石英和可編程全硅MEMS振蕩器大比拼（一）

　　時(shí)鐘組件可分為無(wú)源晶振、有源晶振和多輸出時(shí)鐘發(fā)生器三大類產(chǎn)品。在過(guò)去60年中，石英作為時(shí)鐘市場(chǎng)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(chǎng)的壟斷，因此性價(jià)比無(wú)法進(jìn)一步提升。為了滿足電子市場(chǎng)對(duì)元器件提出的更小、更可靠、更靈活的需求，時(shí)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(wèn)題。

　　石英和全硅MEMS時(shí)鐘振蕩器簡(jiǎn)介

　　傳統(tǒng)的石英振蕩器是由壓電石英加上簡(jiǎn)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(gòu)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?dú)?，用金屬封裝進(jìn)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(gè)人工密集型的半自動(dòng)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(zhǎng)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(wú)法為滿足不同應(yīng)用而進(jìn)行實(shí)時(shí)配置;

　　3. 壓電石英對(duì)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(diǎn)需靠生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理來(lái)解決，缺乏質(zhì)量和長(zhǎng)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(diǎn)，因此在時(shí)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(gè)全硅MEMS諧振器和一個(gè)可編程Analog CMOS驅(qū)動(dòng)芯片堆棧，并以標(biāo)準(zhǔn)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(jì)結(jié)構(gòu)上，都更符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，也是對(duì)傳統(tǒng)石英產(chǎn)品的升級(jí)換代。

　　* 高性能模擬溫補(bǔ)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(wèn)題;

　　* 可編程的平臺(tái)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)生產(chǎn)的IC結(jié)構(gòu)在質(zhì)量和可靠性方面有無(wú)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(shì)

　　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(shí)考慮的主要參數(shù)之一。因?yàn)槊恳粋€(gè)設(shè)計(jì)，都需要保證系統(tǒng)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)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(diǎn)，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(gè)工業(yè)級(jí)(-40?C-85?C)石英振蕩器要達(dá)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(shí)鐘其設(shè)計(jì)余量較不充分，由此也增加了整體系統(tǒng)在工業(yè)級(jí)全溫產(chǎn)生不穩(wěn)定運(yùn)行的可能性。

　　圖2同時(shí)也顯示了各種色彩的平衡線，代表了110個(gè)SiTime全硅MEMS振蕩器在-40?C-85?C范圍內(nèi)的實(shí)際總頻差。與石英振蕩器相比，這些工業(yè)級(jí)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(jì)余量。

　　正由于全硅MEMS振蕩器利用溫度補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，從振蕩器設(shè)計(jì)上解決了石英溫飄的煩惱，因此電子工程師在選料時(shí)有了更大的余地。他們可以選擇50PPM的 MEMS振蕩器來(lái)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?，他們可采用25PPM的MEMS振蕩器來(lái)提升系統(tǒng)總體穩(wěn)定性。