從嵌入CMOS MEMS振蕩器展望IC設計的潛在變革

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

關鍵詞： MEMS，振蕩器，CMOS MEMS，IC設計，EDA

MEMS技術將會給幾乎所有種類的電子產品帶來一場革命，特別是隨著CMOS MEMS振蕩器大規(guī)模制造技術的成熟，消費電子產品制造商、硬盤制造商以及其它產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、縮短設計時間、提高結構的穩(wěn)固性及降低能耗等等。

據Sitime公司提供的數(shù)據，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90億顆石英晶體振蕩器，應用涉及汽車、電視、攝像機、個人電腦、便攜式設備等等幾乎一切電子設備，如圖1所示為電子設備中所需振蕩器的數(shù)量。因此，CMOS MEMS諧振器的推廣應用具有真正意義上的顛覆性。本文概要介紹CMOS MEMS諧振器主流技術及行業(yè)動態(tài)、在IC中嵌入CMOS MEMS振蕩器的設計流程以及相關支持工具的發(fā)展趨勢。

圖1  電子設備中所需振蕩器的數(shù)量
來源：Sitime公司

CMOS MEMS振蕩器技術：兩大領先公司對決

MEMS振蕩器是未來頻率控制市場上一個非常重要的產品領域。CMOS MEMS諧振器技術領域里的全球領導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半導體合作、Discera公司與Vectron International公司合作為電子產品制造商生產MEMS振蕩器。它們代表的主流CMOS MEMS振蕩器技術分別是：

SiTime的MEMS First和EpiSeal CMOS技術

MEMS First制造工藝技術是在8英寸的SOI(硅絕緣層)晶圓上，以深度離子蝕刻技術，產生出極細小且堅硬的機械結構，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，而在與晶圓表面水平的方向產生振動。然后，利用EpiSeal CMOS技術，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)境內工作，確保振蕩的可靠度與準確度。

據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。

Discera公司的PureSilicon諧振器技術

它是一項擁有專利的基礎性技術，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公司的封裝技術容許利用工業(yè)標準的、低成本塑模封裝技術來提供最小的振蕩器器件。

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

從2006年8月開始，Discera公司旋風般地分別與亞太地區(qū)的一流分銷商世健科技有限公司、韓國領先的半導體和IT方案提供商MJL Technology有限公司、歐洲的高科技半導體及系統(tǒng)產品供應商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公司宣布結成合作伙伴關系，分銷Discera公司基于CMOS MEMS振蕩器的定時產品。

Discera公司表示，加入其業(yè)務合作伙伴(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和產品，包括Discera獨特的、經過驗證的基于CMOS工藝的MEMS振蕩器技術。通過這種合作伙伴關系，合作雙方可以利用Discera的設計規(guī)則共同開發(fā)具有高集成度的產品，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。競爭涉及設計、制造、分銷等整個產業(yè)鏈，國際頂級制造商的商業(yè)模式創(chuàng)新尤其值得關注。

嵌入MEMS振蕩器模塊：混合信號設計流程是關鍵

據市場研究機構WTC預測，從2007年起第一代MEMS振蕩器開始大規(guī)模商用，其典型的技術指標是：溫度穩(wěn)定性20到100ppm，-40℃ 到85℃；典型的應用為數(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振蕩器技術發(fā)展的路線圖。

圖2  MEMS振蕩器技術發(fā)展的路線圖

對于即將來臨的MEMS應用大潮，中國設計工程師除了采用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)設計的升級呢？可能是目前值得探討并關注的重要課題。

對此，美國密歇根州大學的研究人員認為，集成CMOS MEMS振蕩器涉及模擬、數(shù)字以及微機電系統(tǒng)三大領域，目前，業(yè)界尚沒有滿足所有設計要求的單一設計框架和工具。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時鐘參考源的設計流程。它采用的是自頂向下的設計方法，模擬、數(shù)字、MEMS三個部分采取并行設計的流程，設計出來的16位混合信號微系統(tǒng)已經在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設計流程

另一方面，據來自芯片代工廠TSMC的消息， TSMC承諾于2006年提供基于CMOS工藝的MEMS工藝模塊；而意法半導體已經投資大約4000萬美元改建最先進的MEMS生產線。因此，從密歇根州大學的設計案例以及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設計行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。

應對可制造性挑戰(zhàn)：先進EDA工具的發(fā)展機會

從MEMS器件設計工具領域來看，Coventor公司和Tanner EDA公司是業(yè)界的領先公司，目前相關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。用戶可以觀察到復雜的數(shù)據結構和電氣/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，導入內部使用的各種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)據格式。據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)設計工具中增加設計規(guī)則檢查(DRC)功能，針對IC設計工程師需要能同時處理MEMS和模擬、數(shù)字部分設計的難題，L-Edit MEMS設計工具能夠提供一種立即驗證功能。據稱L-Edit MEMS設計工具起價為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，設計和工藝工程師團隊需要采用自頂向下的設計方法，以設計參變量可重用的MEMS元器件，設計過程中包含的工藝特征和材料特性必須經過質量認證和可重用設計，這樣才能提高設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)成本并縮短設計周期。據稱，其可制造性(DFM)方法已經被用于兩種MEMS制造工藝(金屬-氮化物表面和SOI顯微機械加工)。

結語

據市場預測，MEMS市場從2005年到2010年五年內將會增長50%左右，預計全球MEMS產品市場到2010年前將達到100億美元，因此是世界上半導體行業(yè)增長最快的市場之一。

隨著可制造性技術的成熟，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傳感器及相關模擬電路，以構成智能化的、具備MEMS傳感功能的混合信號專用IC，有希望成為IC設計行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一，其潛在應用領域廣闊，值得業(yè)界關注。

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振蕩器供應商網站：www.sitime.com www.discera.com