芯科專利CMEMS技術(shù) 提供真正的MEMS+CMOS協(xié)同設(shè)計(jì)

由于在產(chǎn)品尺寸交付時(shí)間、供應(yīng)穩(wěn)定性、產(chǎn)品可靠性、器件尺寸和性價(jià)比等多方面存在優(yōu)勢(shì)，近幾年來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)解決方案正在逐步打破石英晶體解決方案在頻率控制和定時(shí)產(chǎn)品領(lǐng)域的完全壟斷局面。隨著Silicon Labs (芯科實(shí)驗(yàn)室有限公司)專利的CMEMS技術(shù)的采用，公司在一體化頻率控制產(chǎn)品上獲得巨大突破，通過(guò)在先進(jìn)的混合信號(hào)IC之上直接加工諧振器，來(lái)獲得完整的單片解決方案，這是真正的MEMS+CMOS協(xié)同設(shè)計(jì)。CMEMS技術(shù)為頻率控制工業(yè)帶來(lái)顯著的優(yōu)勢(shì)，包括更小尺寸、更高性能、更低成本和更好的可擴(kuò)展性。

日前，Silicon Labs宣布推出高集成度基于MEMS的Si50x振蕩器，旨在替代需要低成本、低功耗和批量生產(chǎn)的工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)類電子應(yīng)用中的通用型晶體振蕩器(XO)，這些應(yīng)用包括數(shù)碼相機(jī)、存儲(chǔ)和內(nèi)存、ATM機(jī)、POS機(jī)和多功能打印機(jī)等。新型Si50x振蕩器基于CMEMS技術(shù)，此為首個(gè)在大批量生產(chǎn)中把MEMS架構(gòu)直接構(gòu)建于標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶圓(Wafer)上，從而獲得完全集成的高可靠“CMOS+MEMS”單芯片解決方案。

與現(xiàn)有的頻率控制解決方案相比，Silicon Labs Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品具有更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度，它采用專利技術(shù)的單體架構(gòu)，在單晶片(Single-die)上集成MEMS諧振器和CMOS振蕩器電路。首創(chuàng)的CMOS+MEMS集成架構(gòu)與Silicon Labs經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證的混合信號(hào)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，將大幅改寫(xiě)頻率控制產(chǎn)業(yè)：

• CMEMS振蕩器在CMOS工廠大批量生產(chǎn)制造，此工廠具有標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線，支持完整振蕩器系統(tǒng)的晶圓探測(cè)，從而獲得最高級(jí)的質(zhì)量和工藝控制。

• CMEMS技術(shù)確保數(shù)據(jù)手冊(cè)中的性能具有10年的頻率穩(wěn)定性，包括焊接偏移、負(fù)載牽引、VDD變化、運(yùn)行溫度范圍、振動(dòng)和沖擊，并保證操作壽命性能是其他公司XO和MEMS振蕩器的10倍。

• CMEMS振蕩器緊密耦合MEMS諧振器、CMOS溫度傳感器和補(bǔ)償電路，從而在熱力瞬變時(shí)以及整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)提供高穩(wěn)定的頻率輸出，在工業(yè)和嵌入式應(yīng)用的長(zhǎng)期運(yùn)行期間提供可預(yù)知的可靠頻率參考。

• CMEMS諧振器采用被動(dòng)補(bǔ)償，在設(shè)計(jì)中使用可抵消溫度變動(dòng)的材料。因此Silicon Labs可通過(guò)其創(chuàng)新的混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，來(lái)創(chuàng)建更小、更低功耗、更符合成本效益的振蕩器，同時(shí)確保優(yōu)異的頻率和溫度穩(wěn)定性以及抗老化性能。

• Si50x CMEMS振蕩器支持32kHz~100MHz之間的任意頻率。頻率穩(wěn)定性選項(xiàng)包括±20ppm、±30ppm和±50ppm，運(yùn)行溫度范圍支持商業(yè)應(yīng)用(-20℃至+70℃)和工業(yè)應(yīng)用(-40℃至+85℃)。CMEMS振蕩器還提供豐富的現(xiàn)場(chǎng)和工廠可編程特性，包括低功耗和低周期抖動(dòng)模式、可編程的上升/下降時(shí)間，以及可配置高/低輸出使能功能。

Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品為客戶解決傳統(tǒng)方案中常見(jiàn)的供應(yīng)鏈問(wèn)題。Si50x振蕩器由中芯國(guó)際(SMIC)生產(chǎn)制造。通過(guò)規(guī)模效應(yīng)和質(zhì)量控制，這一戰(zhàn)略性合作關(guān)系可大大增加制造和供應(yīng)的可預(yù)見(jiàn)性。由于CMEMS振蕩器是集成的單片IC，采用廣泛生產(chǎn)的模塑復(fù)合物4引腳封裝，再次確?？深A(yù)見(jiàn)和可靠的供應(yīng)鏈。

IHS MEMS和傳感器總監(jiān)及資深首席分析師Jeremie Bouchaud表示：“時(shí)序產(chǎn)品市場(chǎng)已迎來(lái)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，最新一代基于MEMS的振蕩器極具成本效益，能可靠替代傳統(tǒng)晶體振蕩器。Silicon Labs CMEMS技術(shù)把MEMS諧振器和頻率控制電路集成到單晶片器件中，為批量電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供最完整的晶體振蕩器替代解決方案。”

與Silicon Labs所有其他振蕩器產(chǎn)品一樣，Si50x振蕩器可提供網(wǎng)絡(luò)定制的2周樣品交付周期，也可通過(guò)Silicon Labs銷售合作伙伴在客戶現(xiàn)場(chǎng)即刻編程。此外，Si50x振蕩器與現(xiàn)有的石英或MEMS振蕩器引腳和封裝兼容，可實(shí)現(xiàn)快速便捷的替換解決方案。

Si50x系列產(chǎn)品包括四類產(chǎn)品，具有數(shù)千種靈活的定時(shí)配置：

• Si501是具有輸出使能(OE)功能的單頻率振蕩器

• Si502是具有OE和頻率選擇(FS)功能的雙頻率振蕩器

• Si503是具有FS技術(shù)的四頻率振蕩器

• Si504是完全可編程的振蕩器，支持所有配置特性，采用單腳接口，以十億分率的精度進(jìn)行精確頻率調(diào)整。

Silicon Labs公司副總裁暨時(shí)序產(chǎn)品總經(jīng)理Mike Petrowski表示：“Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品是頻率控制市場(chǎng)的重要技術(shù)進(jìn)步，它結(jié)合基于MEMS單晶片解決方案的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備通用型晶體振蕩器的最好特性，并提高可靠性以及縮短交貨周期。通過(guò)Silicon Labs專業(yè)的MEMS設(shè)計(jì)、器件、工藝集成和混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)，Si50x系列產(chǎn)品為成本和功耗受限的嵌入式、工業(yè)和消費(fèi)類電子應(yīng)用提供最佳的通用型振蕩器解決方案。”

Silicon Labs Si501/2/3/4 CMEMS振蕩器現(xiàn)已量產(chǎn)，具有三種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4引腳DFN封裝尺寸：2mm×2.5mm、2.5mm×3.2mm和3.2mm×5mm。在一萬(wàn)顆采購(gòu)量，Si50x振蕩器單價(jià)為0.44美元起。為了方便CMEMS振蕩器評(píng)估和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，Silicon Labs還提供Si501-2-3-4-EVB評(píng)估套件，價(jià)格為99美元，包括預(yù)編程的Si504器件和適合各封裝尺寸的開(kāi)放插座，以方便客戶評(píng)估。

CMEMS：CMOS和MEMS的單片集成

術(shù)語(yǔ)CMEMS是CMOS和MEMS的字母縮寫(xiě)。CMEMS技術(shù)可以在CMOS電路上直接進(jìn)行MEMS器件的模塊化后處理。CMEMS是可以在先進(jìn)的RF/混合信號(hào)CMOS技術(shù)(≤0.18µm)上直接進(jìn)行高質(zhì)量MEMS層后處理的技術(shù)，充分利用經(jīng)典CMOS制造工藝的可擴(kuò)展性，作為模塊化的后段制程選項(xiàng)附加到以前用于制造先進(jìn)CMOS晶片的生產(chǎn)線(圖2)。

如圖3所示，(a)起始材料以鈍化和平面化CMOS晶片形式存在，接著(b)多晶SiGe采用表面微機(jī)械形式生成集成的MEMS器件，(c)他們?cè)谡婵罩型ㄟ^(guò)晶圓級(jí)綁定。整個(gè)完成的晶圓繼續(xù)探測(cè)，(d)裸片成型和標(biāo)準(zhǔn)化小尺寸打包裝配，像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS產(chǎn)品。

圖1 Si501/2/3功能框圖

圖2 Si504功能框圖

圖3 CMEMS制造基本流程

CMEMS技術(shù)通過(guò)使用多晶硅-鍺(poly-SiGe)作為MEMS構(gòu)建材料。由于其熱特性兼容CMOS后端處理工藝，因此這種材料被認(rèn)為是對(duì)CMOS有益的。Poly-SiGe能夠在400℃左右沉積。換句話說(shuō)，當(dāng)直接在主流CMOS技術(shù)上進(jìn)行沉積時(shí)，他不會(huì)熔化現(xiàn)有的CMOS和后端材料，也允許使用純鍺(Ge)，Ge溶解在過(guò)氧化氫(H2O2)中，其中H2O2作為蝕刻劑。H2O2常用于CMOS后端處理，他比氫氟酸或其他常用于MEMS工藝的蝕刻劑更好。這兩種主要特性使MEMS表面微機(jī)械工藝一體化兼容先進(jìn)的CMOS技術(shù)。

工藝兼容性僅是問(wèn)題的一部分。材料質(zhì)量也至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，材料的質(zhì)量和沉積溫度對(duì)于MEMS應(yīng)用往往呈現(xiàn)相反方向。雖然像鋁和銅一樣的金屬材料兼容CMOS工藝，但是方向性使得他們不適合作為結(jié)構(gòu)材料。而SiGe在這個(gè)關(guān)鍵的方向性上卻非常適合。在400℃以上和特定條件，SiGe是用于沉積的多晶材料。他有與多晶硅類似的屬性，廣泛用于MEMS材料。這些屬性包括高斷裂強(qiáng)度和低熱彈性虧損(即高Q值)，并且當(dāng)周期性通過(guò)壓力時(shí)，SiGe不會(huì)出現(xiàn)滯后。這些屬性對(duì)于制造高性能MEMS器件是絕對(duì)關(guān)鍵的，特別是頻率控制所需的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

除了SiGe材料優(yōu)勢(shì)之外，CMEMS技術(shù)還提供以下幾個(gè)關(guān)鍵特性，因此對(duì)于系統(tǒng)集成來(lái)說(shuō)是最可靠和最優(yōu)選擇：

• 填充和鑲嵌相結(jié)合，以及特定隔離層相關(guān)聯(lián)的模塊，確保在頂層金屬和SiGe MEMS層之間具有低的接觸阻抗。這種技術(shù)最大限度的減少接觸尺寸和寄生危害;

• 間隔模塊允許采用高縱橫比的電極間隙，可高效的定義平面內(nèi)靜電傳感器;

• 結(jié)構(gòu)厚度具有靈活性(2µm ~4µm)，允許采用薄而小的表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)外的操作模式;

• 嵌入到結(jié)構(gòu)中的二氧化硅狹縫模塊，實(shí)現(xiàn)熱漂移的微機(jī)械補(bǔ)償和電氣隔離;

• 共熔密封的晶圓到晶圓綁定允許MEMS器件進(jìn)行超潔凈真空封裝。