摘要： 超低電壓MEMS時脈元件將成業(yè)界新寵。隨著傳統(tǒng)石英振盪器逐漸難以因應(yīng)行動裝置輕薄、低功耗設(shè)計需求，業(yè)界已轉(zhuǎn)向運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化半導(dǎo)體製程研發(fā)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)振盪器、超低電壓無石英(Crystal-less)時脈產(chǎn)生器;近期，工研院更積極融合兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步打造高精準(zhǔn)度、低耗電與小尺寸時脈元件，以滿足行動裝置日益嚴(yán)苛的設(shè)計要求。
關(guān)鍵字： 半導(dǎo)體， 解決方案， 電路
超低電壓MEMS時脈元件將成業(yè)界新寵。隨著傳統(tǒng)石英振盪器逐漸難以因應(yīng)行動裝置輕薄、低功耗設(shè)計需求，業(yè)界已轉(zhuǎn)向運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化半導(dǎo)體製程研發(fā)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)振盪器、超低電壓無石英(Crystal-less)時脈產(chǎn)生器;近期，工研院更積極融合兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步打造高精準(zhǔn)度、低耗電與小尺寸時脈元件，以滿足行動裝置日益嚴(yán)苛的設(shè)計要求。
工研院資通所低功耗混合訊號部技術(shù)副理李瑜表示，目前市面上有叁種時脈元件解決方案，分別是石英振盪器、MEMS振盪器及無石英時脈產(chǎn)生器。在行動裝置嚴(yán)格要求低功耗、輕薄化的影響下，傳統(tǒng)石英振盪器因須採用金屬或陶瓷封裝，不僅生產(chǎn)成本較高、交貨期間長，且難微縮封裝尺寸與高度，地位已漸漸式微;相較之下，MEMS振盪器及無石英時脈產(chǎn)生器則快速崛起，開始瓜分行動裝置市場商機(jī)。
其中，MEMS振盪器雖擁有尺寸微縮、精準(zhǔn)度媲美石英振盪器的優(yōu)勢，但內(nèi)部包含前端MEMS諧振器與后端補(bǔ)償電路，囿于晶圓製程變異與MEMS元件特性，仍面臨單價高、溫度及電壓適應(yīng)力弱等問題;同時，其驅(qū)動電壓仍在1.8～3.3伏特(V)之間，要縮減功耗滿足行動裝置需求，就須導(dǎo)入更多省電機(jī)制，影響系統(tǒng)效能與成本。因此，工研院提出MEMS諧振器整合超低電壓電路的解決方案，全力克服上述問題。
李瑜透露，工研院日前發(fā)布超低電壓晶片技術(shù)，將與MEMS振盪器進(jìn)一步結(jié)合，催生更高整合度、低耗電時脈元件?，F(xiàn)階段，資通所與南分院正緊鑼密鼓展開新產(chǎn)品研發(fā)計畫，將整合MEMS諧振器，以及一顆基于0.3～0.5伏特(V)超低電壓補(bǔ)償電路製成的特定應(yīng)用積體電路(ASIC)，兼容前者的高精準(zhǔn)度、高頻率穩(wěn)定性，以及后者的低電壓驅(qū)動、適應(yīng)溫度範(fàn)圍等優(yōu)點(diǎn)。
李瑜分析，MEMS振盪器相容半導(dǎo)體製程與封裝技術(shù)，極具尺寸微縮、晶片整合度、量產(chǎn)速度與成本等效益，且頻率精準(zhǔn)度平均已達(dá)到10～20ppm以下，滿足中高階時脈應(yīng)用產(chǎn)品規(guī)格;未來整合超低電壓補(bǔ)償電路后，更有助改善MEMS振盪器操作環(huán)境變異、時脈穩(wěn)定度問題，提供更出色的效能修復(fù)機(jī)制，并降低50%以上功耗。
此外，利用經(jīng)驗(yàn)證、優(yōu)化的超低電壓晶片技術(shù)，亦可減輕MEMS振盪器在晶圓層級、功能性及溫度測試的復(fù)雜度，從而壓縮測試時間與成本，更快達(dá)成降價目的，以加速取代石英振盪器。
不僅如此，MEMS廠也開始醞釀行動系統(tǒng)單晶片(SoC)內(nèi)建MEMS振盪器的解決方案，以去除外部時脈電路，達(dá)到提升效能與降低成本的雙重功效。李瑜認(rèn)為，這是MEMS振盪器的獨(dú)特設(shè)計優(yōu)勢，有助其壓低單價并快速提高滲透率，進(jìn)而擴(kuò)大取代石英產(chǎn)品;反觀石英元件封裝形式與SoC則不相容，無法達(dá)成該設(shè)計需求。
至于無石英時脈產(chǎn)生器方面的進(jìn)展，工研院亦已開發(fā)一款超低電壓時脈產(chǎn)生器，除尺寸非常微小外，亦將功耗控制在12微瓦(µW)以下，并達(dá)到±500ppm精準(zhǔn)度水準(zhǔn)，可望在中低階時脈應(yīng)用領(lǐng)域快速擴(kuò)張版圖。
顯而易見，傳統(tǒng)石英振盪器正面臨左右夾攻的局面;為扳回一城，相關(guān)供應(yīng)鏈業(yè)者已著手改良石英時脈元件的封裝技術(shù)，甚至進(jìn)一步投入測試可匹配半導(dǎo)體製程的生產(chǎn)方案，期大幅縮減尺寸與成本，防堵MEMS、超低電壓時脈產(chǎn)生器的強(qiáng)力攻勢。
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