耐沖擊與震動(dòng)表現(xiàn)出色 MEMS時(shí)脈可靠度躍進(jìn)
[導(dǎo)讀]以石英晶體為基礎(chǔ)的時(shí)脈元件，易因尺寸微縮而造成品質(zhì)疑慮。相形之下，以MEMS技術(shù)生產(chǎn)的時(shí)脈元件，則可依循一般半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的軌跡，持續(xù)縮減尺寸，且具有較佳的耐沖擊和震動(dòng)性能，有助提升系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性。
以石英晶體為基礎(chǔ)的時(shí)脈元件，易因尺寸微縮而造成品質(zhì)疑慮。相形之下，以MEMS技術(shù)生產(chǎn)的時(shí)脈元件，則可依循一般半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的軌跡，持續(xù)縮減尺寸，且具有較佳的耐沖擊和震動(dòng)性能，有助提升系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性。
以石英晶片為基礎(chǔ)的振蕩器、頻率產(chǎn)生器及諧振器等，一直是電子產(chǎn)品中主要的時(shí)鐘參考元件，由于沒有替代品，所有原始設(shè)備制造商(OEM)和原始設(shè)計(jì)自造商(ODM)均須接受石英產(chǎn)品的局限性。然而，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)進(jìn)入到時(shí)鐘產(chǎn)品后，這些利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的元件已提供許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正加速取代傳統(tǒng)石英元件。
力壓傳統(tǒng)石英元件 MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品效能吸睛
目前已有上千家廠商在各種應(yīng)用領(lǐng)域使用MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品，其中以網(wǎng)通、消費(fèi)性電子、PC相關(guān)及儲(chǔ)存裝置為大宗；產(chǎn)品方面包括伺服器、被動(dòng)光纖網(wǎng)路(PON)的光纖網(wǎng)路單元(ONU)及光纖線路終端(OLT)、固態(tài)硬碟(SSD)、磁碟陣列(RAID)、主匯流排變壓器(Host Bus Adapter, HBA)、數(shù)位相機(jī)(DSC)、平板裝置和電子書等。
平板、電子書制造商屬于早期采用MEMS振蕩器的用戶，藉以提高規(guī)格彈性、降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)也受益于MEMS元件較短的交期，加速產(chǎn)品上市。由于MEMS振蕩器效能近期已達(dá)到三級(jí)鐘(Stratum 3)等級(jí)，MEMS時(shí)鐘元件的應(yīng)用，將開始拓展至電信、無線及高階工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
矽半導(dǎo)體MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品不僅具備功能優(yōu)勢(shì)，供應(yīng)鏈也較傳統(tǒng)石英產(chǎn)業(yè)健全。不同于石英元器件，MEMS時(shí)鐘元件不需特殊封裝技術(shù)，可使用成本低廉，且廣泛運(yùn)用于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體元件的塑料封裝。另外，MEMS諧振器在半導(dǎo)體晶圓代工廠生產(chǎn)制造，擁有高品質(zhì)、高穩(wěn)定性及大量生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，交貨時(shí)間也較短。
根據(jù)摩爾定律(Moore’s Law)，MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品可依循一般半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的軌跡，持續(xù)改善性能。舉例而言，晶圓代工廠利用奈米(nm)級(jí)制程的MEMS諧振器，將做得更小、更好，由于矽MEMS諧振器具有亞微米級(jí)(Sub-Micron)的電極間距，隨著每個(gè)制程世代演進(jìn)到更小的幾何尺寸時(shí)，將大幅提高訊噪比(SNR)。
相反的，石英晶體諧振器做得愈小，品質(zhì)因子(Q Factor)值愈低，效能和相位噪聲也愈差，甚至?xí)斐蓱?yīng)力性能降低，更嚴(yán)重的活性下降(Activity Dips)效應(yīng)(頻率相對(duì)溫度不連續(xù)性的特性)，以及更受局限的頻率范圍。此外，隨著石英晶體被切割得愈薄愈小，亦將影響良率，導(dǎo)致制造成本上揚(yáng)。
改善相位噪聲與抖動(dòng) MEMS振蕩器威力升級(jí)
振蕩器對(duì)日益復(fù)雜的電子系統(tǒng)效能將帶來關(guān)鍵性的影響，主要跟振蕩器性能相關(guān)的規(guī)格有頻率穩(wěn)定性、抖動(dòng)及相位噪聲。在頻率穩(wěn)定性方面，典型石英振蕩器僅能提供20?100ppm的規(guī)格，而MEMS元件則帶來更好的ppm值，目前已量產(chǎn)MEMS溫度補(bǔ)償振蕩器(TCXO)的SiTime，已達(dá)成10?50ppm的頻率穩(wěn)定性。
此外，MEMS振蕩器均內(nèi)建溫度補(bǔ)償功能，即使處在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，也能呈現(xiàn)非常出色的頻率穩(wěn)定性，滿足高階應(yīng)用所需。這些頻率穩(wěn)定性的比較，包含因溫度變化、電壓變化、制程偏差及焊接過程所造成的所有頻率偏差。
相位噪聲系另一個(gè)影響系統(tǒng)性能非常重要的指標(biāo)。串行通訊應(yīng)用如10Gigabit乙太網(wǎng)路(10GbE)、串列式先進(jìn)附加介面(SATA)、SAS、光纖、PCIe及通用序列匯流排(USB)等，都有針對(duì)所使用的12K?20MHz范圍載波，設(shè)定均方根值(RMS)相位抖動(dòng)規(guī)格要求。無線或全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)等應(yīng)用，則相較應(yīng)用載波低于10KHz以下的近端相位噪聲(Close-in Phase Noise)有嚴(yán)格要求。
MEMS振蕩器在過去3年針對(duì)相位噪聲及相位抖動(dòng)已有巨幅改善。最新MEMS振蕩器已可提供典型RMS相位抖動(dòng)達(dá)到500飛秒(fs)及12K?20MHz間最大抖動(dòng)值小于1皮秒(圖1)。
圖1 最新MEMS振蕩器相位噪聲圖
減輕環(huán)境影響 MEMS振蕩器可靠又穩(wěn)定
由于電子系統(tǒng)須仰賴時(shí)鐘訊號(hào)才得以穩(wěn)定工作，因此時(shí)鐘元件須在不同的條件跟環(huán)境中均達(dá)成一致的可靠性。然而，時(shí)鐘元件在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下所測(cè)試的結(jié)果不意味能百分百適用于實(shí)際工作狀況中，根據(jù)供應(yīng)商提供的產(chǎn)品規(guī)格，一些時(shí)鐘元件將無法持續(xù)滿足可靠性需求。
部分零件對(duì)于外來的電磁耐受性(EMS)、電源雜訊(PSRR)、機(jī)械震動(dòng)及撞擊等外在環(huán)境因素的干擾較為敏感。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的MEMS諧振器加上先進(jìn)類比設(shè)計(jì)電路，能使MEMS振蕩器在許多外在環(huán)境干擾存在時(shí)，依然能夠保持高效能、高可靠性的表現(xiàn)。這是另一個(gè)系統(tǒng)廠商持續(xù)并不斷擴(kuò)大使用MEMS時(shí)鐘元件的原因。
由于外在環(huán)境因素對(duì)頻率穩(wěn)定性及相位抖動(dòng)影響重大，包括暴露在不同溫度、電源、負(fù)載及老化等環(huán)境影響因子下，一個(gè)精準(zhǔn)振蕩器的頻率穩(wěn)定性將隨著時(shí)間而改變。一些石英元件對(duì)這些影響因子尤其敏感，導(dǎo)致穩(wěn)定性、抖動(dòng)及相位噪聲嚴(yán)重惡化。
另一方面，外部設(shè)備或電路產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)雜訊，亦將加重頻率訊號(hào)抖動(dòng)和噪聲耦合現(xiàn)象。圖2顯示，當(dāng)不同的振蕩器暴露在EMI干擾環(huán)境中工作時(shí)，所產(chǎn)生的相位噪聲雜訊，此一測(cè)試可用來說明金屬上蓋封裝的石英產(chǎn)品，由于其金屬上蓋并沒有實(shí)際接地，故無法提供任何EMS防護(hù)。而當(dāng)中表現(xiàn)最好的MEMS振蕩器，使用所謂In-plane Bulk Mode MEMS諧振器。
圖2 外在EMI對(duì)MEMS、石英、SAW等振蕩器相位噪聲雜訊的影響
圖3是一個(gè)MEMS振蕩器跟SAW振蕩器對(duì)輸入不同頻率雜訊時(shí)，累計(jì)的相位抖動(dòng)對(duì)比數(shù)值。幾乎在所有測(cè)試的雜訊頻率中，MEMS振蕩器均明顯測(cè)出較低的抖動(dòng)數(shù)值。較低的抖動(dòng)數(shù)值系由于MEMS振蕩器內(nèi)部供電及偏壓電路，隔絕由供電電源導(dǎo)致的雜訊。
圖3 MEMS振蕩器(2號(hào)線)及SAW振蕩器(1號(hào)線)在供電電源上，面對(duì)50mV弦波雜訊時(shí)相位抖動(dòng)數(shù)值的比較。
MEMS諧振器耐沖擊與震動(dòng)表現(xiàn)出色
使用一般工業(yè)設(shè)備或可攜式消費(fèi)性電子產(chǎn)品，通常都會(huì)經(jīng)歷一定程度的沖擊及震動(dòng)，不論使用石英晶體或MEMS諧振器這類機(jī)械式諧振的振蕩器，均對(duì)震動(dòng)頗為敏感。因此，諧振器的質(zhì)量及剛度，將是決定諧振體能否抑制因震動(dòng)所引起的性能衰減兩大因素。 [!--empirenews.page--]
MEMS諧振體剛度非常高，并能減輕因震動(dòng)引起的移位問題；相較于塊狀石英晶片諧振器，MEMS諧振器具較小質(zhì)量，降低由重力加速度所加負(fù)在諧振器上的施力(表1)。當(dāng)測(cè)試50g重力加速度時(shí)，MEMS諧振器展現(xiàn)出較低的震動(dòng)靈敏性，并且可承受超過50,000g的重力加速度測(cè)試。
平均不良時(shí)間(MTBF)是一種對(duì)時(shí)鐘元件可靠性的標(biāo)準(zhǔn)量測(cè)方式，MTBF數(shù)值愈高表示產(chǎn)品有較長(zhǎng)的可運(yùn)作生命周期及更高可靠度。圖4顯示來自不同廠商的石英和MEMS振蕩器的MTBF數(shù)值，可發(fā)現(xiàn)MEMS振蕩器具有較佳的抗震性、抗沖擊性。
圖4 石英及MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品可靠性(MTBF)比較
靈活設(shè)計(jì)架構(gòu)加分 MEMS振蕩器大受青睞
MEMS振蕩器基礎(chǔ)零件系由一個(gè)MEMS諧振單元和獨(dú)立諧振IC封裝而成。由于該可編程IC的靈活設(shè)計(jì)，得以在工廠端依照客戶設(shè)計(jì)需求，快速配置完成。相較之下，石英產(chǎn)品根據(jù)特定參數(shù)做最佳化及客制化，無法提供類似MEMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)彈性。這種具備大范圍功能可配置的產(chǎn)品平臺(tái)及能力，也是造就MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品強(qiáng)勁成長(zhǎng)的主要因素之一。
如圖5典型MEMS振蕩器架構(gòu)左方所示，針對(duì)不同應(yīng)用，可搭配各種設(shè)計(jì)型式的MEMS諧振器。由于MEMS元件本身固有的溫度系數(shù)(隨溫度變化的穩(wěn)定性)，可透過溫度補(bǔ)償電路滿足精準(zhǔn)的時(shí)脈規(guī)格。溫度補(bǔ)償電路系由溫度感應(yīng)器、溫度數(shù)位轉(zhuǎn)換器及分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)(Frac-N PLL)所組成，并透過這些電路使整個(gè)時(shí)鐘元件滿足10?50ppm的全工作溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性。
PLL透過編程還可輸出頻率訊號(hào)的范圍擴(kuò)展至200k?800MHz，晶片上的一次性可編程(OTP)熔斷器是用來存儲(chǔ)溫度補(bǔ)償和配置參數(shù)。輸出驅(qū)動(dòng)器(Output Driver)提供可配置的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，以獲得最佳化的傳輸線阻抗匹配，并降低系統(tǒng)EMI。
由于本身巨大的尺寸及其他封裝問題，石英諧振器在電子系統(tǒng)中是唯一尚未被整合進(jìn)入IC的元件。一些為藍(lán)牙(Bluetooth)、無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)應(yīng)用等所設(shè)計(jì)的模組，由于石英元件的限制也阻礙模組尺寸小型化，然而，由于MEMS諧振器跟一般半導(dǎo)體晶元的特性相似，因此可透過多晶片封裝或者系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)方式，被整進(jìn)處理器或特定應(yīng)用積體電路(ASIC)晶片組。
目前，業(yè)界正致力將MEMS諧振器導(dǎo)入系統(tǒng)單晶片(SoC)，此設(shè)計(jì)趨勢(shì)使所有外部時(shí)鐘電路得已去除，從而增加系統(tǒng)效能并降低成本，為系統(tǒng)制造商帶來更多獲利。
MEMS時(shí)鐘元件需求俏 2017年后產(chǎn)值暴增十倍
憑藉強(qiáng)大的MEMS諧振器與高性能的模擬電路，MEMS時(shí)鐘方案迅速克服許多石英技術(shù)的限制。在性能方面，MEMS技術(shù)僅利用不到6年時(shí)間，就達(dá)成石英用超過60年時(shí)間所開發(fā)完成的技術(shù)水平。在MEMS元件性能與穩(wěn)定性持續(xù)精進(jìn)同時(shí)，市場(chǎng)滲透率將不斷擴(kuò)大。
MEMS時(shí)鐘元件由SiTime在5年前率先量產(chǎn)，市場(chǎng)快速擴(kuò)張也讓SiTime每年出貨量均以倍數(shù)成長(zhǎng)。預(yù)估到2017年，總體市場(chǎng)產(chǎn)值將有十倍成長(zhǎng)。
至于不同的MEMS時(shí)鐘方案供應(yīng)商間的區(qū)別，主要在于MEMS諧振器采用不同的設(shè)計(jì)、制程，以及在先進(jìn)類比設(shè)計(jì)技術(shù)的差異性。這些差異導(dǎo)致MEMS諧振器有性能及可靠性差異。預(yù)料目前占主導(dǎo)地位的MEMS開發(fā)商將繼續(xù)利用其專業(yè)技術(shù)知識(shí)和市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)，強(qiáng)化戰(zhàn)略合作夥伴關(guān)系，主宰市場(chǎng)。
(本文作者M(jìn)ehdi Behnami為SiTime產(chǎn)品市場(chǎng)協(xié)理，謝鴻泉為SiTime亞太區(qū)業(yè)務(wù)副總裁)
以石英晶片為基礎(chǔ)的振蕩器、頻率產(chǎn)生器及諧振器等，一直是電子產(chǎn)品中主要的時(shí)鐘參考元件，由于沒有替代品，所有原始設(shè)備制造商(OEM)和原始設(shè)計(jì)自造商(ODM)均須接受石英產(chǎn)品的局限性。然而，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)進(jìn)入到時(shí)鐘產(chǎn)品后，這些利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的元件已提供許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正加速取代傳統(tǒng)石英元件。
力壓傳統(tǒng)石英元件 MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品效能吸睛
目前已有上千家廠商在各種應(yīng)用領(lǐng)域使用MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品，其中以網(wǎng)通、消費(fèi)性電子、PC相關(guān)及儲(chǔ)存裝置為大宗；產(chǎn)品方面包括伺服器、被動(dòng)光纖網(wǎng)路(PON)的光纖網(wǎng)路單元(ONU)及光纖線路終端(OLT)、固態(tài)硬碟(SSD)、磁碟陣列(RAID)、主匯流排變壓器(Host Bus Adapter, HBA)、數(shù)位相機(jī)(DSC)、平板裝置和電子書等。
平板、電子書制造商屬于早期采用MEMS振蕩器的用戶，藉以提高規(guī)格彈性、降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)也受益于MEMS元件較短的交期，加速產(chǎn)品上市。由于MEMS振蕩器效能近期已達(dá)到三級(jí)鐘(Stratum 3)等級(jí)，MEMS時(shí)鐘元件的應(yīng)用，將開始拓展至電信、無線及高階工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
矽半導(dǎo)體MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品不僅具備功能優(yōu)勢(shì)，供應(yīng)鏈也較傳統(tǒng)石英產(chǎn)業(yè)健全。不同于石英元器件，MEMS時(shí)鐘元件不需特殊封裝技術(shù)，可使用成本低廉，且廣泛運(yùn)用于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體元件的塑料封裝。另外，MEMS諧振器在半導(dǎo)體晶圓代工廠生產(chǎn)制造，擁有高品質(zhì)、高穩(wěn)定性及大量生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，交貨時(shí)間也較短。
根據(jù)摩爾定律(Moore’s Law)，MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品可依循一般半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的軌跡，持續(xù)改善性能。舉例而言，晶圓代工廠利用奈米(nm)級(jí)制程的MEMS諧振器，將做得更小、更好，由于矽MEMS諧振器具有亞微米級(jí)(Sub-Micron)的電極間距，隨著每個(gè)制程世代演進(jìn)到更小的幾何尺寸時(shí)，將大幅提高訊噪比(SNR)。
相反的，石英晶體諧振器做得愈小，品質(zhì)因子(Q Factor)值愈低，效能和相位噪聲也愈差，甚至?xí)斐蓱?yīng)力性能降低，更嚴(yán)重的活性下降(Activity Dips)效應(yīng)(頻率相對(duì)溫度不連續(xù)性的特性)，以及更受局限的頻率范圍。此外，隨著石英晶體被切割得愈薄愈小，亦將影響良率，導(dǎo)致制造成本上揚(yáng)。
改善相位噪聲與抖動(dòng) MEMS振蕩器威力升級(jí)
振蕩器對(duì)日益復(fù)雜的電子系統(tǒng)效能將帶來關(guān)鍵性的影響，主要跟振蕩器性能相關(guān)的規(guī)格有頻率穩(wěn)定性、抖動(dòng)及相位噪聲。在頻率穩(wěn)定性方面，典型石英振蕩器僅能提供20?100ppm的規(guī)格，而MEMS元件則帶來更好的ppm值，目前已量產(chǎn)MEMS溫度補(bǔ)償振蕩器(TCXO)的SiTime，已達(dá)成10?50ppm的頻率穩(wěn)定性。
此外，MEMS振蕩器均內(nèi)建溫度補(bǔ)償功能，即使處在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，也能呈現(xiàn)非常出色的頻率穩(wěn)定性，滿足高階應(yīng)用所需。這些頻率穩(wěn)定性的比較，包含因溫度變化、電壓變化、制程偏差及焊接過程所造成的所有頻率偏差。
相位噪聲系另一個(gè)影響系統(tǒng)性能非常重要的指標(biāo)。串行通訊應(yīng)用如10Gigabit乙太網(wǎng)路(10GbE)、串列式先進(jìn)附加介面(SATA)、SAS、光纖、PCIe及通用序列匯流排(USB)等，都有針對(duì)所使用的12K?20MHz范圍載波，設(shè)定均方根值(RMS)相位抖動(dòng)規(guī)格要求。無線或全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)等應(yīng)用，則相較應(yīng)用載波低于10KHz以下的近端相位噪聲(Close-in Phase Noise)有嚴(yán)格要求。
MEMS振蕩器在過去3年針對(duì)相位噪聲及相位抖動(dòng)已有巨幅改善。最新MEMS振蕩器已可提供典型RMS相位抖動(dòng)達(dá)到500飛秒(fs)及12K?20MHz間最大抖動(dòng)值小于1皮秒(圖1)。
圖1 最新MEMS振蕩器相位噪聲圖
減輕環(huán)境影響 MEMS振蕩器可靠又穩(wěn)定
由于電子系統(tǒng)須仰賴時(shí)鐘訊號(hào)才得以穩(wěn)定工作，因此時(shí)鐘元件須在不同的條件跟環(huán)境中均達(dá)成一致的可靠性。然而，時(shí)鐘元件在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下所測(cè)試的結(jié)果不意味能百分百適用于實(shí)際工作狀況中，根據(jù)供應(yīng)商提供的產(chǎn)品規(guī)格，一些時(shí)鐘元件將無法持續(xù)滿足可靠性需求。
部分零件對(duì)于外來的電磁耐受性(EMS)、電源雜訊(PSRR)、機(jī)械震動(dòng)及撞擊等外在環(huán)境因素的干擾較為敏感。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的MEMS諧振器加上先進(jìn)類比設(shè)計(jì)電路，能使MEMS振蕩器在許多外在環(huán)境干擾存在時(shí)，依然能夠保持高效能、高可靠性的表現(xiàn)。這是另一個(gè)系統(tǒng)廠商持續(xù)并不斷擴(kuò)大使用MEMS時(shí)鐘元件的原因。
由于外在環(huán)境因素對(duì)頻率穩(wěn)定性及相位抖動(dòng)影響重大，包括暴露在不同溫度、電源、負(fù)載及老化等環(huán)境影響因子下，一個(gè)精準(zhǔn)振蕩器的頻率穩(wěn)定性將隨著時(shí)間而改變。一些石英元件對(duì)這些影響因子尤其敏感，導(dǎo)致穩(wěn)定性、抖動(dòng)及相位噪聲嚴(yán)重惡化。
另一方面，外部設(shè)備或電路產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)雜訊，亦將加重頻率訊號(hào)抖動(dòng)和噪聲耦合現(xiàn)象。圖2顯示，當(dāng)不同的振蕩器暴露在EMI干擾環(huán)境中工作時(shí)，所產(chǎn)生的相位噪聲雜訊，此一測(cè)試可用來說明金屬上蓋封裝的石英產(chǎn)品，由于其金屬上蓋并沒有實(shí)際接地，故無法提供任何EMS防護(hù)。而當(dāng)中表現(xiàn)最好的MEMS振蕩器，使用所謂In-plane Bulk Mode MEMS諧振器。
圖2 外在EMI對(duì)MEMS、石英、SAW等振蕩器相位噪聲雜訊的影響
圖3是一個(gè)MEMS振蕩器跟SAW振蕩器對(duì)輸入不同頻率雜訊時(shí)，累計(jì)的相位抖動(dòng)對(duì)比數(shù)值。幾乎在所有測(cè)試的雜訊頻率中，MEMS振蕩器均明顯測(cè)出較低的抖動(dòng)數(shù)值。較低的抖動(dòng)數(shù)值系由于MEMS振蕩器內(nèi)部供電及偏壓電路，隔絕由供電電源導(dǎo)致的雜訊。
圖3 MEMS振蕩器(2號(hào)線)及SAW振蕩器(1號(hào)線)在供電電源上，面對(duì)50mV弦波雜訊時(shí)相位抖動(dòng)數(shù)值的比較。
MEMS諧振器耐沖擊與震動(dòng)表現(xiàn)出色
使用一般工業(yè)設(shè)備或可攜式消費(fèi)性電子產(chǎn)品，通常都會(huì)經(jīng)歷一定程度的沖擊及震動(dòng)，不論使用石英晶體或MEMS諧振器這類機(jī)械式諧振的振蕩器，均對(duì)震動(dòng)頗為敏感。因此，諧振器的質(zhì)量及剛度，將是決定諧振體能否抑制因震動(dòng)所引起的性能衰減兩大因素。 [!--empirenews.page--]
MEMS諧振體剛度非常高，并能減輕因震動(dòng)引起的移位問題；相較于塊狀石英晶片諧振器，MEMS諧振器具較小質(zhì)量，降低由重力加速度所加負(fù)在諧振器上的施力(表1)。當(dāng)測(cè)試50g重力加速度時(shí)，MEMS諧振器展現(xiàn)出較低的震動(dòng)靈敏性，并且可承受超過50,000g的重力加速度測(cè)試。
平均不良時(shí)間(MTBF)是一種對(duì)時(shí)鐘元件可靠性的標(biāo)準(zhǔn)量測(cè)方式，MTBF數(shù)值愈高表示產(chǎn)品有較長(zhǎng)的可運(yùn)作生命周期及更高可靠度。圖4顯示來自不同廠商的石英和MEMS振蕩器的MTBF數(shù)值，可發(fā)現(xiàn)MEMS振蕩器具有較佳的抗震性、抗沖擊性。
圖4 石英及MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品可靠性(MTBF)比較
靈活設(shè)計(jì)架構(gòu)加分 MEMS振蕩器大受青睞
MEMS振蕩器基礎(chǔ)零件系由一個(gè)MEMS諧振單元和獨(dú)立諧振IC封裝而成。由于該可編程IC的靈活設(shè)計(jì)，得以在工廠端依照客戶設(shè)計(jì)需求，快速配置完成。相較之下，石英產(chǎn)品根據(jù)特定參數(shù)做最佳化及客制化，無法提供類似MEMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)彈性。這種具備大范圍功能可配置的產(chǎn)品平臺(tái)及能力，也是造就MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品強(qiáng)勁成長(zhǎng)的主要因素之一。
如圖5典型MEMS振蕩器架構(gòu)左方所示，針對(duì)不同應(yīng)用，可搭配各種設(shè)計(jì)型式的MEMS諧振器。由于MEMS元件本身固有的溫度系數(shù)(隨溫度變化的穩(wěn)定性)，可透過溫度補(bǔ)償電路滿足精準(zhǔn)的時(shí)脈規(guī)格。溫度補(bǔ)償電路系由溫度感應(yīng)器、溫度數(shù)位轉(zhuǎn)換器及分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)(Frac-N PLL)所組成，并透過這些電路使整個(gè)時(shí)鐘元件滿足10?50ppm的全工作溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性。
PLL透過編程還可輸出頻率訊號(hào)的范圍擴(kuò)展至200k?800MHz，晶片上的一次性可編程(OTP)熔斷器是用來存儲(chǔ)溫度補(bǔ)償和配置參數(shù)。輸出驅(qū)動(dòng)器(Output Driver)提供可配置的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，以獲得最佳化的傳輸線阻抗匹配，并降低系統(tǒng)EMI。
由于本身巨大的尺寸及其他封裝問題，石英諧振器在電子系統(tǒng)中是唯一尚未被整合進(jìn)入IC的元件。一些為藍(lán)牙(Bluetooth)、無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)應(yīng)用等所設(shè)計(jì)的模組，由于石英元件的限制也阻礙模組尺寸小型化，然而，由于MEMS諧振器跟一般半導(dǎo)體晶元的特性相似，因此可透過多晶片封裝或者系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)方式，被整進(jìn)處理器或特定應(yīng)用積體電路(ASIC)晶片組。
目前，業(yè)界正致力將MEMS諧振器導(dǎo)入系統(tǒng)單晶片(SoC)，此設(shè)計(jì)趨勢(shì)使所有外部時(shí)鐘電路得已去除，從而增加系統(tǒng)效能并降低成本，為系統(tǒng)制造商帶來更多獲利。
MEMS時(shí)鐘元件需求俏 2017年后產(chǎn)值暴增十倍
憑藉強(qiáng)大的MEMS諧振器與高性能的模擬電路，MEMS時(shí)鐘方案迅速克服許多石英技術(shù)的限制。在性能方面，MEMS技術(shù)僅利用不到6年時(shí)間，就達(dá)成石英用超過60年時(shí)間所開發(fā)完成的技術(shù)水平。在MEMS元件性能與穩(wěn)定性持續(xù)精進(jìn)同時(shí)，市場(chǎng)滲透率將不斷擴(kuò)大。
MEMS時(shí)鐘元件由SiTime在5年前率先量產(chǎn)，市場(chǎng)快速擴(kuò)張也讓SiTime每年出貨量均以倍數(shù)成長(zhǎng)。預(yù)估到2017年，總體市場(chǎng)產(chǎn)值將有十倍成長(zhǎng)。
至于不同的MEMS時(shí)鐘方案供應(yīng)商間的區(qū)別，主要在于MEMS諧振器采用不同的設(shè)計(jì)、制程，以及在先進(jìn)類比設(shè)計(jì)技術(shù)的差異性。這些差異導(dǎo)致MEMS諧振器有性能及可靠性差異。預(yù)料目前占主導(dǎo)地位的MEMS開發(fā)商將繼續(xù)利用其專業(yè)技術(shù)知識(shí)和市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)，強(qiáng)化戰(zhàn)略合作夥伴關(guān)系，主宰市場(chǎng)。
(本文作者M(jìn)ehdi Behnami為SiTime產(chǎn)品市場(chǎng)協(xié)理，謝鴻泉為SiTime亞太區(qū)業(yè)務(wù)副總裁)
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