如何拯救摩爾定律？看ADI的異構集成思路

　　ADI公司總裁兼首席執行官Vincent Roche在對2018年的技術(shù)趨勢展望一文《這些創(chuàng )新將影響我們2018年的生活》中，首次發(fā)出將異構制造的話(huà)題作為產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢的一個(gè)重要觀(guān)察角度。

　　他認為，隨著(zhù)深亞微米技術(shù)的開(kāi)發(fā)成本飛漲和摩爾定律面臨越來(lái)越嚴峻的技術(shù)和成本挑戰，單個(gè)封裝內、單層層壓板甚至單個(gè)硅襯底上多種技術(shù)的異構集成將會(huì )增加。促使異構制造資本化的新型商業(yè)模式將會(huì )涌現，從而使無(wú)力投資最先進(jìn)IC光刻技術(shù)的小規模半導體廠(chǎng)商實(shí)現重組創(chuàng )新。對于涉足范圍更廣且規模更大的供應商來(lái)說(shuō)，將信號處理算法集成到芯片上將有助于提升其方案價(jià)值。

　　異構集成，從兩個(gè)專(zhuān)利技術(shù)應用看起

　　ADI大boss非?？春卯悩嫾?，不得不提到該公司擁有獨特專(zhuān)利的異構制造的典型技術(shù)——iCoupler磁隔離技術(shù)。在維基百科上的介紹是——該技術(shù)核心是穿越隔離阻障發(fā)射與接收信號的平面變壓器，這些變壓器完全由標準半導體制造工藝進(jìn)行集成，變壓器由被聚酰亞胺層分開(kāi)的兩個(gè)線(xiàn)圈組成，聚酰亞胺層起到隔離阻障的作用。

　　這種數字隔離技術(shù)解決了光耦合器的局限性——速度較低、功耗大，而且難于集成其他功能，性能會(huì )隨時(shí)間降低。ADI還將這種芯片級變壓器技術(shù)應用其isoPower?隔離電源，單封裝中實(shí)現隔離式DCDC轉換和數據隔離的集成，使工程師擺脫光耦合器在成本、尺寸、功耗以及性能和可靠性上的限制，在設計中更輕松實(shí)施隔離。ADI公開(kāi)的數據顯示，目前已有10億個(gè)以上采用iCoupler技術(shù)的隔離通道投入應用。

　　4通道iCoupler隔離器結構圖(ADuM140x)

　　要說(shuō)異構制造，當然還要提到通過(guò)幾十年發(fā)展當前已經(jīng)成為主流傳感器和執行器技術(shù)的微機電系統(MEMS)。微機電系統是在微電子技術(shù)(半導體制造技術(shù))基礎上發(fā)展起來(lái)的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件，是最典型的異構制造技術(shù)，集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統。

　　ADI公司在MEMS技術(shù)上也有著(zhù)深厚歷史淵源，公開(kāi)的資料顯示：世界上第一款成功開(kāi)發(fā)、制造并商用的MEMS加速度計是ADI公司于1991年發(fā)布的 ADXL50 加速度計;ADI公司于2002年發(fā)布第一款集成式MEMS陀螺儀 ADXRS150。以此為開(kāi)端，ADI公司建立了以高可靠性、高性能為賣(mài)點(diǎn)的龐大MEMS產(chǎn)品業(yè)務(wù)，已為汽車(chē)、工業(yè)和消費電子應用交付了逾10億只慣性傳感器。

　　ADI引線(xiàn)框芯片級封裝MEMS開(kāi)關(guān)(四開(kāi)關(guān))與典型機電式RF繼電器(四開(kāi)關(guān))的尺寸比較

　　異構制造讓ADI再次在技術(shù)革命上攻城略地，得從2016年年末推出的RF MEMS開(kāi)關(guān)說(shuō)起，ADGM1304和ADGM1004 MEMS開(kāi)關(guān)產(chǎn)品將業(yè)界對MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的探索首次真正投入商用，在提供從0 Hz (DC)到14 GHz的RF性能同時(shí)，采用密封硅電容中的靜電激活開(kāi)關(guān)，以及低壓低電流驅動(dòng)器IC大幅度提升運行性能，并使得開(kāi)關(guān)的體積縮小95%、速度加快了30倍、可靠性提高10倍，功耗僅為原來(lái)的十分之一。

　　RF MEMS開(kāi)關(guān)ADGM1304剖面示意圖

　　開(kāi)關(guān)技術(shù)革命性突破，異構集成再立新功

　　傳統的機電繼電器已經(jīng)在100多年前被電子行業(yè)采用，并在今天依然大量應用，但由傳統繼電器導致的多種性能局限早在電報問(wèn)世之初就已存在。過(guò)去30年來(lái)，MEMS開(kāi)關(guān)一直被標榜為性能有限的機電繼電器的出色替代器件，因為它易于使用、尺寸很小，能夠以極小的損耗可靠地傳送0 Hz/dc至數百GHz信號，業(yè)界一直期待這種技術(shù)能徹底改變電子系統的實(shí)現方式。

　　目前的傳統開(kāi)關(guān)技術(shù)都或多或少存在缺點(diǎn)，沒(méi)有一種產(chǎn)品提供理想解決方案，缺點(diǎn)包括帶寬較窄、動(dòng)作壽命有限、通道數有限以及封裝尺寸較大。與繼電器相比，MEMS技術(shù)一直就有實(shí)現最高水平開(kāi)關(guān)性能的潛力，其可靠性要高出好幾個(gè)數量級，而且尺寸很小。但是，難以通過(guò)大規模生產(chǎn)來(lái)大批量提供可靠產(chǎn)品的挑戰，讓許多試圖開(kāi)發(fā)MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的公司停滯不前。

　　ADI投入大量資金研發(fā)的黃金懸臂梁結構(圖為四個(gè)MEMS懸臂式開(kāi)關(guān)梁)

　　業(yè)界公開(kāi)的資料中，Foxboro Company是最早開(kāi)始MEMS開(kāi)關(guān)研究的公司之一，于1984年申請了世界最早的機電開(kāi)關(guān)專(zhuān)利之一。據ADI公司專(zhuān)家透露，ADI在1990年開(kāi)始通過(guò)一些學(xué)術(shù)項目涉足MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)研究，八年后終于開(kāi)發(fā)出一種MEMS開(kāi)關(guān)設計，并根據該設計制作了一些早期原型產(chǎn)品。2011年，ADI公司開(kāi)始大幅增加了MEMS開(kāi)關(guān)項目投入，從而推動(dòng)了自有先進(jìn)MEMS開(kāi)關(guān)制造設施的建設，并在5年后業(yè)界率先推出真正商用的MEMS開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，堪稱(chēng)對傳統的繼電器開(kāi)關(guān)革命性變革。

　　在A(yíng)DI公開(kāi)的資料中，我們可以看到異構制造技術(shù)研發(fā)上的匠心。為提高開(kāi)關(guān)的靈巧性，ADI采用了由黃金制造懸臂梁結構，同時(shí)為了避免金對金的接觸設計不利于提升動(dòng)作壽命，觸點(diǎn)材料改用硬質(zhì)合金金屬，因此其使用壽命——即開(kāi)關(guān)次數——得到了大幅提升。每個(gè)懸臂梁觸點(diǎn)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(kāi)關(guān)導通。當導通時(shí)，靜電吸引力將懸臂拉下來(lái)，全部5個(gè)觸點(diǎn)都降下來(lái)，每個(gè)觸點(diǎn)的導通電阻均為5歐姆，組合后，整體導通電阻會(huì )小很多，從而能傳輸功率達36dBm。而觸點(diǎn)導通時(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(zhuān)利的密封殼技術(shù)，均有助于提高可靠性，可靠性是機械設計的關(guān)鍵。

　　作為異構集成的一個(gè)新成功典范，使開(kāi)關(guān)性能和尺寸縮減實(shí)現了大跨越。RF MEMS開(kāi)關(guān)ADGM1304和ADGM1004實(shí)現了同類(lèi)最佳的0 Hz/dc至Ka波段及以上的性能，比繼電器高出若干數量級的循環(huán)壽命以及出色的線(xiàn)性度、超低功耗要求，解決了傳統MEMS技術(shù)局限該商業(yè)應用的多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，從而幫助工程師開(kāi)發(fā)出更快速、小巧、節能、可靠的產(chǎn)品。