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如何拯救摩爾定律?看ADI的異構集成思路
發布時間:2018-02-07        浏覽次數:171        返回列表
  ADI公司總裁兼首席執行官Vincent Roche在對2018年的技術趨勢展望一文《這些創新將影響我們2018年的生活》中,首次發出將異構制造的話題作爲産業未來發展趨勢的一個重要觀察角度。下面就隨網絡通信小編一起來了解一下相關內容吧。

 

  他認爲,隨著深亞微米技術的開發成本飛漲和摩爾定律面臨越來越嚴峻的技術和成本挑戰,單個封裝內、單層層壓板甚至單個矽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模式將會湧現,從而使無力投資最先進IC光刻技術的小規模半導體廠商實現重組創新。對于涉足範圍更廣且規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非常看好異構集成,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射與接收信號的平面變壓器,這些變壓器完全由標准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展當前已經成爲主流傳感器和執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)基礎上發展起來的,融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、矽微加工、非矽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技術上也有著深厚曆史淵源,公開的資料顯示:世界上第一款成功開發、制造並商用的MEMS加速度計是ADI公司于1991年發布的 ADXL50 加速度計;ADI公司于2002年發布第一款集成式MEMS陀螺儀 ADXRS150。以此爲開端,ADI公司建立了以高可靠性、高性能爲賣點的龐大MEMS産品業務,已爲汽車、工業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開關産品將業界對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,采用密封矽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,並使得開關的體積縮小95%、速度加快了30倍、可靠性提高10倍,功耗僅爲原來的十分之一。

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多年前被電子行業采用,並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開關一直被標榜爲性能有限的機電繼電器的出色替代器件,因爲它易于使用、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,沒有一種産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,難以通過大規模生産來大批量提供可靠産品的挑戰,讓許多試圖開發MEMS開關技術的公司停滯不前。

ADI投入大量資金研發的黃金懸臂梁結構(圖爲四個MEMS懸臂式開關梁)

  業界公開的資料中,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,八年後終于開發出一種MEMS開關設計,並根據該設計制作了一些早期原型産品。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,並在5年後業界率先推出真正商用的MEMS開關産品,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上的匠心。爲提高開關的靈巧性,ADI采用了由黃金制造懸臂梁結構,同時爲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爲5歐姆,組合後,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。

  作爲異構集成的一個新成功典範,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,比繼電器高出若幹數量級的循環壽命以及出色的線性度、超低功耗要求,解決了傳統MEMS技術局限該商業應用的多個技術難點,從而幫助工程師開發出更快速、小巧、節能、可靠的産品。

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