能上各有權(quán)衡和取舍。
霍爾效應(yīng)傳感器的工作原理，是基于電荷載流子在磁場作用下發(fā)生的偏轉(zhuǎn)。這類傳感器被廣泛用于成本敏感型應(yīng)用，尤其適用于中低精度場景中的位置與電流檢測，盡管其性能易受芯片封裝過程中的溫度漂移與機械應(yīng)力影響。
AMR 傳感器利用電流流向與磁化方向夾角所產(chǎn)生的電阻變化實現(xiàn)工作。其靈敏度高于霍爾傳感器，通常用于汽車與導(dǎo)航領(lǐng)域，但相較更先進(jìn)的技術(shù)，其線性度與噪聲性能仍有不足。
GMR 傳感器采用多層薄膜結(jié)構(gòu)，憑借自旋輸運效應(yīng)實現(xiàn)磁場下的電阻變化。相較于 AMR 傳感器，GMR 傳感器的靈敏度更高，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域與數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域，但輸出信號仍不及 TMR 器件。
基于磁隧道結(jié)（MTJ）的TMR 傳感器是目前最先進(jìn)的磁阻類傳感器。它包括自由層與參考層兩層鐵磁層，中間隔著一層超薄絕緣勢壘（通常為氧化鎂 MgO）。當(dāng)施加偏置電壓時，電子依靠隧穿效應(yīng)穿過勢壘，而電導(dǎo)率則由兩層鐵磁層磁化方向的相對排列決定。在平行組態(tài)下，電阻最小，夾角發(fā)生偏移，則電阻隨之升高。這一機理使得 TMR 的磁阻比能夠輕松超過 100%，具有輸出信號強、低噪聲的優(yōu)勢，還可實現(xiàn)低至幾微特斯拉級別的微弱磁場檢測。
圖 1：TMR 傳感器示意圖
基于磁隧道結(jié)（MTJ）的 TMR 傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理，展示了電阻如何隨自由層與參考層之間的磁化方向的排列而變化。
應(yīng)用拓展與市場增長
2023 年，全球磁傳感器市場規(guī)模約30 億美元，預(yù)計到 2028 年將以超 4% 的年復(fù)合增長率（CAGR）持續(xù)增長；TMR 傳感器憑借高靈敏度、出色的可擴展性與集成能力，將成為增速最快的細(xì)分領(lǐng)域。
TMR傳感器正廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)：
工業(yè)系統(tǒng)：工廠自動化、能源系統(tǒng)及可再生能源逆變器中的電機控制、精密編碼器與電流檢測；在這些場景中，設(shè)備在溫度變化和電磁干擾下保持穩(wěn)定運行至關(guān)重要。
汽車應(yīng)用：電動助力轉(zhuǎn)向、牽引電機、電池管理系統(tǒng)、輪速檢測、換擋監(jiān)測及高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）。
消費電子：智能手機、可穿戴設(shè)備和平板電腦，以及電子羅盤、方向檢測、手勢識別及增強現(xiàn)實（AR）等支持功能。
機器人：工業(yè)與協(xié)作機器人，提供高分辨率編碼器及關(guān)節(jié)位置反饋。
醫(yī)療設(shè)備：檢測人體生理活動產(chǎn)生的微弱磁場。
中國在這一發(fā)展進(jìn)程中扮演核心角色，無論是電動出行、工業(yè)自動化、機器人，還是先進(jìn)電子制造領(lǐng)域，都展現(xiàn)出了強勁的發(fā)展勢頭。中國的電動汽車產(chǎn)量、電池系統(tǒng)與智能制造基礎(chǔ)設(shè)施的快速擴張，正持續(xù)推動對于高精度傳感技術(shù)的需求。與此同時，隨著本土半導(dǎo)體實力不斷提升，先進(jìn)封裝測試生態(tài)持續(xù)發(fā)展，行業(yè)對于能夠適配下一代器件、可規(guī)模量產(chǎn)的高性能晶圓級測試解決方案的需求也變得愈發(fā)迫切。
晶圓級測試：一項復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)
盡管 TMR 傳感器優(yōu)勢顯著，但其晶圓級測試環(huán)節(jié)復(fù)雜度極高。
與通常在相對較低磁場下工作的霍爾器件或各向異性磁阻（AMR）器件不同， TMR 傳感器需要微特斯拉至數(shù)百毫特斯拉范圍內(nèi)的可控磁場。測試需覆蓋兩種測量模式：
小回線（minor loop）：磁場通常為幾十毫特斯拉，用于表征傳感器的線性響應(yīng)
大回線（major loop）：需施加高達(dá)數(shù)百毫特斯拉的磁場，使器件達(dá)到磁飽和狀態(tài)
此外，TMR 傳感器可在平面模式下工作，也可作為三維角度傳感器，這就要求對 X、Y、Z 三軸方向的磁場矢量進(jìn)行精準(zhǔn)控制。
晶圓級測試通常使用自動探針臺完成，晶圓被放置于金屬吸盤上。該結(jié)構(gòu)將磁場生成系統(tǒng)限制在上半空間，并對如何施加磁刺激（Magnetic Stimuli）產(chǎn)生了制約，因此必須采用投影式磁場（Projected Magnetic Field）方案。
由于探針測試環(huán)境中存在各種寄生效應(yīng)，想要實現(xiàn)高精度測試極具挑戰(zhàn)性。探針卡或探針腔室的金屬部件，會通過屏蔽效應(yīng)與渦流效應(yīng)造成磁場畸變。為抵消這些影響，不僅需配備搭載原位磁場傳感器的閉環(huán)校準(zhǔn)系統(tǒng)，還需要精密的機械定位系統(tǒng)。
為了提升產(chǎn)能（Throughput），測試過程必須進(jìn)行快速且可重復(fù)的磁場掃描。然而，掃描速度提升會加劇渦流效應(yīng)，導(dǎo)致測試精度下降。與此同時，為提升測試效率所采用的并行測試方案，也帶來了更多技術(shù)難題。
總體而言，TMR 傳感器的晶圓級測試需要在多項相互制約的關(guān)鍵參數(shù)間尋求平衡：包括磁場強度、精度、均勻性、掃場速度與并行測試能力。然而，單一參數(shù)的提升，往往以犧牲其他參數(shù)為代價，這使得系統(tǒng)的整體優(yōu)化難度變得異常復(fù)雜。
專用磁測試解決方案
為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，Hprobe 開發(fā)的專用磁測試儀器已面市，專門用于 TMR 及相關(guān)磁傳感器的晶圓級測試。
Hprobe用于磁傳感器測試的測試儀器
這類儀器集成了專有的三維磁場發(fā)生器，可投射 X、Y、Z 三軸分量獨立可控的矢量磁場。它們可作為磁場任意波形發(fā)生器使用，實現(xiàn)靈活、可編程的磁激勵波形。
針對不同的具體需求，不同的系統(tǒng)配置也進(jìn)行了優(yōu)化，包括：
最大化面內(nèi)場強（X Y方向）或面外場強（Z方向）
實現(xiàn)大面積的磁場均勻性
實現(xiàn)超快速掃場（高?dB/dt）
為 2D 及 3D 測量提供精確的角度控制
典型的運行參數(shù)范圍包括：
低場工作模式：可低至約 1?mT
全三維矢量控制：任意方向高達(dá) ~200?mT
單軸模式：垂直方向上最高可達(dá)到~650mT，在面內(nèi)方向上可達(dá)到~500mT
為了確保測試的精度和可重復(fù)性，每個系統(tǒng)均集成一個自動磁場校準(zhǔn)單元（FCU），并在被測設(shè)備（DUT）的位置放置了一個經(jīng)過校準(zhǔn)的 3D 傳感器，這樣一來，系統(tǒng)就能對磁矢量進(jìn)行實時校準(zhǔn)，并補償包括地磁場等環(huán)境因素在內(nèi)的殘磁場，最終，其測試精度可優(yōu)于 10 μT。
作為晶圓級探測的一站式解決方案，該系統(tǒng)（三維磁場測試儀器）可與商用自動測試設(shè)備（ATE）或定制化測試系統(tǒng)連接；支持基于 TCP/IP 協(xié)議的 SCPI 指令控制，能夠?qū)崿F(xiàn)磁激勵與電學(xué)測試的同步聯(lián)動。
該系統(tǒng)兼容標(biāo)準(zhǔn)探針卡，支持多探針配置，可覆蓋 40?℃ 到 200?℃ 的溫度范圍，既能滿足研發(fā)需求，也適用于大規(guī)模量產(chǎn)場景。
圖 2：Hprobe 的3D磁場發(fā)生器配置
展示了晶圓級測試所用 3D 磁場發(fā)生器的配置，分別呈現(xiàn)出面內(nèi)、面外及完整 3D矢量磁場控制的各類優(yōu)化模式。
小結(jié)
TMR 技術(shù)已成為下一代磁傳感技術(shù)的基石，可在各類應(yīng)用場景中實現(xiàn)高精度、高線性度與低功耗性能。但這類性能優(yōu)勢，也對其晶圓級測試環(huán)節(jié)提出了嚴(yán)苛要求。
需要在大面積晶圓上實現(xiàn)精準(zhǔn)、穩(wěn)定和全矢量磁場控制，同時具備高吞吐量，并適配自動化測試系統(tǒng)。傳統(tǒng)測試方案已無法滿足上述要求。
Hprobe 開發(fā)的專用磁場測試儀器，集成高精度三維磁場發(fā)生器技術(shù)、自動校準(zhǔn)及先進(jìn)控制功能，為解決上述難題提供了高效解決方案。該類儀器既可完成精細(xì)的器件性能表征，也能適配規(guī)模化量產(chǎn)測試，全面保障測試的精度、可重復(fù)性與測試效率。
隨著高性能磁傳感器的市場需求持續(xù)攀升（中國及亞洲地區(qū)的需求尤為突出），此類技術(shù)成為銜接實驗室創(chuàng)新與工業(yè)量產(chǎn)的關(guān)鍵紐帶，助力下一代磁性 IC 穩(wěn)定落地、順利推向市場。
在此背景下，生產(chǎn)效率與良率優(yōu)化成為制勝關(guān)鍵。先進(jìn)的晶圓級磁場測試方案，不僅能夠保障器件性能，還可直接助力大規(guī)模量產(chǎn)場景下的工藝管控、良率提升與成本優(yōu)化。
作者簡介
Siamak Salimy ｜Hprobe（Mycronic 旗下公司）的首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人
Siamak Salimy主要負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)公司面向半導(dǎo)體應(yīng)用的先進(jìn)磁性測試解決方案的研發(fā)工作，尤其是專注于磁傳感器的晶圓級測試。
Siamak Salimy在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域擁有極其豐富的經(jīng)驗，涵蓋 CMOS、MEMS、射頻（RF）以及自旋電子學(xué)（spintronics）等方向，此前曾在 Atmel 和 Teledyne Semiconductor 擔(dān)任重要職務(wù)。他擁有法國南特大學(xué)（University of Nantes）的博士學(xué)位以及南特綜合理工學(xué)院（Polytech Nantes）的工程師學(xué)位。
