唐代文學家陸龜蒙的黃金詩稱“自古黃金貴，猶沽駿與才”，這句話在 1000 多年后的今天竟然依然沒過時。黃金因其特有的天然屬性，即使在經濟十分繁榮的今天，既是儲備和投資的特殊通貨，又是首飾業的“霸主”，甚至是電子業、現代通信、航天航空業等特殊行業它也是重要材料。

利用黃金，打造的芯片的極限性能！

在電子設計領域，可能對部分音響發燒友的工程師朋友來說，黃金在電子產品中的應用印象大概來自那個音頻信號“無損”傳輸高保真音響頂配的鍍金音頻線開始。更多的工程師，是從坊間芯片提煉黃金的媒體報道中獲知。其實，我們身邊不乏這樣的“黃金芯片”，ADI 發布的 RF MEMS 開關再次將黃金的優良金屬性能在芯片中的應用發揮到極致。我們不妨來看看這些黃金造的芯片過人之處。

神秘黃金結構件打造革命性的開關性能

ADI 發布宣稱革命性的兩款RF MEMS 開關——帶集成驅動器的 0Hz 至 13GHz MEMS 開關 ADGM1004 和集成驅動器的 DC 至 14GHz 單刀四擲 MEMS 開關 ADGM1304。MEMS 開關的關鍵優勢是它在一個非常小的表貼封裝中實現了 0 Hz/dc 精密性能、寬帶RF性能以及比繼電器優越得多的可靠性。此外，該系列 MEMS 開關設計固有的“逆天”性能還表現如下：

精密直流性能：已實現 < 2Ω RON、0.5nA 關斷漏電流、-110dBc 總諧波失真 (THD +N) 的精密性能，并且有能力通過梁和襯底優化全面提高性能水平。

線性度性能：輸入信號音為 27dBm 時，三階交調截點 (IP3) 超過 69dBm。在全部工作頻段上有提高到 75dBm 以上的潛力。

動作壽命：保證至少 10 億次動作循環，這遠遠超過了當今市場上的任何機械繼電器，后者的額定循環次數通常少于 1000 萬次。

功率處理(RF/dc)：已在全部工作頻段上測試了 40dBm 以上的功率，在較低或較高頻率時性能不下降。對于直流信號，該開關技術允許 200mA 以上的電流通過。

上面這些性能無疑都是非常出色的，這也是為什么過去 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 0Hz/dc 至數百GHz信號，有機會徹底改變電子系統的實現方式。但由于傳統工藝的局限性，這種美好的性能一直也只能是一種想象，而 ADI 推出的這兩款芯片第一次真正的實現了商業化的應用。而在里面發揮關鍵作用的，就是下圖的黃金打造的 MEMS 懸臂開關梁。

圖1：MEMS開關芯片中的關鍵結構件——鍍金MEMS懸臂開關梁。

習慣于電路設計的工程師，可能并不習慣 MEMS 芯片內部的結構件，事實上每一個 MEMS 器件都擁有大量的機械結構部件。上圖展示的就是被 ADI 工程師們私下稱為“金手指”的黃金懸梁臂結構件顯微圖，僅厚 6 微米的小巧結構有 5 根手指（觸點），而這是該開關器件能成為業界革命性產品的關鍵，ADI 投入了大量資金研發鍍金技術，借助專門的 MEMS 生產線打造這些高度一致的產品。

“金手指”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，能讓更大功率通過。經過測試，“金手指”的傳輸功率可達 36dBm。

懸臂梁由黃金制造，不過金對金的接觸設計并不利于提升動作壽命，所以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。“金手指”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。由四組‘金手指’構成的MEMS繼電器產品可以實現10億次的開關壽命，單就動作次數而言，這已稱得上是開關領域最具革命性的突破了！

引線焊盤也是利用金線焊接將MEMS芯片連接到一個金屬引線框，然后封裝到塑料四方扁平無引線(QFN)封裝中以便能輕松表貼在PCB上。芯片并不局限于任何一種封裝技術。這是因為一個高電阻率硅帽被焊接到MEMS芯片，在MEMS開關器件周圍形成一個氣密保護外殼。無論使用何種外部封裝技術，這種氣密外殼都能提高開關的環境魯棒性和使用壽命。

圖2：驅動器IC（左）和MEMS開關芯片（右）安裝并線焊在金屬引線框架上。

采用黃金材料的合金在高溫中經受“煉獄般的考驗”

上面的開關產品中很好地利用了黃金的良好導電性，而其實黃金的優良物理化學特性還包括具有極高的抗化學腐蝕和抗變色性能力，并且在1000攝氏度高溫下不熔化、不氧化、不變色、不損耗，而其抗高溫特性同樣在電子產品中獲得很多應用。

許多應用需要能在125℃以上環境下工作的信號處理解決方案，但對于采用標準設計的集成電路其最高工作溫度通常僅規定為125℃。無論是在地下一英里處操縱油鉆還是對噴氣式發動機進行精密測量，都需要在接近極端溫度的環境下作業，因此需要借助專門的解決方案來保證性能和可靠性。對于這類要求嚴苛的應用，ADI提供了專為極端溫度設計的產品，該產品系列經認證可在175℃至210℃高溫環境下工作，特別適合對石油和天然氣勘探、地熱監測、工業引擎控制及其他應用。

事實上，通常如果將這類集成電路暴露于極端溫度環境下，其性能和可靠性往往還會受許多因素的影響而有所降低。例如，襯底漏電流以指數方式增加以及器件參數隨溫度變化都會導致性能大打折扣。而諸如電子遷移等硅片級問題以及線焊磨損等封裝級問題也會損害可靠性。為了克服這些挑戰，ADI的高溫產品系列特別采用了創新硅工藝、封裝和測試技術進行設計，并且經認證可在高溫環境下工作。

這其中，基于黃金材料的工藝發揮了重要作用，ADI專為HT塑料封裝打造的線焊工藝是在高溫環境中保證封裝可靠性的另一項主力技術。普通的金/鋁線焊將隨著溫度的升高而退化，形成含空隙的易碎金屬間化合物，削弱焊接強度。整個過程可能只需要幾百個小時ADI在HT塑料封裝多加了一道鎳鈀金金屬化工序，以獲得金焊盤表面，然后與金線一起實現精致的金屬焊接，從而避免形成金屬間化合物。下圖顯示了使用該項技術所獲得的可靠性提升——在高溫環境中，標準金/鋁焊接在500小時后便會出現明顯的空隙并形成金屬間化合物，而右側采用鎳鈀金金屬化工藝的焊接在6000多小時后依然完好無損。

圖3：195℃下500小時后的金/鋁線焊。

圖4：195℃下6000小時后加裝鎳鈀金隔離的金/金線焊。

ADI 的 HT 產品工序流程中包含針對高溫應用需求定制的綜合可靠性認證計劃。所有 HT 產品均符合 JEDEC JESD22‐A108 規范的高溫運行壽命(HTOL)測試。每款產品都有至少三個批次需要在最高溫度下進行最少 1000 小時的測試，確保符合數據手冊技術規格。基于這類工藝技術的產品，業界工程領域熟悉的還包括加速度計 ADXL206、陀螺儀 ADXRS645、儀表放大器 AD8229 以及多路復用器 ADG798 以及 ADG5298 等。