兩款RF MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)固有的“逆天”性能

唐代文學(xué)家陸龜蒙的黃金詩稱“自古黃金貴，猶沽駿與才”，這句話在 1000 多年后的今天竟然依然沒過時(shí)。黃金因其特有的天然屬性，即使在經(jīng)濟(jì)十分繁榮的今天，既是儲(chǔ)備和投資的特殊通貨，又是首飾業(yè)的“霸主”，甚至是電子業(yè)、現(xiàn)代通信、航天航空業(yè)等特殊行業(yè)它也是重要材料。

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可能對部分音響發(fā)燒友的工程師朋友來說，黃金在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用印象大概來自那個(gè)音頻信號“無損”傳輸高保真音響頂配的鍍金音頻線開始。更多的工程師，是從坊間芯片提煉黃金的媒體報(bào)道中獲知。其實(shí)，我們身邊不乏這樣的“黃金芯片”，ADI 發(fā)布的 RF MEMS 開關(guān)再次將黃金的優(yōu)良金屬性能在芯片中的應(yīng)用發(fā)揮到極致。我們不妨來看看這些黃金造的芯片過人之處。

ADI 發(fā)布宣稱革命性的兩款RF MEMS 開關(guān)——帶集成驅(qū)動(dòng)器的 0Hz 至 13GHz MEMS 開關(guān) ADGM1004 和集成驅(qū)動(dòng)器的 DC 至 14GHz 單刀四擲 MEMS 開關(guān) ADGM1304。MEMS 開關(guān)的關(guān)鍵優(yōu)勢是它在一個(gè)非常小的表貼封裝中實(shí)現(xiàn)了 0 Hz/dc 精密性能、寬帶RF性能以及比繼電器優(yōu)越得多的可靠性。此外，該系列 MEMS 開關(guān)設(shè)計(jì)固有的“逆天”性能還表現(xiàn)如下：

• 精密直流性能：已實(shí)現(xiàn) < 2Ω RON、0.5nA 關(guān)斷漏電流、-110dBc 總諧波失真 (THD +N) 的精密性能，并且有能力通過梁和襯底優(yōu)化全面提高性能水平。

• 線性度性能：輸入信號音為 27dBm 時(shí)，三階交調(diào)截點(diǎn) (IP3) 超過 69dBm。在全部工作頻段上有提高到 75dBm 以上的潛力。

• 動(dòng)作壽命：保證至少 10 億次動(dòng)作循環(huán)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)今市場上的任何機(jī)械繼電器，后者的額定循環(huán)次數(shù)通常少于 1000 萬次。

• 功率處理(RF/dc)：已在全部工作頻段上測試了 40dBm 以上的功率，在較低或較高頻率時(shí)性能不下降。對于直流信號，該開關(guān)技術(shù)允許 200mA 以上的電流通過。

上面這些性能無疑都是非常出色的，這也是為什么過去 30 年來 MEMS 開關(guān)一直被標(biāo)榜為性能有限的機(jī)電繼電器的出色替代器件——因?yàn)樗子谑褂?，尺寸很小，能夠以極小的損耗可靠地傳送 0Hz/dc 至數(shù)百GHz信號，有機(jī)會(huì)徹底改變電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。但由于傳統(tǒng)工藝的局限性，這種美好的性能一直也只能是一種想象，而 ADI 推出的這兩款芯片第一次真正的實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的應(yīng)用。而在里面發(fā)揮關(guān)鍵作用的，就是下圖的黃金打造的 MEMS 懸臂開關(guān)梁。

圖1：MEMS開關(guān)芯片中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件——鍍金MEMS懸臂開關(guān)梁。

習(xí)慣于電路設(shè)計(jì)的工程師，可能并不習(xí)慣 MEMS 芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)件，事實(shí)上每一個(gè) MEMS 器件都擁有大量的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。上圖展示的就是被 ADI 工程師們私下稱為“金手指”的黃金懸梁臂結(jié)構(gòu)件顯微圖，僅厚 6 微米的小巧結(jié)構(gòu)有 5 根手指（觸點(diǎn)），而這是該開關(guān)器件能成為業(yè)界革命性產(chǎn)品的關(guān)鍵，ADI 投入了大量資金研發(fā)鍍金技術(shù)，借助專門的 MEMS 生產(chǎn)線打造這些高度一致的產(chǎn)品。

“金手指”采用靜電動(dòng)作方式，在懸臂梁下方施加高壓直流電壓以控制開關(guān)導(dǎo)通。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，靜電吸引力將懸臂拉下來，全部 5 個(gè)觸點(diǎn)都降下來，每個(gè)觸點(diǎn)的導(dǎo)通電阻均為 5 歐姆，組合后，整體導(dǎo)通電阻會(huì)小很多，能讓更大功率通過。經(jīng)過測試，“金手指”的傳輸功率可達(dá) 36dBm。

懸臂梁由黃金制造，不過金對金的接觸設(shè)計(jì)并不利于提升動(dòng)作壽命，所以觸點(diǎn)材料改用硬質(zhì)合金金屬，因此其使用壽命——即開關(guān)次數(shù)得到了大幅提升?！敖鹗种浮睂?dǎo)通時(shí)的實(shí)際移動(dòng)距離只有0.3微米，微小的移動(dòng)距離、以及ADI專利的密封殼技術(shù)，均有助于提高可靠性，可靠性是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由四組‘金手指’構(gòu)成的MEMS繼電器產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)10億次的開關(guān)壽命，單就動(dòng)作次數(shù)而言，這已稱得上是開關(guān)領(lǐng)域最具革命性的突破了！

引線焊盤也是利用金線焊接將MEMS芯片連接到一個(gè)金屬引線框，然后封裝到塑料四方扁平無引線(QFN)封裝中以便能輕松表貼在PCB上。芯片并不局限于任何一種封裝技術(shù)。這是因?yàn)橐粋€(gè)高電阻率硅帽被焊接到MEMS芯片，在MEMS開關(guān)器件周圍形成一個(gè)氣密保護(hù)外殼。無論使用何種外部封裝技術(shù)，這種氣密外殼都能提高開關(guān)的環(huán)境魯棒性和使用壽命。

圖2：驅(qū)動(dòng)器IC（左）和MEMS開關(guān)芯片（右）安裝并線焊在金屬引線框架上。

采用黃金材料的合金在高溫中經(jīng)受“煉獄般的考驗(yàn)”

上面的開關(guān)產(chǎn)品中很好地利用了黃金的良好導(dǎo)電性，而其實(shí)黃金的優(yōu)良物理化學(xué)特性還包括具有極高的抗化學(xué)腐蝕和抗變色性能力，并且在1000攝氏度高溫下不熔化、不氧化、不變色、不損耗，而其抗高溫特性同樣在電子產(chǎn)品中獲得很多應(yīng)用。

許多應(yīng)用需要能在125℃以上環(huán)境下工作的信號處理解決方案，但對于采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的集成電路其最高工作溫度通常僅規(guī)定為125℃。無論是在地下一英里處操縱油鉆還是對噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行精密測量，都需要在接近極端溫度的環(huán)境下作業(yè)，因此需要借助專門的解決方案來保證性能和可靠性。對于這類要求嚴(yán)苛的應(yīng)用，ADI提供了專為極端溫度設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品系列經(jīng)認(rèn)證可在175℃至210℃高溫環(huán)境下工作，特別適合對石油和天然氣勘探、地?zé)岜O(jiān)測、工業(yè)引擎控制及其他應(yīng)用。

事實(shí)上，通常如果將這類集成電路暴露于極端溫度環(huán)境下，其性能和可靠性往往還會(huì)受許多因素的影響而有所降低。例如，襯底漏電流以指數(shù)方式增加以及器件參數(shù)隨溫度變化都會(huì)導(dǎo)致性能大打折扣。而諸如電子遷移等硅片級問題以及線焊磨損等封裝級問題也會(huì)損害可靠性。為了克服這些挑戰(zhàn)，ADI的高溫產(chǎn)品系列特別采用了創(chuàng)新硅工藝、封裝和測試技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且經(jīng)認(rèn)證可在高溫環(huán)境下工作。

這其中，基于黃金材料的工藝發(fā)揮了重要作用，ADI專為HT塑料封裝打造的線焊工藝是在高溫環(huán)境中保證封裝可靠性的另一項(xiàng)主力技術(shù)。普通的金/鋁線焊將隨著溫度的升高而退化，形成含空隙的易碎金屬間化合物，削弱焊接強(qiáng)度。整個(gè)過程可能只需要幾百個(gè)小時(shí)ADI在HT塑料封裝多加了一道鎳鈀金金屬化工序，以獲得金焊盤表面，然后與金線一起實(shí)現(xiàn)精致的金屬焊接，從而避免形成金屬間化合物。下圖顯示了使用該項(xiàng)技術(shù)所獲得的可靠性提升——在高溫環(huán)境中，標(biāo)準(zhǔn)金/鋁焊接在500小時(shí)后便會(huì)出現(xiàn)明顯的空隙并形成金屬間化合物，而右側(cè)采用鎳鈀金金屬化工藝的焊接在6000多小時(shí)后依然完好無損。

圖3：195℃下500小時(shí)后的金/鋁線焊。

圖4：195℃下6000小時(shí)后加裝鎳鈀金隔離的金/金線焊。

ADI 的 HT 產(chǎn)品工序流程中包含針對高溫應(yīng)用需求定制的綜合可靠性認(rèn)證計(jì)劃。所有 HT 產(chǎn)品均符合 JEDEC JESD22‐A108 規(guī)范的高溫運(yùn)行壽命(HTOL)測試。每款產(chǎn)品都有至少三個(gè)批次需要在最高溫度下進(jìn)行最少 1000 小時(shí)的測試，確保符合數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格。基于這類工藝技術(shù)的產(chǎn)品，業(yè)界工程領(lǐng)域熟悉的還包括加速度計(jì) ADXL206、陀螺儀 ADXRS645、儀表放大器 AD8229 以及多路復(fù)用器 ADG798 以及 ADG5298 等。