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(zhí)行官Vincent Roche在對2018年的技術趨勢展望一文《這些創(chuàng)新將影響我們2018年的生活》中，首次發(fā)出將異構制造的話題作為產業(yè)未來發(fā)展趨勢的一個重要觀察角度。

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

　　異構集成，從兩個專利技術應用看起

　　ADI大boss非?？春卯悩嫾?，不得不提到該公司擁有獨特專利的異構制造的典型技術——iCoupler磁隔離技術。在維基百科上的介紹是——該技術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行集成，變壓器由被聚酰亞胺層分開的兩個線圈組成，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，性能會隨時間降低。ADI還將這種芯片級變壓器技術應用其isoPower?隔離電源，單封裝中實現隔離式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，在設計中更輕松實施隔離。ADI公開的數據顯示，目前已有10億個以上采用iCoupler技術的隔離通道投入應用。

　　4通道iCoupler隔離器結構圖(ADuM140x)

　　要說異構制造，當然還要提到通過幾十年發(fā)展當前已經成為主流傳感器和執(zhí)行器技術的微機電系統(MEMS)。微機電系統是在微電子技術(半導體制造技術)基礎上發(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械加工等技術制作的高科技電子機械器件，是最典型的異構制造技術，集微傳感器、微執(zhí)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。以此為開端，ADI公司建立了以高可靠性、高性能為賣點的龐大MEMS產品業(yè)務，已為汽車、工業(yè)和消費電子應用交付了逾10億只慣性傳感器。

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

　　異構制造讓ADI再次在技術革命上攻城略地，得從2016年年末推出的RF MEMS開關說起，ADGM1304和ADGM1004 MEMS開關產品將業(yè)界對MEMS開關技術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，采用密封硅電容中的靜電激活開關，以及低壓低電流驅動器IC大幅度提升運行性能，并使得開關的體積縮小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ADGM1304剖面示意圖

　　開關技術革命性突破，異構集成再立新功

　　傳統的機電繼電器已經在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世之初就已存在。過去30年來，MEMS開關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能徹底改變電子系統的實現方式。

　　目前的傳統開關技術都或多或少存在缺點，沒有一種產品提供理想解決方案，缺點包括帶寬較窄、動作壽命有限、通道數有限以及封裝尺寸較大。與繼電器相比，MEMS技術一直就有實現最高水平開關性能的潛力，其可靠性要高出好幾個數量級，而且尺寸很小。但是，難以通過大規(guī)模生產來大批量提供可靠產品的挑戰(zhàn)，讓許多試圖開發(fā)MEMS開關技術的公司停滯不前。

　　ADI投入大量資金研發(fā)的黃金懸臂梁結構(圖為四個MEMS懸臂式開關梁)

　　業(yè)界公開的資料中，Foxboro Company是最早開始MEMS開關研究的公司之一，于1984年申請了世界最早的機電開關專利之一。據ADI公司專家透露，ADI在1990年開始通過一些學術項目涉足MEMS開關技術研究，八年后終于開發(fā)出一種MEMS開關設計，并根據該設計制作了一些早期原型產品。2011年，ADI公司開始大幅增加了MEMS開關項目投入，從而推動了自有先進MEMS開關制造設施的建設，并在5年后業(yè)界率先推出真正商用的MEMS開關產品，堪稱對傳統的繼電器開關革命性變革。

　　在ADI公開的資料中，我們可以看到異構制造技術研發(fā)上的匠心。為提高開關的靈巧性，ADI采用了由黃金制造懸臂梁結構，同時為了避免金對金的接觸設計不利于提升動作壽命，觸點材料改用硬質合金金屬，因此其使用壽命——即開關次數——得到了大幅提升。每個懸臂梁觸點采用靜電動作方式，在懸臂梁下方施加高壓直流電壓，以控制開關導通。當導通時，靜電吸引力將懸臂拉下來，全部5個觸點都降下來，每個觸點的導通電阻均為5歐姆，組合后，整體導通電阻會小很多，從而能傳輸功率達36dBm。而觸點導通時的實際移動距離只有0.3微米，微小的移動距離、以及ADI專利的密封殼技術，均有助于提高可靠性，可靠性是機械設計的關鍵。

　　作為異構集成的一個新成功典范，使開關性能和尺寸縮減實現了大跨越。RF MEMS開關ADGM1304和ADGM1004實現了同類最佳的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MEMS技術局限該商業(yè)應用的多個技術難點，從而幫助工程師開發(fā)出更快速、小巧、節(jié)能、可靠的產品。