了解機電開關的工作壽命和可重復性及其對總體擁有成本的影響(08-100)

　　簡介

　　鑒于在大規模生產環境中，測試成本可能在產品總成本中占據較大比例，降低測試成本一直是制造商亟待解決的難題。以手機測試為例。IDC全球手機季度跟蹤調查顯示，2006年全球手機發貨量逾10億部(10.19億部)，與2005年的8.328億部相比激增22.5%。這種急劇的增長對手機測試所用的自動測試系統(ATS)的可靠性和性能提出苛刻挑戰。

　　大規模元器件制造商一直在尋找既擁有經濟高效的吞吐率，又能提供最高精度和性能的測試解決方案。此外，超大規模集成(VLSI)技術的飛速發展，以及業界對于在單個元器件內集成更多特性和功能(例如將收發信機、功率放大器和相關控制器都集成到一個緊湊型多芯片模塊套件中)的急切需求，都要求制造商擴大測試范圍，將直流和射頻頻譜包括在內。 測試系統和解決方案已變成高度復雜的開關盒或模塊，它們能夠保證高精度、高性能和高可靠性，從而滿足自動測試的要求。這種轉變最終將促使此類系統的擁有成本隨之下降，從而帶來更高的利潤。

　　因此，用戶迫切需要多種開關，在保證精密度(開關可重復性)和精度(射頻技術指標)的情況下在被測件與測試測量系統之間建立各種測試路徑進行測試。其重點還是開關的工作壽命和可靠性。長壽命、高可重復性和高可靠性可減少校準次數，延長測試系統的正常工作時間，確保自動測試系統長期保持測量完整性，從而直接降低擁有成本。

　　本技術文章主要闡述通用機電(EM)開關的工作壽命和可重復性，因為它們是決定總體擁有成本的兩個最重要特性。眾所周知，由于EM開關在功率處理能力和低插入損耗方面的固有優勢，它們比其他開關技術更受歡迎。然而，開關的機械性質意味著開關的壽命、精密度和可靠性取決于開關設計的機制和材料，以及大規模生產時的過程控制。

　　機電開關的工作壽命

　　EM開關的工作壽命可以定義為開關在滿足所有射頻和可重復性技術指標的情況下，將能完成的切換次數。工作壽命指的是開關的電氣壽命而非機械壽命(機械壽命比電氣壽命長得多)。一個切換是指開關中搭接片觸點(有時稱為開關閘刀)的一次斷開和閉合，或電磁線圈的一次通/斷觸發。由于搭接片觸點機制、接觸電阻以及所有主要射頻元器件所用材料和電鍍工藝的不同，開關的工作壽命也會不同。

　　材料成分和電鍍

　　決定機電開關性能和工作壽命的最重要因素是觸點所用的材料、電鍍工藝和表面輪廓。觸點拋光和電鍍材料組合對實現高功率處理能力也非常重要。觸點拋光會影響閉合搭接片觸點對的串行電阻，而電鍍材料會影響組件的接觸電阻和熱傳導。

　　機電開關中使用的搭接片觸點通常以鈹銅合金為主體，然后鍍上一層較薄的、具有良好導電性的金屬層，例如接觸區的鍍金表面。這個薄鍍金層具有出色的抗腐蝕性、低接觸電阻、良好的射頻特性和適合的耐磨性。由于黃金本身具有低電阻、抗氧化和抗環境腐蝕等特性，所以是最佳的觸點電鍍材料。但有一個問題。因為黃金層是直接電鍍到鈹銅表面的，經過一段時間后，銅原子會遷移到黃金層，而金原子將會擴散到鈹銅層。氧化、高溫和潮濕的環境都會加速這種遷移。為了盡量減少金原子和銅原子的遷移和擴散，通常會在鈹銅層和黃金層之間加入某種阻隔材料來防止這種擴散。

　　鈹銅是一種金屬合金，通常含有1.8~2%的鈹(有時還會添加其他合金元素)。 除了有良好的電和熱傳導特性外，這個汞合金在金屬加工方面也有極大的性能優勢。它本身具有良好的熱傳導性和超高的抗張力強度，使搭接片觸點可直接暴露于高溫之下，而不會產生熔化和損壞――這是確保開關長期保持良好的壓力接觸以及延長開關工作壽命的主要因素。

　　傳統的EM開關接觸機制

　　傳統的開關通過移動射頻罩中稱為搭接片觸點(或開關閘刀)的厚矩形觸點完成開關切換。搭接片觸點與推桿相連。推桿通常由絕緣體材料如聚苯乙烯(PS)制成，在射頻罩出入孔內移動。搭接片觸點的端頭受到調節器的機械彈力，直接壓在連接器中心導體端頭的平坦表面上。

　　圖1描述搭接片觸點收回時斷開的射頻線路。圖2描述閉合的射頻線路。其中，搭接片觸點在輸入和輸出端口之間形成橋接，使射頻信號可以在這些端口間傳播。

　　圖1 “斷開的”射頻線路