如何破局晶圆级磁性测试瓶颈，实现TMR传感器高效量产？

引言

磁传感技术现已成为现代电子系统的核心基础，能够在广泛应用中精准检测位置、速度、电流与方向。随着各行业加速迈向电气化、自动化与智能化系统，市场对传感解决方案的精度、可靠性和能效也提出了更高要求。

在现有的各类技术中，隧道磁阻（TMR）传感器凭借高灵敏度、低功耗以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）集成的兼容性，已成为一种领先的解决方案。过去十年间，TMR 器件已从早期实验室研发，演变为广泛应用于工业、汽车电子、消费电子、机器人及医疗领域的核心元器件。

与霍尔（Hall）、各向异性磁电阻（AMR）及巨磁电阻（GMR）传感器相比，TMR 技术具备更出色的信噪比与线性度。然而，伴随着这些优势，晶圆级测试与分选流程也更为复杂。在晶圆测试环节，TMR 器件需要在特定方向、幅度与空间均匀性都极为精确的三维磁场下进行测试，这给传感器制造商、晶圆代工厂及测试设备供应商带来了巨大挑战。

随着全球产能持续扩大，尤其是在中国市场，受电动汽车、机器人、智能制造及互联消费电子设备的强劲需求驱动，上述挑战愈发突出。因此，高效、精准且可规模化的晶圆级测试解决方案，对于助力基于 TMR 的系统实现产业化至关重要。

磁传感技术概述

半导体集成电路中采用的磁传感技术包含多种方案，并且在性能上各有权衡和取舍。

霍尔效应传感器的工作原理，是基于电荷载流子在磁场作用下发生的偏转。这类传感器被广泛用于成本敏感型应用，尤其适用于中低精度场景中的位置与电流检测，尽管其性能易受芯片封装过程中的温度漂移与机械应力影响。

AMR 传感器利用电流流向与磁化方向夹角所产生的电阻变化实现工作。其灵敏度高于霍尔传感器，通常用于汽车与导航领域，但相较更先进的技术，其线性度与噪声性能仍有不足。

GMR 传感器采用多层薄膜结构，凭借自旋输运效应实现磁场下的电阻变化。相较于 AMR 传感器，GMR 传感器的灵敏度更高，已广泛应用于工业领域与数据存储领域，但输出信号仍不及 TMR 器件。

基于磁隧道结（MTJ）的TMR 传感器是目前最先进的磁阻类传感器。它包括自由层与参考层两层铁磁层，中间隔着一层超薄绝缘势垒（通常为氧化镁 MgO）。当施加偏置电压时，电子依靠隧穿效应穿过势垒，而电导率则由两层铁磁层磁化方向的相对排列决定。在平行组态下，电阻最小，夹角发生偏移，则电阻随之升高。这一机理使得 TMR 的磁阻比能够轻松超过 100%，具有输出信号强、低噪声的优势，还可实现低至几微特斯拉级别的微弱磁场检测。

图 1：TMR 传感器示意图

基于磁隧道结（MTJ）的 TMR 传感器结构与工作原理，展示了电阻如何随自由层与参考层之间的磁化方向的排列而变化。

应用拓展与市场增长

2023 年，全球磁传感器市场规模约30 亿美元，预计到 2028 年将以超 4% 的年复合增长率（CAGR）持续增长；TMR 传感器凭借高灵敏度、出色的可扩展性与集成能力，将成为增速最快的细分领域。

TMR传感器正广泛应用于各行各业：

工业系统：工厂自动化、能源系统及可再生能源逆变器中的电机控制、精密编码器与电流检测；在这些场景中，设备在温度变化和电磁干扰下保持稳定运行至关重要。

汽车应用：电动助力转向、牵引电机、电池管理系统、轮速检测、换挡监测及高级驾驶辅助系统（ADAS）。

消费电子：智能手机、可穿戴设备和平板电脑，以及电子罗盘、方向检测、手势识别及增强现实（AR）等支持功能。

机器人：工业与协作机器人，提供高分辨率编码器及关节位置反馈。

医疗设备：检测人体生理活动产生的微弱磁场。

中国在这一发展进程中扮演核心角色，无论是电动出行、工业自动化、机器人，还是先进电子制造领域，都展现出了强劲的发展势头。中国的电动汽车产量、电池系统与智能制造基础设施的快速扩张，正持续推动对于高精度传感技术的需求。与此同时，随着本土半导体实力不断提升，先进封装测试生态持续发展，行业对于能够适配下一代器件、可规模量产的高性能晶圆级测试解决方案的需求也变得愈发迫切。

晶圆级测试：一项复杂的技术挑战

尽管 TMR 传感器优势显著，但其晶圆级测试环节复杂度极高。

与通常在相对较低磁场下工作的霍尔器件或各向异性磁阻（AMR）器件不同， TMR 传感器需要微特斯拉至数百毫特斯拉范围内的可控磁场。测试需覆盖两种测量模式：

小回线（minor loop）：磁场通常为几十毫特斯拉，用于表征传感器的线性响应

大回线（major loop）：需施加高达数百毫特斯拉的磁场，使器件达到磁饱和状态

此外，TMR 传感器可在平面模式下工作，也可作为三维角度传感器，这就要求对 X、Y、Z 三轴方向的磁场矢量进行精准控制。

晶圆级测试通常使用自动探针台完成，晶圆被放置于金属吸盘上。该结构将磁场生成系统限制在上半空间，并对如何施加磁刺激（Magnetic Stimuli）产生了制约，因此必须采用投影式磁场（Projected Magnetic Field）方案。

由于探针测试环境中存在各种寄生效应，想要实现高精度测试极具挑战性。探针卡或探针腔室的金属部件，会通过屏蔽效应与涡流效应造成磁场畸变。为抵消这些影响，不仅需配备搭载原位磁场传感器的闭环校准系统，还需要精密的机械定位系统。

为了提升产能（Throughput），测试过程必须进行快速且可重复的磁场扫描。然而，扫描速度提升会加剧涡流效应，导致测试精度下降。与此同时，为提升测试效率所采用的并行测试方案，也带来了更多技术难题。

总体而言，TMR 传感器的晶圆级测试需要在多项相互制约的关键参数间寻求平衡：包括磁场强度、精度、均匀性、扫场速度与并行测试能力。然而，单一参数的提升，往往以牺牲其他参数为代价，这使得系统的整体优化难度变得异常复杂。

专用磁测试解决方案

为应对上述挑战，Hprobe 开发的专用磁测试仪器已面市，专门用于 TMR 及相关磁传感器的晶圆级测试。

Hprobe用于磁传感器测试的测试仪器

这类仪器集成了专有的三维磁场发生器，可投射 X、Y、Z 三轴分量独立可控的矢量磁场。它们可作为磁场任意波形发生器使用，实现灵活、可编程的磁激励波形。

针对不同的具体需求，不同的系统配置也进行了优化，包括：

最大化面内场强（X#x2011;Y方向）或面外场强（Z方向）

实现大面积的磁场均匀性

实现超快速扫场（高 dB/dt）

为 2D 及 3D 测量提供精确的角度控制

典型的运行参数范围包括：

低场工作模式：可低至约 1 mT

全三维矢量控制：任意方向高达 ~200 mT

单轴模式：垂直方向上最高可达到~650mT，在面内方向上可达到~500mT

为了确保测试的精度和可重复性，每个系统均集成一个自动磁场校准单元（FCU），并在被测设备（DUT）的位置放置了一个经过校准的 3D 传感器，这样一来，系统就能对磁矢量进行实时校准，并补偿包括地磁场等环境因素在内的残磁场，最终，其测试精度可优于 10 μT。

作为晶圆级探测的一站式解决方案，该系统（三维磁场测试仪器）可与商用自动测试设备（ATE）或定制化测试系统连接；支持基于 TCP/IP 协议的 SCPI 指令控制，能够实现磁激励与电学测试的同步联动。

该系统兼容标准探针卡，支持多探针配置，可覆盖 #x2011;40 ℃ 到 200 ℃ 的温度范围，既能满足研发需求，也适用于大规模量产场景。

图 2：Hprobe 的3D磁场发生器配置

展示了晶圆级测试所用 3D 磁场发生器的配置，分别呈现出面内、面外及完整 3D矢量磁场控制的各类优化模式。

小结

TMR 技术已成为下一代磁传感技术的基石，可在各类应用场景中实现高精度、高线性度与低功耗性能。但这类性能优势，也对其晶圆级测试环节提出了严苛要求。

需要在大面积晶圆上实现精准、稳定和全矢量磁场控制，同时具备高吞吐量，并适配自动化测试系统。传统测试方案已无法满足上述要求。

Hprobe 开发的专用磁场测试仪器，集成高精度三维磁场发生器技术、自动校准及先进控制功能，为解决上述难题提供了高效解决方案。该类仪器既可完成精细的器件性能表征，也能适配规模化量产测试，全面保障测试的精度、可重复性与测试效率。

随着高性能磁传感器的市场需求持续攀升（中国及亚洲地区的需求尤为突出），此类技术成为衔接实验室创新与工业量产的关键纽带，助力下一代磁性 IC 稳定落地、顺利推向市场。

在此背景下，生产效率与良率优化成为制胜关键。先进的晶圆级磁场测试方案，不仅能够保障器件性能，还可直接助力大规模量产场景下的工艺管控、良率提升与成本优化。

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作者简介

SiamakSalimy｜Hprobe（Mycronic旗下公司）的首席技术官兼联合创始人

Siamak Salimy主要负责领导公司面向半导体应用的先进磁性测试解决方案的研发工作，尤其是专注于磁传感器的晶圆级测试。

Siamak Salimy在半导体技术领域拥有极其丰富的经验，涵盖 CMOS、MEMS、射频（RF）以及自旋电子学（spintronics）等方向，此前曾在 Atmel 和 Teledyne Semiconductor 担任重要职务。他拥有法国南特大学（University of Nantes）的博士学位以及南特综合理工学院（Polytech Nantes）的工程师学位。

审核编辑 黄宇