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全矽晶MEMS振盪器克服傳統石英元件限制

上網時間: 2010年10月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:全矽晶  MEMS振盪器  石英 

如果說很多人把MCU或SoC主晶片比喻為現代電子系統的大腦,那麼時脈元件當之無愧是其心臟。無論是電子工程師還是零組件採購者,在選擇時脈元件時都會經過全面嚴謹的評估。因為一顆健康、穩定、持久的‘心臟’,將直接影響到電子系統的功能和可靠性。

時脈元件可分為被動晶體振盪器、主動晶體振盪器和多輸出時脈產生器三大類產品。在過去60年中,石英作為時脈市場的主流技術,一直占據主導地位。但由於受到傳統製造製程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零組件提出的更小、更可靠、更靈活的需求,時脈元件必須走上全面矽晶化的道路。本文將介紹全矽晶MEMS振盪器和傳統石英的區別,以及全矽晶IC技術可解決的問題。

石英和全矽晶MEMS時脈振盪器

傳統的石英振盪器是由壓電石英加上簡單的起振晶片和金屬封裝組成的,其生產製程包括:石英切割鍍銀、購買基座、起振晶片,以及將石英及晶片以特殊黏膠結合後置於基座上,然後充填氮氣,用金屬封裝進行密封。而不同頻率、不同工作電壓振盪器的產生,則是由石英的不同形狀、鍍銀厚度及所搭配的起振晶片所決定。所以,從生產製程角度來看,石英產業是一個勞力密集型的半自動化傳統產業,其產品也受到傳統原材料和製程的限制:

1. 複雜的生產程序導致供貨期的延長,以及缺貨應急困難的現象;

2. 不同振盪器規格需要不同原料與不同製程,因而使成品缺乏靈活性,無法為滿足不同應用而進行即時配置;

3. 壓電石英對溫度敏感度高的特性,造成石英振盪器的溫度漂移(頻率隨溫度而顯著變化的現象)的困擾;

4. 石英易碎、怕摔與老化的弱點必須由生產製程與品質管理來解決,缺乏品質和長期可靠的一致性。

電子系統廠商為求從根本上解決石英的內在弱點,因而在時脈元件的選料上開始轉向全矽晶MEMS振盪器。與傳統石英振盪器截然不同,MEMS振盪器採用了全矽晶的產品結構,有一個全矽晶MEMS諧振器和一個可程式類比CMOS驅動晶片堆疊,並以標準QFN IC封裝方式完成。


圖1為SITIME MEMS振盪器透視圖。

與傳統石英相較,全矽晶MEMS振盪器不管從生產製程還是元件設計結構上,都更符合現代電子產品的標準,也可針對傳統石英產品升級換代。

* 高性能模擬溫補技術使全矽晶MEMS振盪器具有優秀異的全溫頻率穩定性,徹底解除溫漂問題;

* 可程式平台為系統設計和縮短新產品開發週期提供必要的靈活性;

* 完善的半導體生產鏈可讓全矽晶MEMS供貨期全面縮短,並提升需求應急的能力;

* 全自動生產的IC結構在品質和可靠性方面有無可置疑的一致性。

全矽晶MEMS振盪器的全溫性能優勢

頻率穩定性,特別是在不同溫度下的穩定性,是電子工程師在選擇振盪器時考慮的主要參數之一。因為每一項設計都必須確保系統在整個工作溫度範圍內正常運作。而溫度漂移則是傳統石英產品的弱點,難以單純從製造上克服。圖2是石英和全矽晶MEMS振盪器在頻率穩定性方面的比較。


圖2的深黑色曲線顯示出一個工業級(-40℃∼85℃)石英振盪器要達到全溫頻率穩定性25PPM在技術上的難度。從圖中可看到,在高低溫的情況下,石英作為參考時脈的設計餘量較不充分,由此也增加了整體系統在工業級全溫產生不穩定執行的可能性。

圖2同時也顯示了各種色彩的平衡線,代表了110個SiTime全矽晶MEMS振盪器在-40℃∼85℃範圍內的實際總頻差。與石英振盪器相較,這些工業級MEMS振盪器頻率穩定性不但可保持在15PPM以下,其曲線更具有線性特徵,可為系統提供更大的設計餘量。


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