破解晶圆级磁性测试难题，推动TMR传感器迈向高效量产

破解晶圆级磁性测试难题，推动TMR传感器迈向高效量产

磁传感技术作为现代电子系统中的关键组成部分，已被广泛应用于位置、速度、电流和方向的精准检测。随着电气化、自动化和智能化趋势不断加速，各行业对传感器在精度、稳定性和能效方面的要求日益提高。

在众多磁传感技术中，隧道磁阻（TMR）传感器凭借其高灵敏度、低功耗以及与CMOS工艺的高度兼容性，成为当前最具潜力的解决方案。过去十年间，TMR器件已从实验室走向市场，广泛应用于工业、汽车电子、消费电子、机器人及医疗等多个领域。

相比于霍尔（Hall）、各向异性磁电阻（AMR）和巨磁电阻（GMR）传感器，TMR技术在信噪比和线性度方面表现更优。然而，其晶圆级测试与分选流程也更为复杂，尤其是在三维磁场的生成与控制方面，给传感器制造商和测试设备厂商带来了前所未有的挑战。

随着全球产能的持续扩张，特别是中国市场在电动汽车、机器人和智能制造等领域的强劲需求，晶圆级测试的高效性与可扩展性愈发成为推动TMR技术产业化落地的关键。

磁传感技术原理与比较

在半导体集成电路中，磁传感技术涵盖多种实现方式，各具优劣。

霍尔效应传感器依赖电荷载流子在磁场中的偏转效应工作，适用于中低精度的电流和位置检测，但其性能易受温度漂移和机械应力影响。

AMR传感器通过电流与磁化方向夹角的变化实现电阻调节，常用于汽车和导航应用，但其线性度和噪声表现仍不及更先进的技术。

GMR传感器利用多层薄膜结构实现自旋输运效应下的电阻变化，相比AMR灵敏度更高，广泛应用于工业与数据存储领域，但其输出信号仍无法与TMR器件媲美。

基于磁隧道结（MTJ）的TMR传感器是当前最先进的磁阻类传感器。其结构包含自由层和参考层，中间为氧化镁（MgO）绝缘势垒。当施加偏置电压时，电子通过隧穿效应穿越势垒，而电阻则取决于两层磁化方向的相对排列。该机制使得TMR传感器的磁阻比轻松超过100%，具备高灵敏度、低噪声和微弱磁场检测能力。

图1：TMR传感器示意图

该图展示了基于磁隧道结（MTJ）的TMR传感器结构及其工作原理，说明了电阻如何随磁化方向排列变化。

应用拓展与市场增长

2023年，全球磁传感器市场估值约为30亿美元，预计到2028年将以年复合增长率超过4%的速度增长，其中TMR传感器将成为增速最快的细分领域。

TMR传感器在以下领域得到广泛应用：

• 工业系统：用于工厂自动化、可再生能源系统中的电机控制、高精度编码器和电流检测，尤其在复杂电磁环境中保持稳定运行。
• 汽车应用：涵盖电动助力转向、牵引电机、电池管理系统、轮速检测、换挡监测和高级驾驶辅助系统（ADAS）。
• 消费电子：智能手机、可穿戴设备和平板电脑中，支持电子罗盘、方向检测、手势识别和增强现实（AR）等功能。
• 机器人：为工业与协作机器人提供高分辨率编码器和关节位置反馈。
• 医疗设备：用于检测人体生理活动中的微弱磁场。

中国作为全球TMR市场的重要推动力，在电动汽车、工业自动化、机器人和先进电子制造等领域持续发力。随着本土半导体产业的不断升级和封装测试生态的完善，对可规模量产的高性能晶圆级测试方案的需求日益迫切。

晶圆级测试的技术挑战

尽管TMR传感器在性能上表现卓越，但其晶圆级测试环节却面临诸多难题。

与霍尔或AMR器件通常在低磁场下工作不同，TMR传感器需要在微特斯拉至数百毫特斯拉范围内进行可控磁场测试。测试通常包括两种模式：

• 小回线（Minor Loop）：用于表征传感器的线性响应，磁场一般在几十毫特斯拉。
• 大回线（Major Loop）：需施加高达数百毫特斯拉的磁场，以达到磁饱和状态。

此外，TMR传感器既可工作于平面模式，也可作为三维角度传感器，因此对X、Y、Z三轴磁场矢量的精准控制提出了更高要求。

在晶圆级测试中，自动探针台被广泛采用，晶圆通常置于金属吸盘上，使得磁场生成受限于上半空间，必须使用投影式磁场方案。

由于测试环境中存在寄生效应，如屏蔽效应和涡流效应，对磁场的精确控制极具挑战。为提升精度，需要配备闭环校准系统和精密的机械定位系统。

为提高测试吞吐量，测试过程需要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，导致精度下降。同时，为提高效率的并行测试也带来了更多复杂性。

综上，TMR传感器的晶圆级测试需在磁场强度、精度、均匀性、扫场速度和并行能力等多方面实现平衡，而提升某一参数往往以牺牲其他性能为代价，使得系统优化难度极大。

专用磁测试解决方案

为应对上述难题，Hprobe推出了一套专用于TMR及相关磁传感器晶圆级测试的解决方案。

Hprobe磁传感器测试仪器

该系统集成了专有的三维磁场发生器，可独立控制X、Y、Z三轴分量的矢量磁场，并支持任意波形磁激励生成。

系统配置可针对不同需求进行优化，例如：

• 最大化面内磁场（X-Y方向）或面外磁场（Z方向）。
• 实现大面积磁场均匀性。
• 实现超快速扫场（高dB/dt）。
• 为2D及3D测量提供精确角度控制。

典型工作参数包括：

• 低场工作模式：约1 mT。
• 三维矢量控制：任意方向最高至200 mT。
• 单轴模式：垂直方向最高可达650 mT，面内方向可达500 mT。

为确保测试精度与可重复性，系统内置自动磁场校准单元（FCU），并在被测器件（DUT）位置设置校准过的三维传感器，可实时补偿包括地磁场在内的残余磁场，最终测试精度优于10 μT。

该系统可与商用ATE或定制测试系统连接，支持基于TCP/IP协议的SCPI指令控制，实现磁激励与电测试的同步。

系统兼容标准探针卡，支持多探针配置，可在-40 ℃至200 ℃温度范围内稳定运行，既适用于研发也适配大规模量产。

图2：Hprobe 3D磁场发生器配置

展示晶圆级测试中使用的3D磁场发生器配置，分别支持面内、面外及完整3D矢量磁场控制。

结语

TMR传感器凭借其高精度、高线性和低功耗特性，已成为下一代磁传感技术的核心。然而，其晶圆级测试要求高精度、稳定且可扩展的磁场控制，这对传统测试方案提出了挑战。

Hprobe推出的专用磁测试仪器，通过集成高精度三维磁场生成技术、自动校准和先进控制功能，为TMR传感器的测试与量产提供了高效解决方案。该系统不仅支持精细的性能表征，还能够满足规模化测试的需求，确保测试精度与效率。

随着高性能磁传感器在全球市场，特别是中国市场和亚洲区域的需求持续上升，此类先进测试技术正成为连接实验室研发与工业制造的重要桥梁，推动下一代磁性IC顺利落地。

在此背景下，测试效率与良率的优化将成为企业竞争的关键。先进的晶圆级磁场测试方案不仅能保障器件性能，更能助力大规模生产中的工艺控制与成本优化。

作者简介

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

Siamak Salimy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，特别专注于磁传感器的晶圆级测试。

他在CMOS、MEMS、射频（RF）及自旋电子学（spintronics）等领域拥有丰富经验，曾任职于Atmel和Teledyne Semiconductor。他拥有法国南特大学（University of Nantes）的博士学位及南特综合理工学院（Polytech Nantes）的工程师学位。

审核编辑：黄宇