如何拯救摩爾定律？看ADI的異構(gòu)集成思路

　　ADI公司總裁兼首席執(zhí)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(gòu)制造的話題作為產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢的一個(gè)重要觀察角度。

　　他認(rèn)為，隨著深亞微米技術(shù)的開發(fā)成本飛漲和摩爾定律面臨越來越嚴(yán)峻的技術(shù)和成本挑戰(zhàn)，單個(gè)封裝內(nèi)、單層層壓板甚至單個(gè)硅襯底上多種技術(shù)的異構(gòu)集成將會(huì)增加。促使異構(gòu)制造資本化的新型商業(yè)模式將會(huì)涌現(xiàn)，從而使無力投資最先進(jìn)IC光刻技術(shù)的小規(guī)模半導(dǎo)體廠商實(shí)現(xiàn)重組創(chuàng)新。對于涉足范圍更廣且規(guī)模更大的供應(yīng)商來說，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(gòu)集成，從兩個(gè)專利技術(shù)應(yīng)用看起

　　ADI大boss非?？春卯悩?gòu)集成，不得不提到該公司擁有獨(dú)特專利的異構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝進(jìn)行集成，變壓器由被聚酰亞胺層分開的兩個(gè)線圈組成，聚酰亞胺層起到隔離阻障的作用。

　　這種數(shù)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(yīng)用其isoPower?隔離電源，單封裝中實(shí)現(xiàn)隔離式DCDC轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)中更輕松實(shí)施隔離。ADI公開的數(shù)據(jù)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(yīng)用。

　　4通道iCoupler隔離器結(jié)構(gòu)圖(ADuM140x)

　　要說異構(gòu)制造，當(dāng)然還要提到通過幾十年發(fā)展當(dāng)前已經(jīng)成為主流傳感器和執(zhí)行器技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)(半導(dǎo)體制造技術(shù))基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件，是最典型的異構(gòu)制造技術(shù)，集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、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(tǒng)。

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

　　ADI引線框芯片級封裝MEMS開關(guān)(四開關(guān))與典型機(jī)電式RF繼電器(四開關(guān))的尺寸比較

　　異構(gòu)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開關(guān)說起，ADGM1304和ADGM1004 MEMS開關(guān)產(chǎn)品將業(yè)界對MEMS開關(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關(guān)，以及低壓低電流驅(qū)動(dòng)器IC大幅度提升運(yùn)行性能，并使得開關(guān)的體積縮小95%、速度加快了30倍、可靠性提高10倍，功耗僅為原來的十分之一。

　　RF MEMS開關(guān)ADGM1304剖面示意圖

　　開關(guān)技術(shù)革命性突破，異構(gòu)集成再立新功

　　傳統(tǒng)的機(jī)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(yīng)用，但由傳統(tǒng)繼電器導(dǎo)致的多種性能局限早在電報(bào)問世之初就已存在。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0 Hz/dc至數(shù)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(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。

　　目前的傳統(tǒng)開關(guān)技術(shù)都或多或少存在缺點(diǎn)，沒有一種產(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(shù)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(xiàn)最高水平開關(guān)性能的潛力，其可靠性要高出好幾個(gè)數(shù)量級，而且尺寸很小。但是，難以通過大規(guī)模生產(chǎn)來大批量提供可靠產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，讓許多試圖開發(fā)MEMS開關(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(jié)構(gòu)(圖為四個(gè)MEMS懸臂式開關(guān)梁)

　　業(yè)界公開的資料中，F(xiàn)oxboro Company是最早開始MEMS開關(guān)研究的公司之一，于1984年申請了世界最早的機(jī)電開關(guān)專利之一。據(jù)ADI公司專家透露，ADI在1990年開始通過一些學(xué)術(shù)項(xiàng)目涉足MEMS開關(guān)技術(shù)研究，八年后終于開發(fā)出一種MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)，并根據(jù)該設(shè)計(jì)制作了一些早期原型產(chǎn)品。2011年，ADI公司開始大幅增加了MEMS開關(guān)項(xiàng)目投入，從而推動(dòng)了自有先進(jìn)MEMS開關(guān)制造設(shè)施的建設(shè)，并在5年后業(yè)界率先推出真正商用的MEMS開關(guān)產(chǎn)品，堪稱對傳統(tǒng)的繼電器開關(guān)革命性變革。

　　在ADI公開的資料中，我們可以看到異構(gòu)制造技術(shù)研發(fā)上的匠心。為提高開關(guān)的靈巧性，ADI采用了由黃金制造懸臂梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了避免金對金的接觸設(shè)計(jì)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——即開關(guān)次數(shù)——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，從而能傳輸功率達(dá)36dBm。而觸點(diǎn)導(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。

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