全硅MEMS振荡器和传统石英的区别

如果说很多人把MCU或SoC主芯片比喻为现代电子系统的大脑，那么时钟组件当之无愧是其心脏。无论是电子工程师还是元器件采购者，在选择时钟组件时都会经过全面严谨的评估。因为一颗健康、稳定、持久的“心脏”，将直接影响到电子系统的功能和可靠性。

　　时钟组件可分为无源晶振、有源晶振和多输出时钟发生器三大类产品。在过去60年中，石英作为时钟市场的主流技术，一直占据着霸主地位。但由于其受到传统制造工艺的限制以及下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断，因此性价比无法进一步提升。为了满足电子市场对元器件提出的更小、更可靠、更灵活的需求，时钟组件必须走上全面硅化的道路。这篇文章将主要介绍全硅MEMS振荡器和传统石英的区别，以及全硅IC技术所解决的问题。

　　石英和全硅MEMS时钟振荡器简介

　　传统的石英振荡器是由压电石英加上简单的起振芯片和金属封装组成的，其生产工艺包括：石英切割镀银、购买基座、起振芯片，以及将石英及芯片以特殊黏胶结合后至于基座上，然后充填氮气，用金属封装进行密封。而不同频率、不同工作电压振荡器的产生，则是由石英的不同形状、镀银厚度及所佩的起振芯片所决定。所以，从生产工艺角度，石英产业是一个人工密集型的半自动化传统产业，其产品也受到传统原材料和工艺的限制：

　　1. 复杂的生产程序导致供货期的拖长及缺货应急困难的现象;

　　2. 不同振荡器规格需不同原料不同工艺，从而使成品缺乏灵活性，无法为满足不同应用而进行实时配置;

　　3. 压电石英对温度敏感度高的特性，造成石英振荡器的温飘烦恼;

　　4. 石英易碎怕摔老化的弱点需靠生产工艺和质量管理来解决，缺乏质量和长期可靠性的一致性。

　　电子系统厂商为求从根本上解决石英的内在弱点，因此在时钟组件的选料上开始转向全硅MEMS振荡器。与传统石英振荡器截然不同，MEMS振荡器采用了全硅的产品结构，有一个全硅MEMS谐振器和一个可编程Analog CMOS驱动芯片堆栈，并以标准QFN IC封装方式完成。图1为SITIME MEMS振荡器透视图。

　　

　　图1 全硅MEMS振荡器展示图

　　与传统石英相比，全硅MEMS振荡器不管从生产工艺还是组件设计结构上，都更符合现代电子产品的标准，也是对传统石英产品的升级换代。

　　* 高性能模拟温补技术使全硅MEMS振荡器具有优秀的全温频率稳定性，彻底解除温飘问题;

　　* 可编程的平台为系统设计和缩短新产品开发周期提供必要的灵活性;

　　* 完善的半导体生产链可让全硅MEMS供货期全面缩短，并提升需求应急的能力;

　　* 全自动生产的IC结构在质量和可靠性方面有无可置疑的优良的一致性。

　　全硅MEMS振荡器的全温性能优势

　　频率稳定性，特别是在不同温度下的稳定性，是电子工程师在选择振荡器时考虑的主要参数之一。因为每一个设计，都需要保证系统在整个工作温度范围内正常运作。而温飘(频率随温度而显著变化的现象)则是传统石英产品的弱点，难以单纯从制造上克服。图2是石英和全硅MEMS振荡器在频率稳定性方面的比较。

　　

　　图2 全硅MEMS振荡器25PPM频率稳定性超越石英

　　图2的深黑色曲线显示出一个工业级(-40?C-85?C)石英振荡器要达到全温频率稳定性25PPM在技术上的难度。从图中可看到，在高低温的情况下，石英作为参考时钟其设计余量较不充分，由此也增加了整体系统在工业级全温产生不稳定运行的可能性。

　　图2同时也显示了各种色彩的平衡线，代表了110个SiTime全硅MEMS振荡器在-40?C-85?C范围内的实际总频差。与石英振荡器相比，这些工业级MEMS振荡器频率稳定性不但可保持在15PPM以下，其曲线更具有线性特征，为系统提供更大的设计余量。

　　正由于全硅MEMS振荡器利用温度补偿的技术，从振荡器设计上解决了石英温飘的烦恼，因此电子工程师在选料时有了更大的余地。他们可以选择50PPM的MEMS振荡器来替代很多25PPM的石英，既可满足系统所需规格，又可降低成本。或者，他们可采用25PPM的MEMS振荡器来提升系统总体稳定性。

　　全硅MEMS振荡器的可编程规格组合

　　传统石英振荡器的主要规格参数如输出频率、频率稳定性是由石英切割的形状、厚度及在加工过程中镀银老化等步骤来实现的。这也决定了石英一个频率、一个工作电压、一个频率稳定性对应一个料号的固定频率的商业模式。

　　从图3也可看到，从技术角度，高频率的石英振荡器一般无法支持1.8V的工作电压，或25PPM的频率稳定性，因为压电石英的基本波振荡是限制在60MHz以下。60MHz以上的频率则需利用3次，5次或7次倍频，再加上过滤电路来实现，造成有限的规格选择和居高不下的成本.

　　

　　图3 传统石英一般只支持常用固定品率和规格

　　因此，石英的传统模式虽有简单明了的优点，但却缺乏了现代电子厂商在产品开发、供货周期和备货成本管理上所需要的灵活性。

　　与石英相比，全硅MEMS振荡器是由MEMS谐振器和高性能模拟CMOS芯片组成的一个可编程的时钟平台，其主要规格参数都在设计时整合进了CMOS，利用内嵌的NVM(非易失性存储器)来实现振荡器参数即MEMS振荡器的实时配置。

　　

　　图4 全硅ME振荡器平台提供不同频率，电压和PPM的组合

　　图4展示了SiTime 的SiT9102差分振荡器的灵活性，同一个基本料号可通过编程来实现不同参数规格组合。

　　除图中所示，SiT9102还可通过编程方式达到民用级(0?C-70?C)、超民用级(-20?C-70?C)或工业级(-40?C-85?C)等不同工作温度，以及一般高频振荡器无法支持的10PPM频率稳定性。

　　SiT9102高度的灵活性，使电子工程学在系统设计中不但无需再为振荡器规格不全而束缚，更可同过尝试不同规格，实现最佳组合，来提高系统整体性能和稳定性。

　　全硅MEMS振荡器按需供货，降低断货风险，压缩备货成本

　　即时生产(Just-in-time-manufacturign)在电子业的普及也为系统厂商采购人员在供货链管理带来了巨大的压力。系统厂商永远希望或要求下游供应商长期保证足够纯货，以备急用。而下游供应商应利润压力，却会尽量减低库存，而这个压力，引复杂的生产工艺和垄断的原材料供货链，在石英产业特为显着。

　　如图(5)显示，石英生产流程包括切割，渡银，封装，测试，老化等几十半自动步骤，一般需8-16周的生产周期。加上石英振荡器所需的基座和起振IC全部控制在二到三家日系供应商，决定了石英在无备货下至少8-16周供货期，且无应急供货的能力。

　　对于石英厂商备货更是艰巨的任务，因为石英一个频率，一个料号的特性，使得石英厂商只能备常用料。一般来说，只有5%左右的常用料会在石英销售渠道中有长期备料。而对于系统厂商来说，因不同料号需求增减难测，经常出现急用料长期缺货，却又有大批不需要的死货，无形中增加成本，并影响公司销售。

　　于石英相比，全硅MEMS振荡器，基于其可编程平台，以按需供货(Deliver-on-demand)的模式从根本上解决石英产业供货上的低效能。

　　MEMS振荡器厂商一般以”die bank”的方式预先积累MEMS和CMOS空白芯片的半成品。再通过用半成品标准芯片塑料封装，测试，编程和卷带包装出货，无论任何频率，任何工作电压，任何精度，任何封装的组合，整个MEMS振荡器供货期从收到客户订单到压缩到2-4周，

　　全硅MEMS这种按需供货(Deliver-on-demand)的模式不仅仅缩短比石英小了四倍的供货期。 重要得是MEMS振荡器以空白芯片模式备货，可实时调整产品组合，满足客户无时无刻变化的需求，保证系统厂商生产物料供应无短缺风险。

　　这种供货上的灵活性不但简化了系统厂商供应链的管理，也无形中减小了对备货资金的要求，为系统厂商减低总成本，提高利润做出贡献。

　　

　　图5 复杂的石英工艺

　　

　　图6 半导体高效能的生产供货模式

　　全硅MEMS振荡器的质量、可靠性和耐用性

　　石英振荡器是一个石英晶体为主的机械振动结构，易碎，而且对外界环境敏感。很多因素会直接影响到石英的质量和可靠性。

　　原因之一在于，石英面临一个被称作“活性下降(Activity Dip)”的问题，可能直接造成振荡器停振或输出频率偏差的现象。

　　

　　图7 Activity Dip 造成于温度有关的振荡器失效

　　图7为石英晶体具有的不同共振波模(resonant modes)，其中某些共振波模会因外界温度变化而移动，但晶体主要共振波模又称基本共振波模(main or fundamental mode)，靠设计及制造工艺来保持其不受温度影响。但作为振荡器成品，一旦受温度影响的共振波模与基本共振波模重叠，就会引起严重频率偏差，甚至完全停振。Activity Dip现象很难靠测试来筛选，这也是石英在可靠性和一致性方面比全硅MEMS产品较差的因素之一。

　　除Activity Dip外，晶体要保持良好的频率稳定性与石英封装时用氮气密封质量好坏有直接关系。石英振荡器在运输、SMD上线，或系统正常运作过程中受震动或老化影响，一旦漏气，就会造成停振，导致整个系统失效。 所以石英漏气是石英振荡器最常见的质量问题之一。

　　相比之下，全硅MEMS振荡器利用半导体标准制程和封装，以IC的方式产生输出信号。产品本身无需密封，在设计测试中也彻底排除了Activity Dip等问题，使之在不同外界环境(温度、湿度、震动等)中保持良好的频率性和质量上的一致性。

　　组件的可靠性一般是用平均无故障时间(MTTF或MTBF)作为衡量标准，衡量单位为百万小时，数字越高表示产品越可靠。

　　受石英材料工艺限制，目前一线石英大厂也只能达到3千万小时MTBF值。如表1所示，MEMS振荡器基于全硅架构，在MTBF指标上优于石英10多倍，这也使得振荡器不再是系统产品质量问题的焦点之一。

　　

　　表1 石英与全硅MEMS振荡器可靠性和抗震能力比较

　　那MEMS振荡器超越石英30倍的抗震优势在应用上又有何价值呢?现代移动产品如电子书、固体硬盘(SSD)等，不但体积越来越小，更在朝超薄型发展。但这些移动产品，却恰恰有一个所谓的跌落测试(drop-test)，来验证包括振荡器在内的产品整体可靠性和稳定性。

　　对于石英来说，体积越小、厚度越薄，就越易破裂也越易出现频偏、精度降低的现象。跌落测试是石英振荡器难跨越的门槛，同时也给了MEMS振荡器大显身手的机会。MEMS在可靠性和抗震效应上的优势，使之不但成为移动产品中振荡器的理想选泽，更是军工、汽车、医疗、网络通信等高可靠性产品中的必用品。

　　通过以上对比大家可以看到，全硅MEMS时钟产品取代石英已是既成的事实。接下来，如何加快采用全硅MEMS时钟技术的步伐?是否可以一料通用，减少需管理料号，减低管理成本?是否可利用全硅MEMS时钟产品的优异可靠性来提升系统产品的质量等等，都是值得我们思考的地方。

　　全硅MEMS时脉产品的时代已经到来了

　　全硅MEMS时脉产品的出现对石英在电子产品中已占据了60年的霸主地位起到了冲击。时脉组件，在电子组件产业全面“硅“化的过程中以是最后一个前沿(last frontier), 因为今天的电子产品中除振荡器，电阻，电容外以很少能找出非硅组件。如果说石英的技术经过60年发展已达到极限，那末全硅MEMS技术则应该说正在进如高速成长期，根据”moore’s law, 在今后5年内MEMS时脉产品会更小，更薄，更可靠，更耐用，更多的功能，更短的供货期和更灵活更快的克制化，其性价比也会将石英远远抛在后面。

　　即然全硅MEMS时脉产品取代石英以是既成事实，那末研发和物料管理人员是否也应用更有创新的思维去评估这种更型换代的产品可对公司带来的价值?如果加快采用全硅MEMS时脉技术的步伐，是否可以一料通用，减少需管理料号，减低管理成本?是否可利用全硅MEMS时脉产品优异可靠性来提升系统产品的质量?这些都是值得思考的地方。