Si50x CMEMS振蕩器架構(gòu)

簡介

CMEMS 技術(shù)是由領(lǐng)先的時序解決方案供應(yīng)商Silicon Labs開發(fā)的一種創(chuàng)新的CMOS+MEMS制造工藝。CMEMS是CMOS首字母和MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的縮寫。CMEMS技術(shù)提供了許多超越傳統(tǒng)振蕩器制造方法的好處，包括可擴(kuò)展性、客戶可編程性、0天樣品生成以及長期的可靠性和性能。本白皮書將主要介紹CMEMS工藝技術(shù)、目前的混合振蕩器架構(gòu)和Si501/2/3/4（Si50x）CMEMS振蕩器架構(gòu)。其它相關(guān)的主題白皮書，可瀏覽網(wǎng)站：www.silabs.com/cmems。

晶體振蕩器簡介

每年30億美元的頻率控制市場已經(jīng)由石英晶體和基于石英的振蕩器占據(jù)了幾十年，幾乎所有類型的電子設(shè)備都依賴一小片由機(jī)器加工的石英巖的發(fā)揮作用去生成至少一種可能的操作頻率。圖1顯示了傳統(tǒng)的基于石英的振蕩器及其組成。

圖1. 晶體振蕩器組成

在過去的幾十年里，石英制造業(yè)已經(jīng)達(dá)到了新的成熟水平，它能夠提供更小、更薄和更高頻率的解決方案。雖然這些制造進(jìn)步是重要且顯而易見的，但是就所需的工藝步驟來說，整個過程沒有發(fā)生太大變化。

制造工藝從一片空白的石英開始，它被切割、研磨、拋光、電鍍，然后進(jìn)一步處理以獲得其所需的輸出頻率。在這一系列初始的大致步驟之后，工藝流程不斷改進(jìn)石英晶體以滿足所需的規(guī)格。在每一個步驟中，各組成部件的產(chǎn)出都有可能受到影響。當(dāng)石英晶體與硅放大器一起被密封在陶瓷封裝時，整個系統(tǒng)直到最終封裝完成后才能進(jìn)行產(chǎn)量評估和性能測試。圖2展示了極其復(fù)雜的石英晶體制造工藝的頂層流程概況，它支持即使沒有上千種也有上百種針對目標(biāo)系統(tǒng)特定頻率的獨(dú)特晶體形狀和切片。

圖2.晶體振蕩器生產(chǎn)步驟

2004年，Silicon Labs公司推出了石英振蕩器（XO）系列產(chǎn)品，這些XO利用創(chuàng)新和專利的混合信號專業(yè)技術(shù)，從單一基于晶體的參考頻率中生成任意的頻率輸出。這種革命性的技術(shù)稱為DSPLL?，可獲得與最高性能晶體振蕩器類似的性能，但它不需要不同頻率所需的特定晶體，因此最小化了大部分晶體制造工藝流程，包括特定的切片和電鍍。這種方法把從接收訂單到交付樣片所需的時間從幾周縮短到兩周內(nèi)。通過使用批量生產(chǎn)的單一晶體頻率，它也消除了供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)?；贒SPLL的XO已經(jīng)被廣泛用于電子行業(yè)，并且成為Silicon Labs公司的主營業(yè)務(wù)。

隨著CMEMS的出現(xiàn)，Silicon Labs又一次為頻率控制市場帶來重要的技術(shù)進(jìn)步。CMEMS采用微機(jī)械半導(dǎo)體諧振器取代XO中的晶體諧振元件。CMEMS是一種經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，它能夠把高性能MEMS直接構(gòu)建在標(biāo)準(zhǔn)的具有先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的CMOS晶圓（180nm）上。結(jié)合Silicon Labs混合信號的專業(yè)知識，CMEMS技術(shù)可以采用單一參考頻率生成幾乎所有頻率輸出，并且輸出頻率與大批量生產(chǎn)的晶體振蕩器一樣穩(wěn)定。

Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品是首款采用CMEMS技術(shù)的產(chǎn)品。它針對關(guān)注功耗和尺寸的大批量、低成本應(yīng)用而優(yōu)化，例如在工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)類電子市場。更多即將到來的CMEMS產(chǎn)品也將支持其它有特殊需求的高性能市場，例如超低功耗和多同步頻率。

頻率控制中的MEMS和CMEMS

在過去的十年中，MEMS振蕩器已經(jīng)進(jìn)入基于石英晶體的頻率控制市場。類似于石英振蕩器設(shè)計(jì)，這些MEMS振蕩器采用雙組件“混合”架構(gòu)，包括兩種物理差異明顯的組件：諧振器和放大器，還有相關(guān)電路。圖3顯示了MEMS振蕩器和XO —— 這種混合架構(gòu)的兩個示例。

圖3. 雙組件振蕩器架構(gòu)對比

這些結(jié)構(gòu)之間的相似性是顯而易見的：每一個都有兩個組件，一個是振蕩器裸片（Die），一個是諧振器。另一個不太明顯的相似性是：和晶體一樣，混合振蕩器中的MEMS結(jié)構(gòu)是在專業(yè)化的高端晶圓廠中加工制造而成。這些工廠聚焦于特殊的材料和工藝制造，包括磨蝕化學(xué)品和極端高溫。然而，不像晶體，這些代工廠的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)才剛剛開始，這可能導(dǎo)致對供應(yīng)持續(xù)性的擔(dān)憂。

不同于標(biāo)準(zhǔn)的XO，基于MEMS的器件使用基板裸片內(nèi)的溫度補(bǔ)償去抵消全溫度范圍內(nèi)諧振器的頻率偏移，也稱為它的溫度系數(shù)。使用兩個分離的組件在諧振器和基板CMOS IC中的CMOS溫度傳感器和相關(guān)補(bǔ)償電路之間產(chǎn)生了一個重要的熱遲延。當(dāng)CMOS老化后，溫度傳感器測量上的錯誤以及它的熱遲延能夠?qū)е螺^大的頻率補(bǔ)償誤差，并最終反映到頻率輸出。CMEMS技術(shù)采用它的集成化設(shè)計(jì)和諧振器材料構(gòu)成和分布克服了這個弱點(diǎn)，這將在后面的文中進(jìn)行討論。

另一個可以改善混合MEMS+IC架構(gòu)的地方就是復(fù)雜的封裝，如圖3所示，以及提升它在加工復(fù)雜度、成本、CMOS設(shè)計(jì)和總體性能上的性能。首先最為明顯的是封裝和成本差異，晶體振蕩器和其它MEMS解決方案需要使用環(huán)氧樹脂和/或封裝接合線以物理方式把諧振器連接到放大器。例如，在圖3中，MEMS需要六條封裝接合線連接諧振器到它的基板。這種方法增加了成本、故障點(diǎn)和復(fù)雜度?；旌螹EMS成本也受到諧振器和CMOS基板晶圓代工廠的影響，它們每一家都有自己的利潤需求和晶圓工藝步驟?？傊?，雙組件架構(gòu)和封裝的復(fù)雜性帶來成本、可靠性、供給和加工上的挑戰(zhàn)。

CMEMS工藝概述

CMEMS晶圓級的工藝流程頂層視圖如圖4所示。它以標(biāo)準(zhǔn)的鈍化和平整后的CMOS為開始（如圖4（a）所示），多晶鍺硅（Poly-SiGe）和純鍺（Ge）的表面是采用微機(jī)械化的，以便在CMOS電路和互連結(jié)構(gòu)上創(chuàng)建完整的MEMS設(shè)備（如圖4（b）所示）。Silicon Labs專利的CMEMS工藝技術(shù)能夠使用這些材料創(chuàng)建微機(jī)械結(jié)構(gòu)，而不會破壞底層的CMOS IC。

圖4. 頂層CMEMS工藝概述

MEMS結(jié)構(gòu)在創(chuàng)建完整振蕩器系統(tǒng)的CMOS晶圓上完成生長后，CMEMS振蕩器就可以在真空中使用易熔的晶圓級綁定進(jìn)行封裝（如圖4（c）所示）。這種方法為諧振器創(chuàng)建了一個超潔凈和高質(zhì)量的氣密性真空環(huán)境。那時在晶圓上就包含了完整的可工作的振蕩器系統(tǒng)，能夠在生產(chǎn)線上進(jìn)行工藝探測和質(zhì)量監(jiān)控。CMEMS方法的獨(dú)特之處是為基于MEMS的振蕩器在大規(guī)模測試、成本和工藝改善上邁出了重要的一大步。

晶圓探測之后，裸片可以被分割，再用標(biāo)準(zhǔn)模塑復(fù)合物封裝，塑料封裝可來自不同的頂級供應(yīng)商（如圖4（d）所示）。同樣，這是CMEMS的一個重要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榕c混合架構(gòu)所需的多芯片模組或密封陶瓷封裝相比，這種封裝工藝更簡單、更可靠和具有成本效益。

Si50x CMEMS振蕩器架構(gòu)概述

Silicon Labs基于CMEMS的振蕩器架構(gòu)與目前為止使用的混合架構(gòu)相比提供了更簡潔的方法。CMEMS 裸片如圖5所示。

圖5. 不帶晶圓蓋（左）和帶晶圓蓋（右）的CMEMS器件

Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品重用了許多Silicon Labs基于晶體振蕩器系列產(chǎn)品中所采用的DSPLL技術(shù)，但是它進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)以便減少功耗和降低成本。它特別適用于大批量工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)類市場的需求，而同時現(xiàn)有的Silicon Labs基于晶體振蕩器系列產(chǎn)品服務(wù)于通信和網(wǎng)絡(luò)市場。

Si50x諧振器結(jié)構(gòu)是帶有二氧化硅（SiO2）狹縫的正方形金屬板，如圖6所示。在專利的CMEMS諧振器架構(gòu)中有幾個關(guān)鍵的創(chuàng)新，它包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錨放置點(diǎn)、跳躍結(jié)構(gòu)和材料布局。金屬板被設(shè)計(jì)用于避免對寄生模式敏感，它是通過調(diào)整材料變動和分布、形狀、結(jié)構(gòu)尺寸的影響而實(shí)現(xiàn)的。

圖6. Si50x CMEMS諧振器影像

諧振器的SiO2狹縫是材料組成和MEMS架