可編程全硅MEMS振蕩器與石英振蕩器之大比拼

1、可編程全硅MEMS振蕩器與石英振蕩器之大比拼 關(guān)鍵字： MEMS振蕩器  石英振蕩器  時(shí)鐘組件  如果說很多人把MCU或SoC主芯片比喻為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的大腦，那么時(shí)鐘組件當(dāng)之無愧是其心臟。無論是電子工程師還是元器件采購者，在選擇時(shí)鐘組件時(shí)都會(huì)經(jīng)過全面嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)估。因?yàn)橐活w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(shí)鐘組件可分為無源晶振、有源晶振和多輸出時(shí)鐘發(fā)生器三大類產(chǎn)品。在過去60年中，石英作為時(shí)鐘市場(chǎng)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(chǎng)的壟斷，因此性價(jià)比無法進(jìn)一步提升。為了滿

2、足電子市場(chǎng)對(duì)元器件提出的更小、更可靠、更靈活的需求，時(shí)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(shí)鐘振蕩器簡(jiǎn)介 傳統(tǒng)的石英振蕩器是由壓電石英加上簡(jiǎn)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?dú)?，用金屬封裝進(jìn)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(gè)人工密集型的半自動(dòng)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)

3、雜的生產(chǎn)程序?qū)е鹿┴浧诘耐祥L(zhǎng)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(jìn)行實(shí)時(shí)配置； 3. 壓電石英對(duì)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(diǎn)需靠生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理來解決，缺乏質(zhì)量和長(zhǎng)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(diǎn)，因此在時(shí)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(gè)全硅MEMS諧振器和一個(gè)可編程Analog CMOS驅(qū)動(dòng)芯片堆棧，并以標(biāo)準(zhǔn)QFN IC封裝方式完成。揚(yáng)興科技為美國(guó)SiTime一級(jí)代理

4、商，可以解決頻率元件的各種方案。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(jì)結(jié)構(gòu)上，都更符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，也是對(duì)傳統(tǒng)石英產(chǎn)品的升級(jí)換代。 * 高性能模擬溫補(bǔ)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(tái)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)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(shì) 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(shí)考慮的

5、主要參數(shù)之一。因?yàn)槊恳粋€(gè)設(shè)計(jì)，都需要保證系統(tǒng)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)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(diǎn)，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(gè)工業(yè)級(jí)(-40?C-85?C)石英振蕩器要達(dá)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(shí)鐘其設(shè)計(jì)余量較不充分，由此也增加了整體系統(tǒng)在工業(yè)級(jí)全溫產(chǎn)生不穩(wěn)定運(yùn)行的可能性。 圖2同時(shí)也顯示了各種色彩的平衡線，代表了110個(gè)SiTime全硅MEMS振蕩器在-40?C-85

6、?C范圍內(nèi)的實(shí)際總頻差。與石英振蕩器相比，這些工業(yè)級(jí)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(jì)余量。 正由于全硅MEMS振蕩器利用溫度補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，從振蕩器設(shè)計(jì)上解決了石英溫飄的煩惱，因此電子工程師在選料時(shí)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?，他們可采用25PPM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(shí)現(xiàn)的。這也決定了石

7、英一個(gè)頻率、一個(gè)工作電壓、一個(gè)頻率穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)一個(gè)料號(hào)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?yàn)閴弘娛⒌幕静ㄕ袷幨窍拗圃?0MHz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(shí)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(jiǎn)單明了的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)可編程的時(shí)鐘平臺(tái)，其主

8、要規(guī)格參數(shù)都在設(shè)計(jì)時(shí)整合進(jìn)了CMOS，利用內(nèi)嵌的NVM(非易失性存儲(chǔ)器)來實(shí)現(xiàn)振蕩器參數(shù)即MEMS振蕩器的實(shí)時(shí)配置。 圖4 全硅ME振蕩器平臺(tái)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(gè)基本料號(hào)可通過編程來實(shí)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(dá)到民用級(jí)(0?C-70?C)、超民用級(jí)(-20?C-70?C)或工業(yè)級(jí)(-40?C-85?C)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(jì)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(shí)

9、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(xiǎn)，壓縮備貨成本 即時(shí)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(yuǎn)希望或要求下游供應(yīng)商長(zhǎng)期保證足夠純貨，以備急用。而下游供應(yīng)商應(yīng)利潤(rùn)壓力，卻會(huì)盡量減低庫存，而這個(gè)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(cè)試，老化等幾十半自動(dòng)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8-1

10、6周供貨期，且無應(yīng)急供貨的能力。 對(duì)于石英廠商備貨更是艱巨的任務(wù)，因?yàn)槭⒁粋€(gè)頻率，一個(gè)料號(hào)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(huì)在石英銷售渠道中有長(zhǎng)期備料。而對(duì)于系統(tǒng)廠商來說，因不同料號(hào)需求增減難測(cè)，經(jīng)常出現(xiàn)急用料長(zhǎng)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(tái)，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(biāo)準(zhǔn)芯片塑料封裝，測(cè)試，編程和卷帶包裝

11、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(gè)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(shí)時(shí)調(diào)整產(chǎn)品組合，滿足客戶無時(shí)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(xiǎn)。 這種供貨上的靈活性不但簡(jiǎn)化了系統(tǒng)廠商供應(yīng)鏈的管理，也無形中減小了對(duì)備貨資金的要求，為系統(tǒng)廠商減低總成本，提高利潤(rùn)做出貢獻(xiàn)。 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(gè)石英晶體為主

12、的機(jī)械振動(dòng)結(jié)構(gòu)，易碎，而且對(duì)外界環(huán)境敏感。很多因素會(huì)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(gè)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(huì)因外界溫度變化而移動(dòng)，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(jì)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(huì)引起嚴(yán)重頻率偏差，甚至完全停振。A

13、ctivity Dip現(xiàn)象很難靠測(cè)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(shí)用氮?dú)饷芊赓|(zhì)量好壞有直接關(guān)系。石英振蕩器在運(yùn)輸、SMD上線，或系統(tǒng)正常運(yùn)作過程中受震動(dòng)或老化影響，一旦漏氣，就會(huì)造成停振，導(dǎo)致整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)制程和封裝，以IC的方式產(chǎn)生輸出信號(hào)。產(chǎn)品本身無需密封，在設(shè)計(jì)測(cè)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(dòng)等)中保持良好的頻率性和質(zhì)量上的一致性。

14、組件的可靠性一般是用平均無故障時(shí)間(MTTF或MTBF)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，衡量單位為百萬小時(shí)，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(dá)到3千萬小時(shí)MTBF值。如表1所示，MEMS振蕩器基于全硅架構(gòu)，在MTBF指標(biāo)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(diǎn)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(shì)在應(yīng)用上又有何價(jià)值呢？現(xiàn)代移動(dòng)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(dòng)產(chǎn)品，卻恰恰有一個(gè)所謂的跌落測(cè)試(drop-test)，來驗(yàn)證包括振蕩器在內(nèi)的產(chǎn)品整體可

15、靠性和穩(wěn)定性。 對(duì)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(cè)試是石英振蕩器難跨越的門檻，同時(shí)也給了MEMS振蕩器大顯身手的機(jī)會(huì)。MEMS在可靠性和抗震效應(yīng)上的優(yōu)勢(shì)，使之不但成為移動(dòng)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(duì)比大家可以看到，全硅MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品取代石英已是既成的事實(shí)。接下來，如何加快采用全硅MEMS時(shí)鐘技術(shù)的步伐？是否可以一料通用，減少需管理料號(hào)，減低管理成本？是否可利用全硅MEMS時(shí)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(shí)脈產(chǎn)品的時(shí)代已經(jīng)到來了 全硅MEMS時(shí)脈產(chǎn)品的出現(xiàn)對(duì)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(shí)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(gè)前沿（last frontier）, 因?yàn)榻裉斓碾娮赢a(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(dá)到極限，那末全硅MEMS技術(shù)則應(yīng)該說正在進(jìn)如高速成長(zhǎng)期，根據(jù)”moores law, 在今后5年內(nèi)MEMS時(shí)脈產(chǎn)品會(huì)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(jià)比也會(huì)將石英遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。 即然全硅MEMS