全硅MEMS振蕩器介紹

無論是電子工程師還是元器件采購者，在選擇時鐘組件時都會經(jīng)過全面嚴謹?shù)脑u估。因為一顆健康、穩(wěn)定、持久的“心臟”，將直接影響到電子系統(tǒng)的功能和可靠性。

時鐘組件可分為無源晶振、有源晶振和多輸出時鐘發(fā)生器三大類產(chǎn)品。在過去60年中，石英作為時鐘市場的主流技術(shù)，一直占據(jù)著霸主地位。但由于其受到傳統(tǒng)制造工藝的限制以及下游原材料(起振電路和基座)市場的壟斷，因此性價比無法進一步提升。為了滿足電子市場對元器件提出的更小、更可靠、更靈活的需求，時鐘組件必須走上全面硅化的道路。這篇文章將主要介紹全硅MEMS振蕩器和傳統(tǒng)石英的區(qū)別，以及全硅IC技術(shù)所解決的問題。

石英和全硅MEMS時鐘振蕩器簡介

傳統(tǒng)的石英振蕩器是由壓電石英加上簡單的起振芯片和金屬封裝組成的，其生產(chǎn)工藝包括：石英切割鍍銀、購買基座、起振芯片，以及將石英及芯片以特殊黏膠結(jié)合后至于基座上，然后充填氮氣，用金屬封裝進行密封。而不同頻率、不同工作電壓振蕩器的產(chǎn)生，則是由石英的不同形狀、鍍銀厚度及所佩的起振芯片所決定。所以，從生產(chǎn)工藝角度，石英產(chǎn)業(yè)是一個人工密集型的半自動化傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品也受到傳統(tǒng)原材料和工藝的限制：

1. 復(fù)雜的生產(chǎn)程序?qū)е鹿┴浧诘耐祥L及缺貨應(yīng)急困難的現(xiàn)象;

2. 不同振蕩器規(guī)格需不同原料不同工藝，從而使成品缺乏靈活性，無法為滿足不同應(yīng)用而進行實時配置;

3. 壓電石英對溫度敏感度高的特性，造成石英振蕩器的溫飄煩惱;

4. 石英易碎怕摔老化的弱點需靠生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理來解決，缺乏質(zhì)量和長期可靠性的一致性。

電子系統(tǒng)廠商為求從根本上解決石英的內(nèi)在弱點，因此在時鐘組件的選料上開始轉(zhuǎn)向全硅MEMS振蕩器。與傳統(tǒng)石英振蕩器截然不同，MEMS振蕩器采用了全硅的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，有一個全硅MEMS諧振器和一個可編程Analog CMOS驅(qū)動芯片堆棧，并以標準QFN IC封裝方式完成。圖1為SITIME MEMS振蕩器透視圖。

圖1 全硅MEMS振蕩器展示圖

與傳統(tǒng)石英相比，全硅MEMS振蕩器不管從生產(chǎn)工藝還是組件設(shè)計結(jié)構(gòu)上，都更符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品的標準，也是對傳統(tǒng)石英產(chǎn)品的升級換代。

* 高性能模擬溫補技術(shù)使全硅MEMS振蕩器具有優(yōu)秀的全溫頻率穩(wěn)定性，徹底解除溫飄問題;

* 可編程的平臺為系統(tǒng)設(shè)計和縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期提供必要的靈活性;

* 完善的半導(dǎo)體生產(chǎn)鏈可讓全硅MEMS供貨期全面縮短，并提升需求應(yīng)急的能力;

* 全自動生產(chǎn)的IC結(jié)構(gòu)在質(zhì)量和可靠性方面有無可置疑的優(yōu)良的一致性。

全硅MEMS振蕩器的全溫性能優(yōu)勢

頻率穩(wěn)定性，特別是在不同溫度下的穩(wěn)定性，是電子工程師在選擇振蕩器時考慮的主要參數(shù)之一。因為每一個設(shè)計，都需要保證系統(tǒng)在整個工作溫度范圍內(nèi)正常運作。而溫飄(頻率隨溫度而顯著變化的現(xiàn)象)則是傳統(tǒng)石英產(chǎn)品的弱點，難以單純從制造上克服。圖2是石英和全硅MEMS振蕩器在頻率穩(wěn)定性方面的比較。

圖2 全硅MEMS振蕩器25PPM頻率穩(wěn)定性超越石英

圖2的深黑色曲線顯示出一個工業(yè)級(-40℃-85℃)石英振蕩器要達到全溫頻率穩(wěn)定性25PPM在技術(shù)上的難度。從圖中可看到，在高低溫的情況下，石英作為參考時鐘其設(shè)計余量較不充分，由此也增加了整體系統(tǒng)在工業(yè)級全溫產(chǎn)生不穩(wěn)定運行的可能性。

圖2同時也顯示了各種色彩的平衡線，代表了110個SiTime全硅MEMS振蕩器在-40℃-85℃范圍內(nèi)的實際總頻差。與石英振蕩器相比，這些工業(yè)級MEMS振蕩器頻率穩(wěn)定性不但可保持在15PPM以下，其曲線更具有線性特征，為系統(tǒng)提供更大的設(shè)計余量。

正由于全硅MEMS振蕩器利用溫度補償?shù)募夹g(shù)，從振蕩器設(shè)計上解決了石英溫飄的煩惱，因此電子工程師在選料時有了更大的余地。他們可以選擇50PPM的MEMS振蕩器來替代很多25PPM的石英，既可滿足系統(tǒng)所需規(guī)格，又可降低成本?；蛘撸麄兛刹捎?5PPM的MEMS振蕩器來提升系統(tǒng)總體穩(wěn)定性。

全硅MEMS振蕩器的可編程規(guī)格組合

傳統(tǒng)石英振蕩器的主要規(guī)格參數(shù)如輸出頻率、頻率穩(wěn)定性是由石英切割的形狀、厚度及在加工過程中鍍銀老化等步驟來實現(xiàn)的。這也決定了石英一個頻率、一個工作電壓、一個頻率穩(wěn)定性對應(yīng)一個料號的固定頻率的商業(yè)模式。

從圖3也可看到，從技術(shù)角度，高頻率的石英振蕩器一般無法支持1.8V的工作電壓，或25PPM的頻率穩(wěn)定性，因為壓電石英的基本波振蕩是限制在60MHz以下。60MHz以上的頻率則需利用3次，5次或7次倍頻，再加上過濾電路來實現(xiàn)，造成有限的規(guī)格選擇和居高不下的成本。

圖3 傳統(tǒng)石英一般只支持常用固定品率和規(guī)格

因此，石英的傳統(tǒng)模式雖有簡單明了的優(yōu)點，但卻缺乏了現(xiàn)代電子廠商在產(chǎn)品開發(fā)、供貨周期和備貨成本管理上所需要的靈活性。

與石英相比，全硅MEMS振蕩器是由MEMS諧振器和高性能模擬CMOS芯片組成的一個可編程的時鐘平臺，其主要規(guī)格參數(shù)都在設(shè)計時整合進了CMOS，利用內(nèi)嵌的NVM(非易失性存儲器)來實現(xiàn)振蕩器參數(shù)即MEMS振蕩器的實時配置。

圖4 全硅ME振蕩器平臺提供不同頻率，電壓和PPM的組合

圖4展示了SiTime 的SiT9102差分振蕩器的靈活性，同一個基本料號可通過編程來實現(xiàn)不同參數(shù)規(guī)格組合。

除圖中所示，SiT9102還可通過編程方式達到民用級(0℃-70℃)、超民用級(-20℃-70℃)或工業(yè)級(-40℃-85℃)等不同工作溫度，以及一般高頻振蕩器無法支持的10PPM頻率穩(wěn)定性。

SiT9102高度的靈活性，使電子工程學(xué)在系統(tǒng)設(shè)計中不但無需再為振蕩器規(guī)格不全而束縛，更可同過嘗試不同規(guī)格，實現(xiàn)最佳組合，來提高系統(tǒng)整體性能和穩(wěn)定性。

全硅MEMS振蕩器按需供貨，降低斷貨風(fēng)險，壓縮備貨成本

即時生產(chǎn)(Just-in-time-manufacturign)在電子業(yè)的普及也為系統(tǒng)廠商采購人員在供貨鏈管理帶來了巨大的壓力。系統(tǒng)廠商永遠希望或要求下游供應(yīng)商長期保證足夠純貨，以備急用。而下游供應(yīng)商應(yīng)利潤壓力，卻會盡量減低庫存，而這個壓力，引復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和壟斷的原材料供貨鏈，在石英產(chǎn)業(yè)特為顯著。

如圖(5)顯示，石英生產(chǎn)流程包括切割，渡銀，封裝，測試，老化等幾十半自動步驟，一般需8-16周的生產(chǎn)周期。加上石英振蕩器所需的基座和起振IC全部控制在二到三家日系供應(yīng)商，決定了石英在無備貨下至少8-16周供貨期，且無應(yīng)急供貨的能力。

對于石英廠商備貨更是艱巨的任務(wù)，因為石英一個頻率，一個料號的特性，使得石英廠商只能備常用料。一般來說，只有5%左右的常用料會在石英銷售渠道中有長期備料。而對于系統(tǒng)廠商來說，因不同料號需求增減難測，經(jīng)常出現(xiàn)急用料長期缺貨，卻又有大批不需要的死貨，無形中增加成本，并影響公司銷售。

于石英相比，全硅MEMS振蕩器，基于其可編程平臺，以按需供貨(Deliver-on-demand)的模式從根本上解決石英產(chǎn)業(yè)供貨上的低效能。

MEMS振蕩器廠商一般以”die bank”的方式預(yù)先積累MEMS和CMOS空白芯片的半成品。再通過用半成品標準芯片塑料封裝，測試，編程和卷帶包裝出貨，無論任何頻率，任何工作電壓，任何精度，任何封裝的組合，整個MEMS振蕩器供貨期從收到客戶訂單到壓縮到2-4周，

全硅MEMS這種按需供貨(Deliver-on-demand)的模式不僅僅縮短比石英小了四倍的供貨期。 重要得是MEMS振蕩器以空白芯片模式備貨，可實時調(diào)整產(chǎn)品組合，滿足客戶無時無刻變化的需求，保證系統(tǒng)廠商生產(chǎn)物料供應(yīng)無短缺風(fēng)險。

這種供貨上的靈活性不但簡化了系統(tǒng)廠商供應(yīng)鏈的管理，也無形中減小了對備貨資金的要求，為系統(tǒng)廠商減低總成本，提高利潤做出貢獻。

圖5 復(fù)雜的石英工藝

圖6 半導(dǎo)體高效能的生產(chǎn)供貨模式

全硅MEMS振蕩器的質(zhì)量、可靠性和耐用性

石英振蕩器是一個石英晶體為主的機械振動結(jié)構(gòu)，易碎，而且對外界環(huán)境敏感。很多因素會直接影響到石英的質(zhì)量和可靠性。

原因之一在于，石英面臨一個被稱作“活性下降(Activity Dip)”的問題，可能直接造成振蕩器停振或輸出頻率偏差的現(xiàn)象。

圖7 Activity Dip 造成于溫度有關(guān)的振蕩器失效

圖7為石英晶體具有的不同共振波模(resonant modes)，其中某些共振波模會因外界溫度變化而移動，但晶體主要共振波模又稱基本共振波模(main or fundamental mode)，靠設(shè)計及制造工藝來保持其不受溫度影響。但作為振蕩器成品，一旦受溫度影響的共振波模與基本共振波模重疊，就會引起嚴重頻率偏差，甚至完全停振。Activity Dip現(xiàn)象很難靠測試來篩選，這也是石英在可靠性和一致性方面比全硅MEMS產(chǎn)品較差的因素之一。

除Activity Dip外，晶體要保持良好的頻率穩(wěn)定性與石英封裝時用氮氣密封質(zhì)量好壞有直接關(guān)系。石英振蕩器在運輸、SMD上線，或系統(tǒng)正常運作過程中受震動或老化影響，一旦漏氣，就會造成停振，導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。 所以石英漏氣是石英振蕩器最常見的質(zhì)量問題之一。

相比之下，全硅MEMS振蕩器利用半導(dǎo)體標準制程和封裝，以IC的方式產(chǎn)生輸出信號。產(chǎn)品本身無需密封，在設(shè)計測試中也徹底排除了Activity Dip等問題，使之在不同外界環(huán)境(溫度、濕度、震動等)中保持良好的頻率性和質(zhì)量上的一致性。

組件的可靠性一般是用平均無故障時間(MTTF或MTBF)作為衡量標準，衡量單位為百萬小時，數(shù)字越高表示產(chǎn)品越可靠。

受石英材料工藝限制，目前一線石英大廠也只能達到3千萬小時MTBF值。如表1所示，MEMS振蕩器基于全硅架構(gòu)，在MTBF指標上優(yōu)于石英10多倍，這也使得振蕩器不再是系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量問題的焦點之一。

表1 石英與全硅MEMS振蕩器可靠性和抗震能力比較

那MEMS振蕩器超越石英30倍的抗震優(yōu)勢在應(yīng)用上又有何價值呢?現(xiàn)代移動產(chǎn)品如電子書、固體硬盤(SSD)等，不但體積越來越小，更在朝超薄型發(fā)展。但這些移動產(chǎn)品，卻恰恰有一個所謂的跌落測試(drop-test)，來驗證包括振蕩器在內(nèi)的產(chǎn)品整體可靠性和穩(wěn)定性。

對于石英來說，體積越小、厚度越薄，就越易破裂也越易出現(xiàn)頻偏、精度降低的現(xiàn)象。跌落測試是石英振蕩器難跨越的門檻，同時也給了MEMS振蕩器大顯身手的機會。MEMS在可靠性和抗震效應(yīng)上的優(yōu)勢，使之不但成為移動產(chǎn)品中振蕩器的理想選澤，更是軍工、汽車、醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)通信等高可靠性產(chǎn)品中的必用品。

通過以上對比大家可以看到，全硅MEMS時鐘產(chǎn)品取代石英已是既成的事實。接下來，如何加快采用全硅MEMS時鐘技術(shù)的步伐?是否可以一料通用，減少需管理料號，減低管理成本?是否可利用全硅MEMS時鐘產(chǎn)品的優(yōu)異可靠性來提升系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量等等，都是值得我們思考的地方。

全硅MEMS時脈產(chǎn)品的時代已經(jīng)到來了

全硅MEMS時脈產(chǎn)品的出現(xiàn)對石英在電子產(chǎn)品中已占據(jù)了60年的霸主地位起到了沖擊。時脈組件，在電子組件產(chǎn)業(yè)全面“硅“化的過程中以是最后一個前沿(last frontier)， 因為今天的電子產(chǎn)品中除振蕩器，電阻，電容外以很少能找出非硅組件。如果說石英的技術(shù)經(jīng)過60年發(fā)展已達到極限，那末全硅MEMS技術(shù)則應(yīng)該說正在進如高速成長期，根據(jù)”moore’s law， 在今后5年內(nèi)MEMS時脈產(chǎn)品會更小，更薄，更可靠，更耐用，更多的功能，更短的供貨期和更靈活更快的克制化，其性價比也會將石英遠遠拋在后面。

即然全硅MEMS時脈產(chǎn)品取代石英以是既成事實，那末研發(fā)和物料管理人員是否也應(yīng)用更有創(chuàng)新的思維去評估這種更型換代的產(chǎn)品可對公司帶來的價值?如果加快采用全硅MEMS時脈技術(shù)的步伐，是否可以一料通用，減少需管理料號，減低管理成本?是否可利用全硅MEMS時脈產(chǎn)品優(yōu)異可靠性來提升系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量?這些都是值得思考的地方。