利用黃金，打造的芯片的極限性能！

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。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。

利用黃金，打造的芯片的極限性能！

在電子設(shè)計領(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。

神秘黃金結(jié)構(gòu)件打造革命性的開關(guān)性能

ADI 發(fā)布宣稱革命性的兩款RF MEMS 開關(guān)——帶集成驅(qū)動器的 0Hz 至 13GHz MEMS 開關(guān) ADGM1004 和集成驅(qū)動器的 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，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。

動作壽命：保證至少 10 億次動作循環(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子谑褂茫叽绾苄?，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 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，靜電吸引力將懸臂拉下來，全部 5 個觸點(diǎn)都降下來，每個觸點(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)計并不利于提升動作壽命，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)通時的實(shí)際移動距離只有0.3微米，微小的移動距離、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€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，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。整個過程可能只需要幾百個小時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小時后便會出現(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多小時后依然完好無損。

圖3：195℃下500小時后的金/鋁線焊。

圖4：195℃下6000小時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)品都有至少三個批次需要在最高溫度下進(jìn)行最少 1000 小時的測試，確保符合數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格?；谶@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 ADXL206、陀螺儀 ADXRS645、儀表放大器 AD8229 以及多路復(fù)用器 ADG798 以及 ADG5298 等。