Si50x CMEMS振蕩器架構

簡介

CMEMS 技術是由領先的時序解決方案供應商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（微機電系統(tǒng)）的縮寫。CMEMS技術提供了許多超越傳統(tǒng)振蕩器制造方法的好處，包括可擴展性、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、目前的混合振蕩器架構和Si501/2/3/4（Si50x）CMEMS振蕩器架構。其它相關的主題白皮書，可瀏覽網站：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由石英晶體和基于石英的振蕩器占據了幾十年，幾乎所有類型的電子設備都依賴一小片由機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)已經達到了新的成熟水平，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，各組成部件的產出都有可能受到影響。當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行產量評估和性能測試。圖2展示了極其復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系統(tǒng)特定頻率的獨特晶體形狀和切片。

圖2.晶體振蕩器生產步驟

2004年，Silicon Labs公司推出了石英振蕩器（XO）系列產品，這些XO利用創(chuàng)新和專利的混合信號專業(yè)技術，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。通過使用批量生產的單一晶體頻率，它也消除了供應鏈風險。基于DSPLL的XO已經被廣泛用于電子行業(yè)，并且成為Silicon Labs公司的主營業(yè)務。

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進步。CMEMS采用微機械半導體諧振器取代XO中的晶體諧振元件。CMEMS是一種經過驗證的技術，它能夠把高性能MEMS直接構建在標準的具有先進工藝節(jié)點的CMOS晶圓（180nm）上。結合Silicon Labs混合信號的專業(yè)知識，CMEMS技術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的晶體振蕩器一樣穩(wěn)定。

Si50x CMEMS振蕩器系列產品是首款采用CMEMS技術的產品。它針對關注功耗和尺寸的大批量、低成本應用而優(yōu)化，例如在工業(yè)、嵌入式和消費類電子市場。更多即將到來的CMEMS產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振蕩器已經進入基于石英晶體的頻率控制市場。類似于石英振蕩器設計，這些MEMS振蕩器采用雙組件“混合”架構，包括兩種物理差異明顯的組件：諧振器和放大器，還有相關電路。圖3顯示了MEMS振蕩器和XO —— 這種混合架構的兩個示例。

圖3. 雙組件振蕩器架構對比

這些結構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結構是在專業(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，包括磨蝕化學品和極端高溫。然而，不像晶體，這些代工廠的規(guī)模經濟效應才剛剛開始，這可能導致對供應持續(xù)性的擔憂。

不同于標準的XO，基于MEMS的器件使用基板裸片內的溫度補償去抵消全溫度范圍內諧振器的頻率偏移，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溫度傳感器和相關補償電路之間產生了一個重要的熱遲延。當CMOS老化后，溫度傳感器測量上的錯誤以及它的熱遲延能夠導致較大的頻率補償誤差，并最終反映到頻率輸出。CMEMS技術采用它的集成化設計和諧振器材料構成和分布克服了這個弱點，這將在后面的文中進行討論。

另一個可以改善混合MEMS+IC架構的地方就是復雜的封裝，如圖3所示，以及提升它在加工復雜度、成本、CMOS設計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、故障點和復雜度?；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p組件架構和封裝的復雜性帶來成本、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。它以標準的鈍化和平整后的CMOS為開始（如圖4（a）所示），多晶鍺硅（Poly-SiGe）和純鍺（Ge）的表面是采用微機械化的，以便在CMOS電路和互連結構上創(chuàng)建完整的MEMS設備（如圖4（b）所示）。Silicon Labs專利的CMEMS工藝技術能夠使用這些材料創(chuàng)建微機械結構，而不會破壞底層的CMOS IC。

圖4. 頂層CMEMS工藝概述

MEMS結構在創(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)，能夠在生產線上進行工藝探測和質量監(jiān)控。CMEMS方法的獨特之處是為基于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，再用標準模塑復合物封裝，塑料封裝可來自不同的頂級供應商（如圖4（d）所示）。同樣，這是CMEMS的一個重要優(yōu)點，因為與混合架構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振蕩器架構概述

Silicon Labs基于CMEMS的振蕩器架構與目前為止使用的混合架構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振蕩器系列產品重用了許多Silicon Labs基于晶體振蕩器系列產品中所采用的DSPLL技術，但是它進行了重新設計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品服務于通信和網絡市場。

Si50x諧振器結構是帶有二氧化硅（SiO2）狹縫的正方形金屬板，如圖6所示。在專利的CMEMS諧振器架構中有幾個關鍵的創(chuàng)新，它包括拓撲結構、錨放置點、跳躍結構和材料布局。金屬板被設計用于避免對寄生模式敏感，它是通過調整材料變動和分布、形狀、結構尺寸的影響而實現(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