手機多頻帶切換力推RF MEMS 開關(guān)發(fā)展

手機的發(fā)展要求在以低插入損耗進行多頻帶和多模頻帶切換的同時仍保持優(yōu)良的線性特性，這推動了RF MEMS開關(guān)的應(yīng)用和發(fā)展。隨著新的復(fù)雜波形如WiMAX添加到混合信號上，多頻帶的切換問題變得更加突出。

目前在全球大規(guī)模興建的3G網(wǎng)絡(luò)可提供包括數(shù)據(jù)和點播視頻在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對手機設(shè)計師提出了新的挑戰(zhàn)。無線技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得手機可以使用7種不同的無線標準(頻帶)，包括DCS、PCS、GSM、EGSM、CDMA、WCDMA、GPS 和 Wi-Fi(見表1)。每種標準自身均具有獨特的特性和限制，并因此產(chǎn)生了自身特有的問題。射頻微機電系統(tǒng)(RF MEMS)或許可以幫助工程師設(shè)計出既滿足集成多頻帶的需要同時又保持長電池壽命的手機，此外還可以在不斷減小手機體積和增加新性能的同時保持廉價。在手機中約有100個元件，其中75%是“無源”元件，如電感或可變電容。MEMS版本的這類元件有望使手機變得體積更小而功效更高。

手機現(xiàn)狀

目前市場上大部分手機均在天線與手機芯片組的面接處采用發(fā)送/接收(T/R)開關(guān)，即一種頻帶開關(guān)和/或雙工器，如圖1所示。使用一只T/R開關(guān)還是使用T/R開關(guān)的組合要取決于運營商所采用的頻帶數(shù)量。這種開關(guān)中的每一類型均滿足一個或另一個標準的嚴格的性能范圍，例如T/R開關(guān)采用本質(zhì)上是半雙工的時分族標準(TDMA & GSM)。碼分族標準適合全雙工使用頻帶，因此采用了一種雙信道或多信道雙工器。多頻帶手機可以組合使用所有這三種類型的T/R開關(guān)器件，確保全球范圍的電話業(yè)務(wù)。

圖1 手機塊狀示意圖

典型的天線開關(guān)必須傳輸高達5GHz頻率并且支持絕緣體上硅(SOI)器件、復(fù)合半導(dǎo)體，如砷化鎵(GaAs)或PIN二極管。這類開關(guān)所耗功率極低(15mW)，隔離度優(yōu)良(根據(jù)封裝，達35dB)，插耗低(0.8 dB)。GaAs和PIN二極管方案由于功率處理和靈活性的原因長期以來一直受到青睞。SOI則為新技術(shù)進入這塊競爭激烈的市場提供了切入點，但如果不采用新的設(shè)計技術(shù)，SOI超越4GHz的標尺是很困難的。最后一點，標準的CMOS離應(yīng)用于這個市場依然有距離，但更小的芯片結(jié)構(gòu)將使制造商有可能提供能傳輸達2.5GHz的高頻產(chǎn)品。

T/R切換與頻帶切換

對于T/R切換的一種替代方案是RF MEMS開關(guān)。這種開關(guān)功耗小、插耗低、隔離度高，且線性特性優(yōu)異，表2將RF MEMS與GaAs 和 SOI技術(shù)進行了并排比較。

過去由于空間和功率節(jié)省的好處非常突出，T/R開關(guān)曾是RF MEMS研制廠商的開發(fā)重點。由于RF MEMS開關(guān)的推廣速度緩慢而T/R開關(guān)具有價格競爭力的優(yōu)勢，使得RF MEMS的價格不為市場所接受。目前，新的切換應(yīng)用——頻帶切換已經(jīng)出現(xiàn)，對于手機兼容性的需求已經(jīng)迫使手機廠商實施三頻帶、四頻帶及多模方案。在多種不同的無線頻帶之間切換使開發(fā)一種單個容納所有頻帶的世界性手機的可能性更加復(fù)雜。圖2示出了對于作為T/R開關(guān)父集的開關(guān)的潛在要求。RF MEMS可以為現(xiàn)有的固態(tài)開關(guān)提供一種潛在的替代方案，但主要發(fā)展障礙與當初IC面臨的與分立半導(dǎo)體電子器件的競爭情況相類似：成本、可制造性，可靠性和性能。

圖2  適用于各類手機標準的一種多頻帶開關(guān)的實例

RF MEMS簡介

MEMS技術(shù)可追溯到1970年代，在電子和高科技行業(yè)中，MEMS開關(guān)被認為有希望進入光切換市場，光切換市場在2000年以后發(fā)展緩慢導(dǎo)致了MEMS開關(guān)的發(fā)展受阻。但是手機市場在持續(xù)增長的同時，也隨之出現(xiàn)了多頻帶/多模手機的問題，這促使業(yè)界重新關(guān)注切換用MEMS和MEMS的其他性能。

RF MEMS開關(guān)器件類似于機械繼電器，但是結(jié)構(gòu)一般是在亞毫米或幾百微米尺寸。這種尺寸使得這種器件具有吸引力，因為他們使獲得理想的占用1mm2或更小空間的綜合切換方案成為可能。此外，這種開關(guān)能加以更改而生成許多微型應(yīng)用，如延遲線和開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)。

在理論上，對于可以正常傳輸并控制50GHz信號的設(shè)備，RF MEMS技術(shù)能夠超越高速半導(dǎo)體性能，只是許多因素制約了RF MEMS在手機應(yīng)用中的可行性，包括制造工藝、封裝(氣密性隔離和寄生效應(yīng))、控制電壓、長期切換壽命循環(huán)(觸點粘接)、切換速度、RoHS符合性(回流溫度)及制造成本。

RF MEMS開關(guān)與光MEMS開關(guān)沒有太多的不同，只是由于RF功率處理的要求，為限制并降低電流和生成的熱量對開關(guān)觸點的影響，采用的設(shè)計技術(shù)必須做輕微的改變。典型RF MEMS開關(guān)均具有一種懸壁梁(一種鉚在一個點上的懸著的梁)，并利用靜電或電磁來驅(qū)動。觸頭位于每個懸壁梁“浮動”的一端，而所采用的導(dǎo)體金屬一般是半導(dǎo)體制造中不常用的。

問題和解決方案

制造

RF MEMS器件是在多種襯底頂部上做成分層結(jié)構(gòu)。制造的選項包括半導(dǎo)體加工，一般傾向采用最常見的基于硅或陶瓷襯底晶片的方法。陶瓷襯底方法方可能較貴，但封裝簡便。MEMS開關(guān)可以采用包括多晶硅和砷化鎵(GaAs)在內(nèi)的幾乎任何半導(dǎo)體技術(shù)制成。制造中的主要問題是襯底的平面度，平面度是為了在工藝中采用的光刻工序形成穩(wěn)定的平面層來構(gòu)建每一種結(jié)構(gòu)。標準硅是極佳的選擇，因為晶片拋光工序是此工藝的一部分。陶瓷晶片一般不拋光或打平，因此將這一工序添加到工藝上增加了總體制造的成本，這反過來使基于陶瓷的RF MEMS 對于手機應(yīng)用顯得有些昂貴，從而抑制了應(yīng)用。固態(tài)電路和RF MEMS的相同點在于他們均具有不同的導(dǎo)體和絕緣材料層。鋁和現(xiàn)在的銅已經(jīng)成為硅加工中的主要導(dǎo)體材料。RF MEMS研制廠商采用這些導(dǎo)電材料來生成產(chǎn)生靜電或電磁場所需要的金屬層來驅(qū)動或推動懸壁梁。但是開關(guān)的觸點必須用電導(dǎo)性能高的材料制成以完成機械開關(guān)內(nèi)所需要的電路通道。目前為止，傳導(dǎo)所選用的材料是純金。純MEMS和專業(yè)晶圓制造商在他們的工序中使用金，這為器件的發(fā)展開辟了可能性。GaAs 和 CMOS制造工藝新的發(fā)展正在表明全集成控制和切換功能是有希望的。

圖3  RF MEMS開關(guān)的靜電驅(qū)動示意圖

封裝

成本和大小是T/R開關(guān)研制中主要的考慮因素。T/R開關(guān)的需求量大，成本達到數(shù)十美分的水平，這使得RF MEMS難以用于多種應(yīng)用類型。同時，封裝的選擇受到制約，因為RF MEMS開關(guān)是必須工作在潔凈環(huán)境中的移動器件。一般采用氣密封陶瓷封裝，原因是它能保護驅(qū)動機構(gòu)，但是封裝成本大大高于一般GaAs開關(guān)和標準半導(dǎo)體元件采用的塑料鑄模。由于材料與組裝成本和成本的原因，陶瓷封裝的價格與塑料封裝的價格差別約有5倍。另一方面，常規(guī)塑料的價格較低，但不能與環(huán)境充分隔離以避免污染。典型的陶瓷封裝類似于SAW(聲表面波)振蕩器和濾波器中采用的陶瓷封裝。他們由一個具有通路的陶瓷基底和一個陶瓷蓋板構(gòu)成。僅這種蓋板一般就占據(jù)了這種封裝選項的大部分成本。存在成本更低廉和封裝更新穎的候選方案，可以讓RF MEMS解決手機問題。這類方法包括芯片級密封(過量鑄模)和近似于芯片級封裝的方法。

芯片密封有多種方法，包括在器件上生成一層半導(dǎo)體絕緣層或沉積一層薄膜。過量鑄模(overmolding)可以采用半導(dǎo)體工藝來產(chǎn)生或可以沉積為一層薄膜。不管哪種情況，該工藝都形成保護RF　MEMS的氣密封，并且擺脫了較昂貴的陶瓷封裝。這種方法可能是最有前景的，因為它能使制造商將RF　MEMS密封于塑料封裝內(nèi)，而塑料封裝是易于獲得的且有眾多SMT結(jié)構(gòu)。

控制和負載功率

一般的RF MEMS器件是采用電磁或靜電中的一種以機械方式驅(qū)動的。靜電驅(qū)動可能是機械切換最簡單的方法，但它需要較高的電壓產(chǎn)生力來驅(qū)動懸壁梁。這種方法要生成一個充電場(很像一個電容)使懸壁梁偏轉(zhuǎn)，如圖3。問題是MEMS開關(guān)需要更大的電壓來生成所需要的電場，不過驅(qū)動電壓已經(jīng)從100V降至50V以下。此外，由于電子遷移產(chǎn)生的功率生成熱量的原因，有些結(jié)構(gòu)(根據(jù)設(shè)計)不能應(yīng)對500mA以上的大電流，因此，驅(qū)動電壓不得不受制于電流(DC)以避免對驅(qū)動機構(gòu)造成破壞。

手機沒有這類電壓，因此MEMS開發(fā)商必須要提供一種折衷措施，使RF MEMS開關(guān)能以低得多的電壓來工作，可以采用DC-DC電壓變換來解決這個問題。通過更高程度集成，電壓變換器和邏輯控制器可以與高電壓RF MEMS器件集成在一起以生成一個低電壓方案，如圖4所示。CMOS制造與MEMS結(jié)合在一起是可以實現(xiàn)的，但MEMS的驅(qū)動機構(gòu)需要良好的觸點材料，如金或金合金。金一般是作為芯片連接材料沉積在芯片的表面，但是將金植入于半導(dǎo)體層之間是復(fù)雜的，必須對一般的制造工藝流程加以修改。金工藝的障礙和用于電壓變換電路的高壓晶體管的可用性使集成進RF MEMS開關(guān)變得復(fù)雜。

圖4  高電壓型RF MEMS開關(guān)變換成低電壓器件

單片微波集成電路(MMIC)和多芯片組件(MCM)均是將多個芯片集成于一個封裝內(nèi)，緊挨著RF MEMS開關(guān)進行的電壓變換對單片微波集成電路(MMIC)和多芯片組件(MCM)是有影響的。從根本上來說，目標是實現(xiàn)一種單片即全集成的開關(guān)方案。圖4所示的是通向全集成的最終途徑。只要適合加工，提供低電壓的RF　MEMS開關(guān)將不成問題。

長期的切換壽命循環(huán)和切換速度

一般的T/R開關(guān)在其使用壽命期內(nèi)，切換循環(huán)數(shù)預(yù)計約為數(shù)億次，切換循環(huán)可以持續(xù)2~4年。但這種壽命循環(huán)可能會因在低電壓下低電流到大電流的熱切換而有變化。在使用壽命終止之前，RF MEMS開關(guān)的動作在無負載和目前條件下可達數(shù)百億次。但在熱切換時，壽命循環(huán)可降到幾億次。這使RF MEMS開關(guān)已經(jīng)可以用于T/R開關(guān)應(yīng)用。

此外，GSM/GPRS手機內(nèi)的T/R切換速度要求在數(shù)十納秒之內(nèi)進行利于收發(fā)的無縫轉(zhuǎn)換，在交談和接聽時手機用戶應(yīng)該注意不到通話質(zhì)量的差別。而RF MEMS器件的切換速度在數(shù)十微秒之內(nèi)，這對于T/R開關(guān)應(yīng)用來說太慢了。另一方面，作為一種頻帶開關(guān)，RF MEMS器件具有切換速度和熱切換壽命的雙重優(yōu)勢，這使得它適合于這種(頻帶切換)應(yīng)用。頻帶開關(guān)速度不需要比T/R開關(guān)快許多倍。一旦選擇了一種頻帶，這種開關(guān)將與相應(yīng)的“擲”(也就是“位”)保持連接直至探測到另一個頻帶或需要另一個頻帶。在典型的多頻帶應(yīng)用中，頻帶開關(guān)、雙工器和/或T/R開關(guān)一起使用。

頻帶開關(guān)起著路由器的作用，它讓其他元件執(zhí)行所需要的濾波和頻帶傳輸功能。由于頻帶開關(guān)是信號通路內(nèi)的一個附加的元件，因此它必須對每個頻帶的整體性能幾乎沒有影響，由于RF MEMS開關(guān)功耗低、尺寸小、插耗低、隔離度高，所以成為理想的選擇方案。

結(jié)語

總之，手機用RF MEMS開關(guān)的可用性、成本和性能正在不斷得到改善。首先，應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到需要一種半導(dǎo)體替代方案的程度。其次，新型加工和封裝技術(shù)將使RF MEMS開關(guān)的規(guī)模生產(chǎn)成為可能并加速其市場的接受度。再次，加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到支持低成本方案，從而完成了有效的產(chǎn)品概念周期：規(guī)模驅(qū)動成本，成本驅(qū)動應(yīng)用。