石英和可編程全硅MEMS振蕩器大比拼（一）

　　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，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. 復雜的生產(chǎn)程序導致供貨期的拖長及缺貨應急困難的現(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)工藝和質量管理來解決，缺乏質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在弱點，因此在時鐘組件的選料上開始轉向全硅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)品結構，有一個全硅MEMS諧振器和一個可編程Analog CMOS驅動芯片堆棧，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)工藝還是組件設計結構上，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;

　　* 完善的半導體生產(chǎn)鏈可讓全硅MEMS供貨期全面縮短，并提升需求應急的能力;

　　* 全自動生產(chǎn)的IC結構在質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。因為每一個設計，都需要保證系統(tǒng)在整個工作溫度范圍內正常運作。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?C-85?C)石英振蕩器要達到全溫頻率穩(wěn)定性25PPM在技術上的難度。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?C-85?C范圍內的實際總頻差。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)提供更大的設計余量。

　　正由于全硅MEMS振蕩器利用溫度補償?shù)募夹g，從振蕩器設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。