從嵌入CMOS MEMS振蕩器展望IC設(shè)計的潛在變革

摘要： 隨著CMOS MEMS振蕩器大規(guī)模制造技術(shù)的成熟，應(yīng)用將涉及汽車、電視、攝像機、個人電腦、便攜式設(shè)備等等幾乎一切電子設(shè)備，本文向中國工程師概要介紹CMOS MEMS諧振器主流技術(shù)及行業(yè)動態(tài)、在IC中嵌入CMOS MEMS振蕩器的設(shè)計流程以及相關(guān)支持工具的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： MEMS，振蕩器，CMOS MEMS，IC設(shè)計，EDA

MEMS技術(shù)將會給幾乎所有種類的電子產(chǎn)品帶來一場革命，特別是隨著CMOS MEMS振蕩器大規(guī)模制造技術(shù)的成熟，消費電子產(chǎn)品制造商、硬盤制造商以及其它產(chǎn)品制造商都將會從中受益，其中包括減少必需材料的使用量、縮短設(shè)計時間、提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性及降低能耗等等。

據(jù)Sitime公司提供的數(shù)據(jù)，目前全球石英晶體振蕩器市場年規(guī)模為30億美元，每年生產(chǎn)90億顆石英晶體振蕩器，應(yīng)用涉及汽車、電視、攝像機、個人電腦、便攜式設(shè)備等等幾乎一切電子設(shè)備，如圖1所示為電子設(shè)備中所需振蕩器的數(shù)量。因此，CMOS MEMS諧振器的推廣應(yīng)用具有真正意義上的顛覆性。本文概要介紹CMOS MEMS諧振器主流技術(shù)及行業(yè)動態(tài)、在IC中嵌入CMOS MEMS振蕩器的設(shè)計流程以及相關(guān)支持工具的發(fā)展趨勢。

圖1  電子設(shè)備中所需振蕩器的數(shù)量
來源：Sitime公司

CMOS MEMS振蕩器技術(shù)：兩大領(lǐng)先公司對決

MEMS振蕩器是未來頻率控制市場上一個非常重要的產(chǎn)品領(lǐng)域。CMOS MEMS諧振器技術(shù)領(lǐng)域里的全球領(lǐng)導(dǎo)者及下一代定時解決方案提供商主要有美國SiTime、Discera和Silicon Clocks等三家公司。目前，Sitime與臺積電及JAZZ半導(dǎo)體合作、Discera公司與Vectron International公司合作為電子產(chǎn)品制造商生產(chǎn)MEMS振蕩器。它們代表的主流CMOS MEMS振蕩器技術(shù)分別是：

SiTime的MEMS First和EpiSeal CMOS技術(shù)

MEMS First制造工藝技術(shù)是在8英寸的SOI(硅絕緣層)晶圓上，以深度離子蝕刻技術(shù)，產(chǎn)生出極細小且堅硬的機械結(jié)構(gòu)，作為諧振器。在實際工作時，這些硅諧振器會受到電子信號的引導(dǎo)，而在與晶圓表面水平的方向產(chǎn)生振動。然后，利用EpiSeal CMOS技術(shù)，將硅諧振器在高溫情況下封裝于CMOS硅晶層之下。由于高溫處理能夠排除蝕刻時產(chǎn)生的空氣和污染，因此被封裝在硅晶層下的硅諧振器便可處于近乎真空無塵的環(huán)境內(nèi)工作，確保振蕩的可靠度與準確度。

據(jù)Sitime公司介紹，一片8英寸晶圓可以制作出高達5萬顆的硅晶振蕩器，以體積來看，比同類型石英組件的體積小1,000倍。此外，就性能相比，不管是就長期穩(wěn)定性、老化程度和溫度補償特性來看，新產(chǎn)品均不遜于石英裝置，反而具備更佳的CMOS集成能力與抗沖擊特性。 此外， EpiSeal CMOS技術(shù)容許SiTime振蕩器舍棄傳統(tǒng)的陶瓷封裝，改使用任何標準的IC封裝技術(shù)。

Discera公司的PureSilicon諧振器技術(shù)

它是一項擁有專利的基礎(chǔ)性技術(shù)，基于PureSilicon的CMOS振蕩器能夠集成進其它基于CMOS的電路中。此外，Discera公司的封裝技術(shù)容許利用工業(yè)標準的、低成本塑模封裝技術(shù)來提供最小的振蕩器器件。

在基于CMOS工藝的MEMS振蕩器技術(shù)取得重大突破即將轉(zhuǎn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用之時，如何加快MEMS振蕩器的商用化應(yīng)用是一個重要課題，為此Discera公司提出了一種業(yè)務(wù)合作伙伴商業(yè)模式，對中國電子行業(yè)或許是重大的機會，特別值得關(guān)注。

從2006年8月開始，Discera公司旋風(fēng)般地分別與亞太地區(qū)的一流分銷商世健科技有限公司、韓國領(lǐng)先的半導(dǎo)體和IT方案提供商MJL Technology有限公司、歐洲的高科技半導(dǎo)體及系統(tǒng)產(chǎn)品供應(yīng)商Azzurri Technology有限公司、日本的微波器件、組件及子系統(tǒng)主要分銷商M-RF公司宣布結(jié)成合作伙伴關(guān)系，分銷Discera公司基于CMOS MEMS振蕩器的定時產(chǎn)品。

Discera公司表示，加入其業(yè)務(wù)合作伙伴(Business Partner)之后，就可以接觸其現(xiàn)有的以及快速演變之中的技術(shù)和產(chǎn)品，包括Discera獨特的、經(jīng)過驗證的基于CMOS工藝的MEMS振蕩器技術(shù)。通過這種合作伙伴關(guān)系，合作雙方可以利用Discera的設(shè)計規(guī)則共同開發(fā)具有高集成度的產(chǎn)品，從而滿足制造商合作伙伴以及最終數(shù)字消費電子及移動應(yīng)用用戶的特殊需要。

從消息面看，Sitime在全球布局方面顯得不如Discera主動，后續(xù)情況如何，尚要拭目以待。但是，至少有一點是清楚的：CMOS MEMS振蕩器入市的時間可能會比人們想象的要快。競爭涉及設(shè)計、制造、分銷等整個產(chǎn)業(yè)鏈，國際頂級制造商的商業(yè)模式創(chuàng)新尤其值得關(guān)注。

嵌入MEMS振蕩器模塊：混合信號設(shè)計流程是關(guān)鍵

據(jù)市場研究機構(gòu)WTC預(yù)測，從2007年起第一代MEMS振蕩器開始大規(guī)模商用，其典型的技術(shù)指標是：溫度穩(wěn)定性20到100ppm，-40℃ 到85℃；典型的應(yīng)用為數(shù)碼相機和數(shù)碼攝像機以及便攜式音頻播放器，主要取代傳統(tǒng)的晶體振蕩器(XO)。第二代MEMS振蕩器將針對需要溫度補償?shù)腡CXO市場，大約在2008到2009年間上市。MEMS振蕩器市場的新玩家Silicon Clocks、NXP和VTI將針對這個市場。第三代MEMS振蕩器有望與多個鎖相環(huán)路集成，實現(xiàn)一個裸片輸出多個頻率。如圖2所示為WTC提供的MEMS振蕩器技術(shù)發(fā)展的路線圖。

圖2  MEMS振蕩器技術(shù)發(fā)展的路線圖

對于即將來臨的MEMS應(yīng)用大潮，中國設(shè)計工程師除了采用Sitime和Discera等公司提供的已集成并封裝好的MEMS振蕩器之外，如何才能把MEMS振蕩器模塊嵌入到IC之中實現(xiàn)電子系統(tǒng)設(shè)計的升級呢？可能是目前值得探討并關(guān)注的重要課題。

對此，美國密歇根州大學(xué)的研究人員認為，集成CMOS MEMS振蕩器涉及模擬、數(shù)字以及微機電系統(tǒng)三大領(lǐng)域，目前，業(yè)界尚沒有滿足所有設(shè)計要求的單一設(shè)計框架和工具。他們在文獻中[3]指出，要綜合采用多種EDA工具，其中，Cadence AMS環(huán)境用于對微系統(tǒng)技術(shù)的系統(tǒng)級開發(fā)。此外，在這個過程中，還要采用Spectre工具來進行模擬子系統(tǒng)和晶體管級的設(shè)計，用Coventorware對MEMS元器件做有限元分析(FEA)，用Synopsys Design Compiler實現(xiàn)數(shù)字綜合，用Cadence Silicon Ensemble進行自動布局和布線(APR)，以及采用Mentor Graphics Calibre的工具進行設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)和電路與版圖一致性驗證(LVS)。掌握如此多的工具，對設(shè)計工程師來說，無疑是一大挑戰(zhàn)，EDA行業(yè)有望在這里尋求新的發(fā)展機會。

如圖3所示為文獻[3]詳細介紹的一種集成CMOS MEMS時鐘參考源的設(shè)計流程。它采用的是自頂向下的設(shè)計方法，模擬、數(shù)字、MEMS三個部分采取并行設(shè)計的流程，設(shè)計出來的16位混合信號微系統(tǒng)已經(jīng)在TSMC成功實現(xiàn)流片。

圖3  集成CMOS MEMS時鐘參考源的混合信號IC設(shè)計流程

另一方面，據(jù)來自芯片代工廠TSMC的消息， TSMC承諾于2006年提供基于CMOS工藝的MEMS工藝模塊；而意法半導(dǎo)體已經(jīng)投資大約4000萬美元改建最先進的MEMS生產(chǎn)線。因此，從密歇根州大學(xué)的設(shè)計案例以及MEMS器件可制造性兩方面判斷，隨著各方面條件的不斷完善，嵌入MEMS振蕩器或時鐘參考源不久必將成為IC設(shè)計行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。

應(yīng)對可制造性挑戰(zhàn)：先進EDA工具的發(fā)展機會

從MEMS器件設(shè)計工具領(lǐng)域來看，Coventor公司和Tanner EDA公司是業(yè)界的領(lǐng)先公司，目前相關(guān)EDA工具的焦點在于解決上千種MEMS工藝所帶來的可制造性問題。

Coventor公司針對業(yè)界存在的數(shù)百個代工廠和上千種MEMS工藝的問題，提供的SEMulator3-D工具方便工藝工程師之間的交流。SEMulator 3-D工具的三維可視性有助于良率分析以及進行優(yōu)化。用戶可以觀察到復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和電氣/機械連接，觀看動態(tài)或交互式橫截面，測量距離，控制橫截面的層屬性，導(dǎo)入內(nèi)部使用的各種CAD格式，操縱三維圖像并且保存屏幕畫面。SEMulator 3-D工具的輸入是GDSII版圖文檔和工藝庫描述。此外，還支持UNV、DXF、Ansys或TCAD等數(shù)據(jù)格式。據(jù)Coventor公司透露，SEMulator 3-D運行在Windows平臺上，未來將支持Linux，起價約為25,000美元。

Tanner EDA公司已在其L-Edit微機電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)計工具中增加設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)功能，針對IC設(shè)計工程師需要能同時處理MEMS和模擬、數(shù)字部分設(shè)計的難題，L-Edit MEMS設(shè)計工具能夠提供一種立即驗證功能。據(jù)稱L-Edit MEMS設(shè)計工具起價為1,1995美元。

除了工具方面的支持之外，Coventor公司和劍橋大學(xué)的研究人員指出[4]，為了實現(xiàn)低成本和高效率地制造MEMS器件，設(shè)計和工藝工程師團隊需要采用自頂向下的設(shè)計方法，以設(shè)計參變量可重用的MEMS元器件，設(shè)計過程中包含的工藝特征和材料特性必須經(jīng)過質(zhì)量認證和可重用設(shè)計，這樣才能提高設(shè)計效率并最大限度地提供一次流片成功的概率，從而減少開發(fā)成本并縮短設(shè)計周期。據(jù)稱，其可制造性(DFM)方法已經(jīng)被用于兩種MEMS制造工藝(金屬-氮化物表面和SOI顯微機械加工)。

結(jié)語

據(jù)市場預(yù)測，MEMS市場從2005年到2010年五年內(nèi)將會增長50%左右，預(yù)計全球MEMS產(chǎn)品市場到2010年前將達到100億美元，因此是世界上半導(dǎo)體行業(yè)增長最快的市場之一。

隨著可制造性技術(shù)的成熟，在具有微控制器(MCU)的控制集成電路中嵌入MEMS振蕩器或時鐘參考源，取代傳統(tǒng)的MCU所需要的外圍石英晶體振蕩器和電容，并集成MEMS傳感器及相關(guān)模擬電路，以構(gòu)成智能化的、具備MEMS傳感功能的混合信號專用IC，有希望成為IC設(shè)計行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一，其潛在應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，值得業(yè)界關(guān)注。

參考文獻：

1. Has the time come for MEMS oscillators
2. CMOS MEMS Integration—The Springboard for MEMS Proliferation
3. A 16-Bit Mixed-Signal Microsystem with Integrated CMOS-MEMS Clock Reference
4. Designing Manufacturable MEMS in CMOS Compatible- Methodology and Case Studies
5. MEMS振蕩器供應(yīng)商網(wǎng)站：www.sitime.com www.discera.com