两款RF MEMS开关设计固有的“逆天”性能

唐代文学家陆龟蒙的黄金诗称“自古黄金贵，犹沽骏与才”，这句话在 1000 多年后的今天竟然依然没过时。黄金因其特有的天然属性，即使在经济十分繁荣的今天，既是储备和投资的特殊通货，又是首饰业的“霸主”，甚至是电子业、现代通信、航天航空业等特殊行业它也是重要材料。

在电子设计领域，可能对部分音响发烧友的工程师朋友来说，黄金在电子产品中的应用印象大概来自那个音频信号“无损”传输高保真音响顶配的镀金音频线开始。更多的工程师，是从坊间芯片提炼黄金的媒体报道中获知。其实，我们身边不乏这样的“黄金芯片”，ADI 发布的 RF MEMS 开关再次将黄金的优良金属性能在芯片中的应用发挥到极致。我们不妨来看看这些黄金造的芯片过人之处。

  神秘黄金结构件打造革命性的开关性能

ADI 发布宣称革命性的两款RF MEMS 开关——带集成驱动器的 0Hz 至 13GHz MEMS 开关 ADGM1004 和集成驱动器的 DC 至 14GHz 单刀四掷 MEMS 开关 ADGM1304。MEMS 开关的关键优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了 0 Hz/dc 精密性能、宽带RF性能以及比继电器优越得多的可靠性。此外，该系列 MEMS 开关设计固有的“逆天”性能还表现如下：

• 精密直流性能：已实现 < 2Ω RON、0.5nA 关断漏电流、-110dBc 总谐波失真 (THD +N) 的精密性能，并且有能力通过梁和衬底优化全面提高性能水平。

• 线性度性能：输入信号音为 27dBm 时，三阶交调截点 (IP3) 超过 69dBm。在全部工作频段上有提高到 75dBm 以上的潜力。

• 动作寿命：保证至少 10 亿次动作循环，这远远超过了当今市场上的任何机械继电器，后者的额定循环次数通常少于 1000 万次。

• 功率处理(RF/dc)：已在全部工作频段上测试了 40dBm 以上的功率，在较低或较高频率时性能不下降。对于直流信号，该开关技术允许 200mA 以上的电流通过。

上面这些性能无疑都是非常出色的，这也是为什么过去 30 年来 MEMS 开关一直被标榜为性能有限的机电继电器的出色替代器件——因为它易于使用，尺寸很小，能够以极小的损耗可靠地传送 0Hz/dc 至数百GHz信号，有机会彻底改变电子系统的实现方式。但由于传统工艺的局限性，这种美好的性能一直也只能是一种想象，而 ADI 推出的这两款芯片第一次真正的实现了商业化的应用。而在里面发挥关键作用的，就是下图的黄金打造的 MEMS 悬臂开关梁。

图1：MEMS开关芯片中的关键结构件——镀金MEMS悬臂开关梁。

习惯于电路设计的工程师，可能并不习惯 MEMS 芯片内部的结构件，事实上每一个 MEMS 器件都拥有大量的机械结构部件。上图展示的就是被 ADI 工程师们私下称为“金手指”的黄金悬梁臂结构件显微图，仅厚 6 微米的小巧结构有 5 根手指（触点），而这是该开关器件能成为业界革命性产品的关键，ADI 投入了大量资金研发镀金技术，借助专门的 MEMS 生产线打造这些高度一致的产品。

“金手指”采用静电动作方式，在悬臂梁下方施加高压直流电压以控制开关导通。当导通时，静电吸引力将悬臂拉下来，全部 5 个触点都降下来，每个触点的导通电阻均为 5 欧姆，组合后，整体导通电阻会小很多，能让更大功率通过。经过测试，“金手指”的传输功率可达 36dBm。

悬臂梁由黄金制造，不过金对金的接触设计并不利于提升动作寿命，所以触点材料改用硬质合金金属，因此其使用寿命——即开关次数得到了大幅提升。“金手指”导通时的实际移动距离只有0.3微米，微小的移动距离、以及ADI专利的密封壳技术，均有助于提高可靠性，可靠性是机械设计的关键。由四组‘金手指’构成的MEMS继电器产品可以实现10亿次的开关寿命，单就动作次数而言，这已称得上是开关领域最具革命性的突破了！

引线焊盘也是利用金线焊接将MEMS芯片连接到一个金属引线框，然后封装到塑料四方扁平无引线(QFN)封装中以便能轻松表贴在PCB上。芯片并不局限于任何一种封装技术。这是因为一个高电阻率硅帽被焊接到MEMS芯片，在MEMS开关器件周围形成一个气密保护外壳。无论使用何种外部封装技术，这种气密外壳都能提高开关的环境鲁棒性和使用寿命。

图2：驱动器IC（左）和MEMS开关芯片（右）安装并线焊在金属引线框架上。

采用黄金材料的合金在高温中经受“炼狱般的考验”

上面的开关产品中很好地利用了黄金的良好导电性，而其实黄金的优良物理化学特性还包括具有极高的抗化学腐蚀和抗变色性能力，并且在1000摄氏度高温下不熔化、不氧化、不变色、不损耗，而其抗高温特性同样在电子产品中获得很多应用。

许多应用需要能在125℃以上环境下工作的信号处理解决方案，但对于采用标准设计的集成电路其最高工作温度通常仅规定为125℃。无论是在地下一英里处操纵油钻还是对喷气式发动机进行精密测量，都需要在接近极端温度的环境下作业，因此需要借助专门的解决方案来保证性能和可靠性。对于这类要求严苛的应用，ADI提供了专为极端温度设计的产品，该产品系列经认证可在175℃至210℃高温环境下工作，特别适合对石油和天然气勘探、地热监测、工业引擎控制及其他应用。

事实上，通常如果将这类集成电路暴露于极端温度环境下，其性能和可靠性往往还会受许多因素的影响而有所降低。例如，衬底漏电流以指数方式增加以及器件参数随温度变化都会导致性能大打折扣。而诸如电子迁移等硅片级问题以及线焊磨损等封装级问题也会损害可靠性。为了克服这些挑战，ADI的高温产品系列特别采用了创新硅工艺、封装和测试技术进行设计，并且经认证可在高温环境下工作。

这其中，基于黄金材料的工艺发挥了重要作用，ADI专为HT塑料封装打造的线焊工艺是在高温环境中保证封装可靠性的另一项主力技术。普通的金/铝线焊将随着温度的升高而退化，形成含空隙的易碎金属间化合物，削弱焊接强度。整个过程可能只需要几百个小时ADI在HT塑料封装多加了一道镍钯金金属化工序，以获得金焊盘表面，然后与金线一起实现精致的金属焊接，从而避免形成金属间化合物。下图显示了使用该项技术所获得的可靠性提升——在高温环境中，标准金/铝焊接在500小时后便会出现明显的空隙并形成金属间化合物，而右侧采用镍钯金金属化工艺的焊接在6000多小时后依然完好无损。

图3：195℃下500小时后的金/铝线焊。

图4：195℃下6000小时后加装镍钯金隔离的金/金线焊。

ADI 的 HT 产品工序流程中包含针对高温应用需求定制的综合可靠性认证计划。所有 HT 产品均符合 JEDEC JESD22‐A108 规范的高温运行寿命(HTOL)测试。每款产品都有至少三个批次需要在最高温度下进行最少 1000 小时的测试，确保符合数据手册技术规格。基于这类工艺技术的产品，业界工程领域熟悉的还包括加速度计 ADXL206、陀螺仪 ADXRS645、仪表放大器 AD8229 以及多路复用器 ADG798 以及 ADG5298 等。