性能和成本仍然是RF MEMS进入大众市场的关键挑战

2008-04-09 14:55:54来源: 电子技术应用 关键字:RF  MEMS器件  大力矩  压电材料  温度漂移  系统级封装  固态器件  线性度  

  经过一次又一次的改进,RF MEMS技术也许最终会在今年的电子市场上掀起波澜,这要归功于近期制造工艺和器件可靠性的提高。不过,今年推出的最新RF MEMS产品是否能通过进入大众市场的Litmus测试还有待观察。不过可以预见的是,RF MEMS将逐步打入这类应用。那么,1美元和2美元的价格门槛是否将成为在移动电话中广泛采用的关键呢?看来这还得再等上几年!

  

  过去30年,RF MEMS器件未能达到市场预期的发展水平,特别从2000到2003年,调和了这些意见。关键在于进一步完善必要的制造工艺,从而以非常大的数量生产非常可靠的器件并把成本降低到足以适合大量消费应用的程度。与其它方法相比,RF MEMS具有某些关键的优势。XCom Wireless公司的总裁兼首席技术官Dan Hyman列举了RF MEMS的低损耗、高隔离以及近乎完美的线性度。此外,常规的机械和半导体技术简直不能同RF MEMS异乎寻常大的瞬时带宽相提并论。

  它的优势众所周知:成本、体积、速度、坚固性、可靠性、可重复性及寿命。诸如调谐电容这样的元件可以替代传统的干簧管和机电继电器,以及基于变抗器的固态器件,从而极大地改进灵敏度和性能。

  目前,已有许多公司能够成功地制造可奠定RF电路应用基础的RF MEMS元件。这些元件包括Matsushita Electric、Radant MEMS和TeraVicta Technologies公司生产的开关;Enpirion和Walsin Technology公司生产的电感;Avago Technologies、Epcos、Fujitsu、Infineon和NXP公司生产的滤波器;以及NXP和WiSpry公司生产的调谐电容。

  甚至定时电路中MEMS谐振器的制造商也能够轻松地把这类元件用在手机中的RF MEMS(如果市场吸引力足够大的话)。例如,TeraVicta和Radant MEMS公司最近成功地把这类电路(开关)用在商业和军事应用领域

  IMEC公司正在开发一个通用的技术平台以便实现其大部分RF MEMS器件(参见图1)。这个平台在晶圆级上采用薄表面微加工技术。该公司认为MEMS技术的未来就在于把RF MEMS器件同其它无源和有源元件集成在一起的能力,最好是以混合的方式。这可能带来一种系统级封装(SiP)方法。该公司还认为这样的平台是实现成功的RF MEMS产品的一个手段。

  

  

  

  

  

  RF MEMS器件的最普通应用就是手机开关。现在的RF MEMS开关一般被自动测试设备(ATE)制造商用在商业部门(主要由TeraVicta公司提供)和雷达及其它军用领域(主要由Radant MEMS公司提供)。

  克服技术挑战

  大规模生产低成本RF MEMS器件所提出的技术挑战很艰巨,这些挑战长久以来被严重低估了。在开发少量样品及原型设计与稳定地批量生产具有高可靠性及高质量的产品之间有很大的差距。其结果就是,许多市场预期落空了,从而导致对该技术有用性的普遍怀疑。

  根据WiSpry公司等RF MEMS器件制造商的行业预测,全球发运手机的一半以上将包含至少一个转换开关电路,而且它们中的大部分将是多频带、多模式设备。把RF开关、滤波器同提供这种灵活性所需的转换开关结合在一起,而且仍然能满足苛刻的成本和性能目标,是RF工程师面临的最大挑战之一。

  需要解决的问题包括可靠性、温度漂移、寿命、绝缘层击穿和漏电流,以及粘连。封装是另一个重要的麻烦,因为RF MEMS器件需要处于一个不受限制的腔体内。它们在制造过程中还要得到良好的保护以免有害接触物的破坏。“两个最大的问题是粘连和有害接触物,”TeraVicta的首席执行官Ray Burgess说。“我们目前已经成功地解决了它们。成本也不再是一个问题。”

  Burgess还认为RF MEMS开关技术随时准备在成本、可靠性、性能和体积方面同机电继电器及干簧继电器展开竞争。TeraVicta公司提供三大系列RF MEMS开关,它们分别是基本型、较高成本的高带宽型以及就要实现量产的低成本型器件。

  基本型的TT712-CSP系列直流到7GHz单刀双掷(SPDT)开关自去年初就开始批量供应,今年上半年即将有衍生的单刀双掷(DPDT)、单刀四掷(SP4T)以及定制开关(XPXT)加入这个系列。这个系列的目标市场是仪表、自动测试设备和无线电通信应用,每个开关的价格在10到20美元之间,取决于购买的数量和具体的配置。

  也在2007年上半年问世的产品是直流到26.5GHz的开关,面向的是军事、航天、雷达和微波应用。针对工业自动化、数字信道测试以及蜂窝通信应用的低成本系列包括直流到2GHz的开关,其单价低于8美元(同样取决于购买的数量和具体的配置)。预计这些产品在今年下半年上市。

  TeraVicta公司开关设计的关键是一种具有专利权保护的大力矩圆盘执行器技术和线列式芯片级气密封装。该组合提供的开关寿命在成千上万亿次,且具有很高的可靠性(参见图2)。这种开关直接造在一个具有金属穿孔的铝(陶瓷)导电层上(参见图3)。

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  一种专有的金合金用作开关触点,这有助于把粘连和触点电阻问题的危害降到最低。一个低压(3到5V)电位,通过一个独立的电荷泵器件的帮助,免除了对一个用于大力矩圆盘驱动的高压(65V)作用力的需要。最终结果是一个小的(3.25 X 4.5毫米)具有镍基盖的气密型封装。Radant MEMS公司已经演示了用于ATE和军用市场的高性能RF MEMS开关(参见图4)。已经达到超过7000亿次开关的寿命,而最初的原型设计达到5000亿次开关寿命。这些开关是美国空军所用的可电子操控天线的一部分,该天线用于安装在高空探测气球上的火炮控制雷达。

  

  

  

  

  

  在美国国防部高级研究项目局(DARPA)资助下,这些开关采用晶圆级工艺进行制造并装配在一种坚固且重量很轻的结构内,该结构是用石墨复合刚性橡胶和一个柔性RF基底加工的。每个开关只占据1毫米3的空间。该技术最初是由东北大学和模拟器件公司在1990年代后期开发的,随后许可给了Radant MEMS公司。

  BAW和FBAR技术

  其它RF MEMS方法包括体声波(BAW)和膜体声波(FBAW)技术。Agilent Technologies、Avago Technologies、Infineon和其它一些公司采用FBAR在RF应用方面获得了相当大的成功。

  一个BAW器件就是一个金属-绝缘体-金属(MIM)电容,它采用两层金属内夹一层压电介电材料。一个FBAW器件由压电材料(如铝氮化合物)夹在两个电极之间组成,并且与周围的介质隔绝。

  Avago公司最近宣布了两种FBAR双选开关,可用于手机、PC数据卡和其它运行在美国个人通信服务(PCS)及通用移动电信系统(UMTS)频带的无线产品。这两种双工开关的封装非常薄,高度只有1.3毫米,引脚尺寸为3.8 X 3.8毫米。这种尺寸还使得具有增强功能的微型RF模块可嵌入到其它便携式消费电器之中。

  摩托罗拉公司正竭力在印刷电路板(PCB)上实现无源元件和MEMS运动结构的一体化。该公司创造了“mesoMEMS”这个术语来描述相关的举措,同时已经开发并实现了一个用于手机RF开关应用的mesoMEMS结构。根据摩托罗拉的说法,mesoMEMS结构的开发成本低于单片式RF MEMS结构,因为它们可以用PCB生产工艺来制造。

  灿烂的发展前景

  许多专家确信RF MEMS器件的制造成本将降低,从而使它们的应用会更普遍。“你只需看看MEMS加速度计目前在手机和其它消费电子产品中的广泛使用就可以明白飞速的技术发展是如何影响实际应用的,”Akustica公司行销副总裁兼产品经理David L. Yuknis说。

  “在不久前,MEMS器件还被认为太贵了,”他继续说。“而现在已经证明它们并不贵。同样的事情注定会发生在RF MEMS器件上。”

  手机上所用的大部分元件是无源的,例如电感、可变电容和滤波器。用RF MEMS器件替代这些元件具有很大的市场潜力。针对特定的带宽,无源元件需要专用滤波器,这使得一个电话的前端更复杂也更昂贵。RF MEMS器件不仅减少元件数目且节省空间,它们还可以降低噪音和功耗

  TeraVicta技术公司的首席技术官John McKillop对RF MEMS技术的未来非常乐观。他认为三个关键的趋势将在今后的三到五年推动RF MEMS开关的新应用:多种多样新产品配置的大幅增加,可靠性的明显提高,以及开关尺寸和成本的显著降低。

  此外,他预测低成本材料的开发和开关封装尺寸的急剧缩小。“我们可以期望在今后两年内开关的形状因子减小90%,缩小到不足1.5毫米2,”他说。

 

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编辑:ssb 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2008/0409/article_8.html
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