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[導讀]以石英晶體為基礎的時脈元件,易因尺寸微縮而造成品質(zhì)疑慮。相形之下,以MEMS技術生產(chǎn)的時脈元件,則可依循一般半導體技術演進的軌跡,持續(xù)縮減尺寸,且具有較佳的耐沖擊和震動性能,有助提升系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性。

以石英晶體為基礎的時脈元件,易因尺寸微縮而造成品質(zhì)疑慮。相形之下,以MEMS技術生產(chǎn)的時脈元件,則可依循一般半導體技術演進的軌跡,持續(xù)縮減尺寸,且具有較佳的耐沖擊和震動性能,有助提升系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性。

以石英晶片為基礎的振蕩器、頻率產(chǎn)生器及諧振器等,一直是電子產(chǎn)品中主要的時鐘參考元件,由于沒有替代品,所有原始設備制造商(OEM)和原始設計自造商(ODM)均須接受石英產(chǎn)品的局限性。然而,隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術進入到時鐘產(chǎn)品后,這些利用MEMS技術生產(chǎn)的元件已提供許多獨特優(yōu)勢,正加速取代傳統(tǒng)石英元件。

力壓傳統(tǒng)石英元件 MEMS時鐘產(chǎn)品效能吸睛

目前已有上千家廠商在各種應用領域使用MEMS時鐘產(chǎn)品,其中以網(wǎng)通、消費性電子、PC相關及儲存裝置為大宗;產(chǎn)品方面包括伺服器、被動光纖網(wǎng)路(PON)的光纖網(wǎng)路單元(ONU)及光纖線路終端(OLT)、固態(tài)硬碟(SSD)、磁碟陣列(RAID)、主匯流排變壓器(Host Bus Adapter, HBA)、數(shù)位相機(DSC)、平板裝置和電子書等。  

平板、電子書制造商屬于早期采用MEMS振蕩器的用戶,藉以提高規(guī)格彈性、降低系統(tǒng)功耗,同時也受益于MEMS元件較短的交期,加速產(chǎn)品上市。由于MEMS振蕩器效能近期已達到三級鐘(Stratum 3)等級,MEMS時鐘元件的應用,將開始拓展至電信、無線及高階工業(yè)應用領域。  

矽半導體MEMS時鐘產(chǎn)品不僅具備功能優(yōu)勢,供應鏈也較傳統(tǒng)石英產(chǎn)業(yè)健全。不同于石英元器件,MEMS時鐘元件不需特殊封裝技術,可使用成本低廉,且廣泛運用于標準半導體元件的塑料封裝。另外,MEMS諧振器在半導體晶圓代工廠生產(chǎn)制造,擁有高品質(zhì)、高穩(wěn)定性及大量生產(chǎn)優(yōu)勢,交貨時間也較短。  

根據(jù)摩爾定律(Moore’s Law),MEMS時鐘產(chǎn)品可依循一般半導體技術演進的軌跡,持續(xù)改善性能。舉例而言,晶圓代工廠利用奈米(nm)級制程的MEMS諧振器,將做得更小、更好,由于矽MEMS諧振器具有亞微米級(Sub-Micron)的電極間距,隨著每個制程世代演進到更小的幾何尺寸時,將大幅提高訊噪比(SNR)。  

相反的,石英晶體諧振器做得愈小,品質(zhì)因子(Q Factor)值愈低,效能和相位噪聲也愈差,甚至會造成應力性能降低,更嚴重的活性下降(Activity Dips)效應(頻率相對溫度不連續(xù)性的特性),以及更受局限的頻率范圍。此外,隨著石英晶體被切割得愈薄愈小,亦將影響良率,導致制造成本上揚。  

改善相位噪聲與抖動 MEMS振蕩器威力升級

振蕩器對日益復雜的電子系統(tǒng)效能將帶來關鍵性的影響,主要跟振蕩器性能相關的規(guī)格有頻率穩(wěn)定性、抖動及相位噪聲。在頻率穩(wěn)定性方面,典型石英振蕩器僅能提供20?100ppm的規(guī)格,而MEMS元件則帶來更好的ppm值,目前已量產(chǎn)MEMS溫度補償振蕩器(TCXO)的SiTime,已達成10?50ppm的頻率穩(wěn)定性。  

此外,MEMS振蕩器均內(nèi)建溫度補償功能,即使處在工業(yè)標準溫度范圍內(nèi),也能呈現(xiàn)非常出色的頻率穩(wěn)定性,滿足高階應用所需。這些頻率穩(wěn)定性的比較,包含因溫度變化、電壓變化、制程偏差及焊接過程所造成的所有頻率偏差。  

相位噪聲系另一個影響系統(tǒng)性能非常重要的指標。串行通訊應用如10Gigabit乙太網(wǎng)路(10GbE)、串列式先進附加介面(SATA)、SAS、光纖、PCIe及通用序列匯流排(USB)等,都有針對所使用的12K?20MHz范圍載波,設定均方根值(RMS)相位抖動規(guī)格要求。無線或全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)等應用,則相較應用載波低于10KHz以下的近端相位噪聲(Close-in Phase Noise)有嚴格要求。  

MEMS振蕩器在過去3年針對相位噪聲及相位抖動已有巨幅改善。最新MEMS振蕩器已可提供典型RMS相位抖動達到500飛秒(fs)及12K?20MHz間最大抖動值小于1皮秒(圖1)。  

圖1 最新MEMS振蕩器相位噪聲圖

減輕環(huán)境影響 MEMS振蕩器可靠又穩(wěn)定

由于電子系統(tǒng)須仰賴時鐘訊號才得以穩(wěn)定工作,因此時鐘元件須在不同的條件跟環(huán)境中均達成一致的可靠性。然而,時鐘元件在實驗室環(huán)境下所測試的結果不意味能百分百適用于實際工作狀況中,根據(jù)供應商提供的產(chǎn)品規(guī)格,一些時鐘元件將無法持續(xù)滿足可靠性需求。  

部分零件對于外來的電磁耐受性(EMS)、電源雜訊(PSRR)、機械震動及撞擊等外在環(huán)境因素的干擾較為敏感。一個設計良好的MEMS諧振器加上先進類比設計電路,能使MEMS振蕩器在許多外在環(huán)境干擾存在時,依然能夠保持高效能、高可靠性的表現(xiàn)。這是另一個系統(tǒng)廠商持續(xù)并不斷擴大使用MEMS時鐘元件的原因。  

由于外在環(huán)境因素對頻率穩(wěn)定性及相位抖動影響重大,包括暴露在不同溫度、電源、負載及老化等環(huán)境影響因子下,一個精準振蕩器的頻率穩(wěn)定性將隨著時間而改變。一些石英元件對這些影響因子尤其敏感,導致穩(wěn)定性、抖動及相位噪聲嚴重惡化。  

另一方面,外部設備或電路產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)雜訊,亦將加重頻率訊號抖動和噪聲耦合現(xiàn)象。圖2顯示,當不同的振蕩器暴露在EMI干擾環(huán)境中工作時,所產(chǎn)生的相位噪聲雜訊,此一測試可用來說明金屬上蓋封裝的石英產(chǎn)品,由于其金屬上蓋并沒有實際接地,故無法提供任何EMS防護。而當中表現(xiàn)最好的MEMS振蕩器,使用所謂In-plane Bulk Mode MEMS諧振器。  

圖2 外在EMI對MEMS、石英、SAW等振蕩器相位噪聲雜訊的影響

圖3是一個MEMS振蕩器跟SAW振蕩器對輸入不同頻率雜訊時,累計的相位抖動對比數(shù)值。幾乎在所有測試的雜訊頻率中,MEMS振蕩器均明顯測出較低的抖動數(shù)值。較低的抖動數(shù)值系由于MEMS振蕩器內(nèi)部供電及偏壓電路,隔絕由供電電源導致的雜訊。  

圖3 MEMS振蕩器(2號線)及SAW振蕩器(1號線)在供電電源上,面對50mV弦波雜訊時相位抖動數(shù)值的比較。

 MEMS諧振器耐沖擊與震動表現(xiàn)出色

使用一般工業(yè)設備或可攜式消費性電子產(chǎn)品,通常都會經(jīng)歷一定程度的沖擊及震動,不論使用石英晶體或MEMS諧振器這類機械式諧振的振蕩器,均對震動頗為敏感。因此,諧振器的質(zhì)量及剛度,將是決定諧振體能否抑制因震動所引起的性能衰減兩大因素。  [!--empirenews.page--]

MEMS諧振體剛度非常高,并能減輕因震動引起的移位問題;相較于塊狀石英晶片諧振器,MEMS諧振器具較小質(zhì)量,降低由重力加速度所加負在諧振器上的施力(表1)。當測試50g重力加速度時,MEMS諧振器展現(xiàn)出較低的震動靈敏性,并且可承受超過50,000g的重力加速度測試。 

平均不良時間(MTBF)是一種對時鐘元件可靠性的標準量測方式,MTBF數(shù)值愈高表示產(chǎn)品有較長的可運作生命周期及更高可靠度。圖4顯示來自不同廠商的石英和MEMS振蕩器的MTBF數(shù)值,可發(fā)現(xiàn)MEMS振蕩器具有較佳的抗震性、抗沖擊性。 

圖4 石英及MEMS時鐘產(chǎn)品可靠性(MTBF)比較

靈活設計架構加分 MEMS振蕩器大受青睞

MEMS振蕩器基礎零件系由一個MEMS諧振單元和獨立諧振IC封裝而成。由于該可編程IC的靈活設計,得以在工廠端依照客戶設計需求,快速配置完成。相較之下,石英產(chǎn)品根據(jù)特定參數(shù)做最佳化及客制化,無法提供類似MEMS產(chǎn)品的設計彈性。這種具備大范圍功能可配置的產(chǎn)品平臺及能力,也是造就MEMS時鐘產(chǎn)品強勁成長的主要因素之一。 

如圖5典型MEMS振蕩器架構左方所示,針對不同應用,可搭配各種設計型式的MEMS諧振器。由于MEMS元件本身固有的溫度系數(shù)(隨溫度變化的穩(wěn)定性),可透過溫度補償電路滿足精準的時脈規(guī)格。溫度補償電路系由溫度感應器、溫度數(shù)位轉換器及分數(shù)鎖相環(huán)(Frac-N PLL)所組成,并透過這些電路使整個時鐘元件滿足10?50ppm的全工作溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性。 

PLL透過編程還可輸出頻率訊號的范圍擴展至200k?800MHz,晶片上的一次性可編程(OTP)熔斷器是用來存儲溫度補償和配置參數(shù)。輸出驅動器(Output Driver)提供可配置的驅動強度,以獲得最佳化的傳輸線阻抗匹配,并降低系統(tǒng)EMI。 

由于本身巨大的尺寸及其他封裝問題,石英諧振器在電子系統(tǒng)中是唯一尚未被整合進入IC的元件。一些為藍牙(Bluetooth)、無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)應用等所設計的模組,由于石英元件的限制也阻礙模組尺寸小型化,然而,由于MEMS諧振器跟一般半導體晶元的特性相似,因此可透過多晶片封裝或者系統(tǒng)級封裝(SiP)方式,被整進處理器或特定應用積體電路(ASIC)晶片組。 

目前,業(yè)界正致力將MEMS諧振器導入系統(tǒng)單晶片(SoC),此設計趨勢使所有外部時鐘電路得已去除,從而增加系統(tǒng)效能并降低成本,為系統(tǒng)制造商帶來更多獲利。 

MEMS時鐘元件需求俏 2017年后產(chǎn)值暴增十倍

憑藉強大的MEMS諧振器與高性能的模擬電路,MEMS時鐘方案迅速克服許多石英技術的限制。在性能方面,MEMS技術僅利用不到6年時間,就達成石英用超過60年時間所開發(fā)完成的技術水平。在MEMS元件性能與穩(wěn)定性持續(xù)精進同時,市場滲透率將不斷擴大。 

MEMS時鐘元件由SiTime在5年前率先量產(chǎn),市場快速擴張也讓SiTime每年出貨量均以倍數(shù)成長。預估到2017年,總體市場產(chǎn)值將有十倍成長。 

至于不同的MEMS時鐘方案供應商間的區(qū)別,主要在于MEMS諧振器采用不同的設計、制程,以及在先進類比設計技術的差異性。這些差異導致MEMS諧振器有性能及可靠性差異。預料目前占主導地位的MEMS開發(fā)商將繼續(xù)利用其專業(yè)技術知識和市場領導,強化戰(zhàn)略合作夥伴關系,主宰市場。 

(本文作者Mehdi Behnami為SiTime產(chǎn)品市場協(xié)理,謝鴻泉為SiTime亞太區(qū)業(yè)務副總裁)


    
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