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手机多频带切换力推RF MEMS 开关发展

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作者:吴世湘 编译时间:2006-10-18来源:电子产品世界

手机的发展要求在以低插入损耗进行多频带和多模频带切换的同时仍保持优良的线性特性,这推动了 开关的应用和发展。随着新的复杂波形如WiMAX添加到混合信号上,多频带的切换问题变得更加突出。

目前在全球大规模兴建的3G网络可提供包括数据和点播视频在内的多种业务,网络的发展对手机设计师提出了新的挑战。无线技术的发展已经使得手机可以使用7种不同的无线标准(频带),包括DCS、PCS、GSM、EGSM、CDMA、WCDMA、GPS 和 Wi-Fi(见表1)。每种标准自身均具有独特的特性和限制,并因此产生了自身特有的问题。射频微机电系统( )或许可以帮助工程师设计出既满足集成多频带的需要同时又保持长电池寿命的手机,此外还可以在不断减小手机体积和增加新性能的同时保持廉价。在手机中约有100个元件,其中75%是“无源”元件,如电感或可变电容。版本的这类元件有望使手机变得体积更小而功效更高。

手机现状

目前市场上大部分手机均在天线与手机芯片组的面接处采用发送/接收(T/R)开关,即一种频带开关和/或双工器,如图1所示。使用一只T/R开关还是使用T/R开关的组合要取决于运营商所采用的频带数量。这种开关中的每一类型均满足一个或另一个标准的严格的性能范围,例如T/R开关采用本质上是半双工的时分族标准(TDMA & GSM)。码分族标准适合全双工使用频带,因此采用了一种双信道或多信道双工器。多频带手机可以组合使用所有这三种类型的T/R开关器件,确保全球范围的电话业务。

图1 手机块状示意图

典型的天线开关必须传输高达5GHz频率并且支持绝缘体上硅(SOI)器件、复合半导体,如砷化镓(GaAs)或PIN二极管。这类开关所耗功率极低(15mW),隔离度优良(根据封装,达35dB),插耗低(0.8 dB)。GaAs和PIN二极管方案由于功率处理和灵活性的原因长期以来一直受到青睐。SOI则为新技术进入这块竞争激烈的市场提供了切入点,但如果不采用新的设计技术,SOI超越4GHz的标尺是很困难的。最后一点,标准的CMOS离应用于这个市场依然有距离,但更小的芯片结构将使制造商有可能提供能传输达2.5GHz的高频产品。

T/R切换与频带切换

对于T/R切换的一种替代方案是 MEMS开关。这种开关功耗小、插耗低、隔离度高,且线性特性优异,表2将 MEMS与GaAs 和 SOI技术进行了并排比较。

过去由于空间和功率节省的好处非常突出,T/R开关曾是 MEMS研制厂商的开发重点。由于 MEMS开关的推广速度缓慢而T/R开关具有价格竞争力的优势,使得 MEMS的价格不为市场所接受。目前,新的切换应用——频带切换已经出现,对于手机兼容性的需求已经迫使手机厂商实施三频带、四频带及多模方案。在多种不同的无线频带之间切换使开发一种单个容纳所有频带的世界性手机的可能性更加复杂。图2示出了对于作为T/R开关父集的开关的潜在要求。 MEMS可以为现有的固态开关提供一种潜在的替代方案,但主要发展障碍与当初IC面临的与分立半导体电子器件的竞争情况相类似:成本、可制造性,可靠性和性能。

图2  适用于各类手机标准的一种多频带开关的实例

MEMS简介

MEMS技术可追溯到1970年代,在电子和高科技行业中,MEMS开关被认为有希望进入光切换市场,光切换市场在2000年以后发展缓慢导致了MEMS开关的发展受阻。但是手机市场在持续增长的同时,也随之出现了多频带/多模手机的问题,这促使业界重新关注切换用MEMS和MEMS的其他性能。

MEMS开关器件类似于机械继电器,但是结构一般是在亚毫米或几百微米尺寸。这种尺寸使得这种器件具有吸引力,因为他们使获得理想的占用1mm2或更小空间的综合切换方案成为可能。此外,这种开关能加以更改而生成许多微型应用,如延迟线和开关电容网络。

在理论上,对于可以正常传输并控制50GHz信号的设备, MEMS技术能够超越高速半导体性能,只是许多因素制约了 MEMS在手机应用中的可行性,包括制造工艺、封装(气密性隔离和寄生效应)、控制电压、长期切换寿命循环(触点粘接)、切换速度、RoHS符合性(回流温度)及制造成本。

MEMS开关与光MEMS开关没有太多的不同,只是由于功率处理的要求,为限制并降低电流和生成的热量对开关触点的影响,采用的设计技术必须做轻微的改变。典型 MEMS开关均具有一种悬壁梁(一种铆在一个点上的悬着的梁),并利用静电或电磁来驱动。触头位于每个悬壁梁“浮动”的一端,而所采用的导体金属一般是半导体制造中不常用的。

问题和解决方案

制造

MEMS器件是在多种衬底顶部上做成分层结构。制造的选项包括半导体加工,一般倾向采用最常见的基于硅或陶瓷衬底晶片的方法。陶瓷衬底方法方可能较贵,但封装简便。MEMS开关可以采用包括多晶硅和砷化镓(GaAs)在内的几乎任何半导体技术制成。制造中的主要问题是衬底的平面度,平面度是为了在工艺中采用的光刻工序形成稳定的平面层来构建每一种结构。标准硅是极佳的选择,因为晶片抛光工序是此工艺的一部分。陶瓷晶片一般不抛光或打平,因此将这一工序添加到工艺上增加了总体制造的成本,这反过来使基于陶瓷的 MEMS 对于手机应用显得有些昂贵,从而抑制了应用。固态电路和 MEMS的相同点在于他们均具有不同的导体和绝缘材料层。铝和现在的铜已经成为硅加工中的主要导体材料。 MEMS研制厂商采用这些导电材料来生成产生静电或电磁场所需要的金属层来驱动或推动悬壁梁。但是开关的触点必须用电导性能高的材料制成以完成机械开关内所需要的电路通道。目前为止,传导所选用的材料是纯金。纯MEMS和专业晶圆制造商在他们的工序中使用金,这为器件的发展开辟了可能性。GaAs 和 CMOS制造工艺新的发展正在表明全集成控制和切换功能是有希望的。

图3  MEMS开关的静电驱动示意图

封装

成本和大小是T/R开关研制中主要的考虑因素。T/R开关的需求量大,成本达到数十美分的水平,这使得 MEMS难以用于多种应用类型。同时,封装的选择受到制约,因为 MEMS开关是必须工作在洁净环境中的移动器件。一般采用气密封陶瓷封装,原因是它能保护驱动机构,但是封装成本大大高于一般GaAs开关和标准半导体元件采用的塑料铸模。由于材料与组装成本和成本的原因,陶瓷封装的价格与塑料封装的价格差别约有5倍。另一方面,常规塑料的价格较低,但不能与环境充分隔离以避免污染。典型的陶瓷封装类似于SAW(声表面波)振荡器和滤波器中采用的陶瓷封装。他们由一个具有通路的陶瓷基底和一个陶瓷盖板构成。仅这种盖板一般就占据了这种封装选项的大部分成本。存在成本更低廉和封装更新颖的候选方案,可以让 MEMS解决手机问题。这类方法包括芯片级密封(过量铸模)和近似于芯片级封装的方法。

芯片密封有多种方法,包括在器件上生成一层半导体绝缘层或沉积一层薄膜。过量铸模(overmolding)可以采用半导体工艺来产生或可以沉积为一层薄膜。不管哪种情况,该工艺都形成保护 MEMS的气密封,并且摆脱了较昂贵的陶瓷封装。这种方法可能是最有前景的,因为它能使制造商将 MEMS密封于塑料封装内,而塑料封装是易于获得的且有众多SMT结构。

控制和负载功率

一般的 MEMS器件是采用电磁或静电中的一种以机械方式驱动的。静电驱动可能是机械切换最简单的方法,但它需要较高的电压产生力来驱动悬壁梁。这种方法要生成一个充电场(很像一个电容)使悬壁梁偏转,如图3。问题是MEMS开关需要更大的电压来生成所需要的电场,不过驱动电压已经从100V降至50V以下。此外,由于电子迁移产生的功率生成热量的原因,有些结构(根据设计)不能应对500mA以上的大电流,因此,驱动电压不得不受制于电流(DC)以避免对驱动机构造成破坏。

手机没有这类电压,因此MEMS开发商必须要提供一种折衷措施,使 MEMS开关能以低得多的电压来工作,可以采用DC-DC电压变换来解决这个问题。通过更高程度集成,电压变换器和逻辑控制器可以与高电压 MEMS器件集成在一起以生成一个低电压方案,如图4所示。CMOS制造与MEMS结合在一起是可以实现的,但MEMS的驱动机构需要良好的触点材料,如金或金合金。金一般是作为芯片连接材料沉积在芯片的表面,但是将金植入于半导体层之间是复杂的,必须对一般的制造工艺流程加以修改。金工艺的障碍和用于电压变换电路的高压晶体管的可用性使集成进 MEMS开关变得复杂。

图4  高电压型 MEMS开关变换成低电压器件

单片微波集成电路(MMIC)和多芯片组件(MCM)均是将多个芯片集成于一个封装内,紧挨着 MEMS开关进行的电压变换对单片微波集成电路(MMIC)和多芯片组件(MCM)是有影响的。从根本上来说,目标是实现一种单片即全集成的开关方案。图4所示的是通向全集成的最终途径。只要适合加工,提供低电压的 MEMS开关将不成问题。

长期的切换寿命循环和切换速度

一般的T/R开关在其使用寿命期内,切换循环数预计约为数亿次,切换循环可以持续2~4年。但这种寿命循环可能会因在低电压下低电流到大电流的热切换而有变化。在使用寿命终止之前, MEMS开关的动作在无负载和目前条件下可达数百亿次。但在热切换时,寿命循环可降到几亿次。这使 MEMS开关已经可以用于T/R开关应用。

此外,GSM/GPRS手机内的T/R切换速度要求在数十纳秒之内进行利于收发的无缝转换,在交谈和接听时手机用户应该注意不到通话质量的差别。而 MEMS器件的切换速度在数十微秒之内,这对于T/R开关应用来说太慢了。另一方面,作为一种频带开关, MEMS器件具有切换速度和热切换寿命的双重优势,这使得它适合于这种(频带切换)应用。频带开关速度不需要比T/R开关快许多倍。一旦选择了一种频带,这种开关将与相应的“掷”(也就是“位”)保持连接直至探测到另一个频带或需要另一个频带。在典型的多频带应用中,频带开关、双工器和/或T/R开关一起使用。

频带开关起着路由器的作用,它让其他元件执行所需要的滤波和频带传输功能。由于频带开关是信号通路内的一个附加的元件,因此它必须对每个频带的整体性能几乎没有影响,由于 MEMS开关功耗低、尺寸小、插耗低、隔离度高,所以成为理想的选择方案。

结语

总之,手机用 MEMS开关的可用性、成本和性能正在不断得到改善。首先,应用已经发展到需要一种半导体替代方案的程度。其次,新型加工和封装技术将使 MEMS开关的规模生产成为可能并加速其市场的接受度。再次,加工技术已经发展到支持低成本方案,从而完成了有效的产品概念周期:规模驱动成本,成本驱动应用。

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