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。