如果說(shuō)很多人把MCU或SoC主芯片比喻為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的大腦，那么時(shí)鐘組件當(dāng)之無(wú)愧是其心臟。無(wú)論是電子工程師還是元器件采購(gòu)者，在選擇時(shí)鐘組件時(shí)都會(huì)經(jīng)過(guò)全面嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)估。因?yàn)橐活w健康、穩(wěn)定、持久的“心臟”，將直接影響到電子系統(tǒng)的功能和可靠性。

　　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(lèi)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?xún)r(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(mǎi)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)猓媒饘俜庋b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(kāi)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(kāi)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。或者，他們可采用25PPM的MEMS振蕩器來(lái)提升系統(tǒng)總體穩(wěn)定性。

　　全硅MEMS振蕩器的可編程規(guī)格組合

　　傳統(tǒng)石英振蕩器的主要規(guī)格參數(shù)如輸出頻率、頻率穩(wěn)定性是由石英切割的形狀、厚度及在加工過(guò)程中鍍銀老化等步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這也決定了石英一個(gè)頻率、一個(gè)工作電壓、一個(gè)頻率穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)一個(gè)料號(hào)的固定頻率的商業(yè)模式。

　　從圖3也可看到，從技術(shù)角度，高頻率的石英振蕩器一般無(wú)法支持1.8V的工作電壓，或25PPM的頻率穩(wěn)定性，因?yàn)閴弘娛⒌幕静ㄕ袷幨窍拗圃?0MHz以下。60MHz以上的頻率則需利用3次，5次或7次倍頻，再加上過(guò)濾電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，造成有限的規(guī)格選擇和居高不下的成本.

　　圖3 傳統(tǒng)石英一般只支持常用固定品率和規(guī)格

　　因此，石英的傳統(tǒng)模式雖有簡(jiǎn)單明了的優(yōu)點(diǎn)，但卻缺乏了現(xiàn)代電子廠商在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、供貨周期和備貨成本管理上所需要的靈活性。

　　與石英相比，全硅MEMS振蕩器是由MEMS諧振器和高性能模擬CMOS芯片組成的一個(gè)可編程的時(shí)鐘平臺(tái)，其主要規(guī)格參數(shù)都在設(shè)計(jì)時(shí)整合進(jìn)了CMOS，利用內(nèi)嵌的NVM(非易失性存儲(chǔ)器)來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩器參數(shù)即MEMS振蕩器的實(shí)時(shí)配置。

　　圖4 全硅ME振蕩器平臺(tái)提供不同頻率，電壓和PPM的組合

　　圖4展示了SiTime 的SiT9102差分振蕩器的靈活性，同一個(gè)基本料號(hào)可通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)規(guī)格組合。

　　除圖中所示，SiT9102還可通過(guò)編程方式達(dá)到民用級(jí)(0?C-70?C)、超民用級(jí)(-20?C-70?C)或工業(yè)級(jí)(-40?C-85?C)等不同工作溫度，以及一般高頻振蕩器無(wú)法支持的10PPM頻率穩(wěn)定性。

　　SiT9102高度的靈活性，使電子工程學(xué)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不但無(wú)需再為振蕩器規(guī)格不全而束縛，更可同過(guò)嘗試不同規(guī)格，實(shí)現(xiàn)最佳組合，來(lái)提高系統(tǒng)整體性能和穩(wěn)定性。

　　全硅MEMS振蕩器按需供貨，降低斷貨風(fēng)險(xiǎn)，壓縮備貨成本

　　即時(shí)生產(chǎn)(Just-in-time-manufacturign)在電子業(yè)的普及也為系統(tǒng)廠商采購(gòu)人員在供貨鏈管理帶來(lái)了巨大的壓力。系統(tǒng)廠商永遠(yuǎn)希望或要求下游供應(yīng)商長(zhǎng)期保證足夠純貨，以備急用。而下游供應(yīng)商應(yīng)利潤(rùn)壓力，卻會(huì)盡量減低庫(kù)存，而這個(gè)壓力，引復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和壟斷的原材料供貨鏈，在石英產(chǎn)業(yè)特為顯著。

　　如圖(5)顯示，石英生產(chǎn)流程包括切割，渡銀，封裝，測(cè)試，老化等幾十半自動(dòng)步驟，一般需8-16周的生產(chǎn)周期。加上石英振蕩器所需的基座和起振IC全部控制在二到三家日系供應(yīng)商，決定了石英在無(wú)備貨下至少8-16周供貨期，且無(wú)應(yīng)急供貨的能力。

　　對(duì)于石英廠商備貨更是艱巨的任務(wù)，因?yàn)槭⒁粋€(gè)頻率，一個(gè)料號(hào)的特性，使得石英廠商只能備常用料。一般來(lái)說(shuō)，只有5%左右的常用料會(huì)在石英銷(xiāo)售渠道中有長(zhǎng)期備料。而對(duì)于系統(tǒng)廠商來(lái)說(shuō)，因不同料號(hào)需求增減難測(cè)，經(jīng)常出現(xiàn)急用料長(zhǎng)期缺貨，卻又有大批不需要的死貨，無(wú)形中增加成本，并影響公司銷(xiāo)售。

　　于石英相比，全硅MEMS振蕩器，基于其可編程平臺(tái)，以按需供貨(Deliver-on-demand)的模式從根本上解決石英產(chǎn)業(yè)供貨上的低效能。

　　MEMS振蕩器廠商一般以”die bank”的方式預(yù)先積累MEMS和CMOS空白芯片的半成品。再通過(guò)用半成品標(biāo)準(zhǔn)芯片塑料封裝，測(cè)試，編程和卷帶包裝出貨，無(wú)論任何頻率，任何工作電壓，任何精度，任何封裝的組合，整個(gè)MEMS振蕩器供貨期從收到客戶(hù)訂單到壓縮到2-4周，

　　全硅MEMS這種按需供貨(Deliver-on-demand)的模式不僅僅縮短比石英小了四倍的供貨期。 重要得是MEMS振蕩器以空白芯片模式備貨，可實(shí)時(shí)調(diào)整產(chǎn)品組合，滿足客戶(hù)無(wú)時(shí)無(wú)刻變化的需求，保證系統(tǒng)廠商生產(chǎn)物料供應(yīng)無(wú)短缺風(fēng)險(xiǎn)。

　　這種供貨上的靈活性不但簡(jiǎn)化了系統(tǒng)廠商供應(yīng)鏈的管理，也無(wú)形中減小了對(duì)備貨資金的要求，為系統(tǒng)廠商減低總成本，提高利潤(rùn)做出貢獻(xiàn)。

　　圖5 復(fù)雜的石英工藝

　　圖6 半導(dǎo)體高效能的生產(chǎn)供貨模式

　　全硅MEMS振蕩器的質(zhì)量、可靠性和耐用性

　　石英振蕩器是一個(gè)石英晶體為主的機(jī)械振動(dòng)結(jié)構(gòu)，易碎，而且對(duì)外界環(huán)境敏感。很多因素會(huì)直接影響到石英的質(zhì)量和可靠性。

　　原因之一在于，石英面臨一個(gè)被稱(chēng)作“活性下降(Activity Dip)”的問(wèn)題，可能直接造成振蕩器停振或輸出頻率偏差的現(xiàn)象。

　　圖7 Activity Dip 造成于溫度有關(guān)的振蕩器失效

　　圖7為石英晶體具有的不同共振波模(resonant modes)，其中某些共振波模會(huì)因外界溫度變化而移動(dòng)，但晶體主要共振波模又稱(chēng)基本共振波模(main or fundamental mode)，靠設(shè)計(jì)及制造工藝來(lái)保持其不受溫度影響。但作為振蕩器成品，一旦受溫度影響的共振波模與基本共振波模重疊，就會(huì)引起嚴(yán)重頻率偏差，甚至完全停振。Activity Dip現(xiàn)象很難靠測(cè)試來(lái)篩選，這也是石英在可靠性和一致性方面比全硅MEMS產(chǎn)品較差的因素之一。

　　除Activity Dip外，晶體要保持良好的頻率穩(wěn)定性與石英封裝時(shí)用氮?dú)饷芊赓|(zhì)量好壞有直接關(guān)系。石英振蕩器在運(yùn)輸、SMD上線，或系統(tǒng)正常運(yùn)作過(guò)程中受震動(dòng)或老化影響，一旦漏氣，就會(huì)造成停振，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。 所以石英漏氣是石英振蕩器最常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題之一。

　　相比之下，全硅MEMS振蕩器利用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)制程和封裝，以IC的方式產(chǎn)生輸出信號(hào)。產(chǎn)品本身無(wú)需密封，在設(shè)計(jì)測(cè)試中也徹底排除了Activity Dip等問(wèn)題，使之在不同外界環(huán)境(溫度、濕度、震動(dòng)等)中保持良好的頻率性和質(zhì)量上的一致性。

　　組件的可靠性一般是用平均無(wú)故障時(shí)間(MTTF或MTBF)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，衡量單位為百萬(wàn)小時(shí)，數(shù)字越高表示產(chǎn)品越可靠。

　　受石英材料工藝限制，目前一線石英大廠也只能達(dá)到3千萬(wàn)小時(shí)MTBF值。如表1所示，MEMS振蕩器基于全硅架構(gòu)，在MTBF指標(biāo)上優(yōu)于石英10多倍，這也使得振蕩器不再是系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的焦點(diǎn)之一。

　　表1 石英與全硅MEMS振蕩器可靠性和抗震能力比較

　　那MEMS振蕩器超越石英30倍的抗震優(yōu)勢(shì)在應(yīng)用上又有何價(jià)值呢?現(xiàn)代移動(dòng)產(chǎn)品如電子書(shū)、固體硬盤(pán)(SSD)等，不但體積越來(lái)越小，更在朝超薄型發(fā)展。但這些移動(dòng)產(chǎn)品，卻恰恰有一個(gè)所謂的跌落測(cè)試(drop-test)，來(lái)驗(yàn)證包括振蕩器在內(nèi)的產(chǎn)品整體可靠性和穩(wěn)定性。

　　對(duì)于石英來(lái)說(shuō)，體積越小、厚度越薄，就越易破裂也越易出現(xiàn)頻偏、精度降低的現(xiàn)象。跌落測(cè)試是石英振蕩器難跨越的門(mén)檻，同時(shí)也給了MEMS振蕩器大顯身手的機(jī)會(huì)。MEMS在可靠性和抗震效應(yīng)上的優(yōu)勢(shì)，使之不但成為移動(dòng)產(chǎn)品中振蕩器的理想選澤，更是軍工、汽車(chē)、醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)通信等高可靠性產(chǎn)品中的必用品。

　　通過(guò)以上對(duì)比大家可以看到，全硅MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品取代石英已是既成的事實(shí)。接下來(lái)，如何加快采用全硅MEMS時(shí)鐘技術(shù)的步伐?是否可以一料通用，減少需管理料號(hào)，減低管理成本?是否可利用全硅MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品的優(yōu)異可靠性來(lái)提升系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量等等，都是值得我們思考的地方。

　　全硅MEMS時(shí)脈產(chǎn)品的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)了

　　全硅MEMS時(shí)脈產(chǎn)品的出現(xiàn)對(duì)石英在電子產(chǎn)品中已占據(jù)了60年的霸主地位起到了沖擊。時(shí)脈組件，在電子組件產(chǎn)業(yè)全面“硅“化的過(guò)程中以是最后一個(gè)前沿(last frontier), 因?yàn)榻裉斓碾娮赢a(chǎn)品中除振蕩器，電阻，電容外以很少能找出非硅組件。如果說(shuō)石英的技術(shù)經(jīng)過(guò)60年發(fā)展已達(dá)到極限，那末全硅MEMS技術(shù)則應(yīng)該說(shuō)正在進(jìn)如高速成長(zhǎng)期，根據(jù)”moore’s law, 在今后5年內(nèi)MEMS時(shí)脈產(chǎn)品會(huì)更小，更薄，更可靠，更耐用，更多的功能，更短的供貨期和更靈活更快的克制化，其性?xún)r(jià)比也會(huì)將石英遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。

　　即然全硅MEMS時(shí)脈產(chǎn)品取代石英以是既成事實(shí)，那末研發(fā)和物料管理人員是否也應(yīng)用更有創(chuàng)新的思維去評(píng)估這種更型換代的產(chǎn)品可對(duì)公司帶來(lái)的價(jià)值?如果加快采用全硅MEMS時(shí)脈技術(shù)的步伐，是否可以一料通用，減少需管理料號(hào)，減低管理成本?是否可利用全硅MEMS時(shí)脈產(chǎn)品優(yōu)異可靠性來(lái)提升系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量?這些都是值得思考的地方。