炫酷魔幻图片大全集:替代石英晶振的硅MEMS振荡器（三）

仅仅一个词:" 塑料" 
　　根据以上描述, MEMS-first 可以使用任意标准封装: SOIC, SSOP, BGA, CSP 或 QFN. SiTime 选择QFN类型的塑料注塑封装, 为实现高可靠性, 低引线等效电感, 良好的温度特性, 灵活的管脚布局和低成本. 相比之下石英晶体昂贵的特殊材料: 陶瓷或金属封装. 图 8和图 9描述了QFN类型的封装和引线框架结构, 与目前的3.2x5.0 mm 石英振荡器布局兼容.
第一代的SiTime 振荡器提供有2.0x2.5mm, 2.5x3.2mm 和 3.2x5.0mm尺寸 及0.85 mm高度的封装, 与目前的石英振荡器PCB兼容. 两个产品系列包括SiT8002可编程振荡器和SiT11xx固定频率振荡器, 具备相同的规范和性能, 因此客户使用可编程版本进行设计和测试而使用固定频率的版本用于生产制造. 产品的频率范围1 至 125 MHz, 各种温度变化, 电压变化和老化效应下的频率误差范围是+/- 100 至 +/-50 ppm. 这些规范与普通消费类, 工业和计算机应用的石英产品相类似. 基于性能和成本考虑, SiTime 估计70%的表面贴装石英振荡器市场将会转换到第一代MEMS振荡器. SiTime 已经可以提供MEMS振荡器工程样片, 量产计划在Q4 2006年.

图 8: QFN类型 3.2x5.0 mm 引线框架, MEMS 裸片置于CMOS 驱动器裸片上, 贴装和邦定到引线框架.

图 9: 封装成型之前的 SEM 照片, MEMS 裸片置于CMOS 驱动器裸片上

MEMS振荡器和全新硅工业的诞生 
 　　电子工业的新技术, 使得集成非常小的高Q值低ppm 的单个或多个谐振器成为现实,并且成本低于石英晶体产品. 一些颇有价值的应用包括:

消费类和计算机产品 
　　笔记本计算机, 数码相机, 游戏机, VCD, 便携式媒体播放器, 机顶盒, 高清电视和打印机等几乎所有消费类电子产品目前均需消耗石英产品. 例如, PC主板需要数颗石英晶体,石英振荡器, VCXO和CMOS PLL芯片.
MEMS-first谐振器是CMOS兼容的, 可以与PLL, 逻辑电路和模拟电路集成, 减少EMI,布线复杂度和减小时序电路面积达70%. MEMS-first谐振器以振荡器的形式焊装, 不需要外接任何电容或电阻, 节省了额外的PCB空间, 不存在晶体起振的问题和布线干扰问题. 图 10展示了SiTime振荡器于石英振荡器外接器件的比较.

图 10: 方框图描述了SiTime 振荡器的简单连接, 相比于需要额外器件连接的石英晶体. SiTime 振荡器还不容易受干扰的影响, 贴装可以远离ASIC. SiTime 振荡器与石英晶体连接ASIC 一样使用, 仅仅需要驱动Xin 引脚而使Xout 引脚开路.

汽车应用 
汽车工业以TS16949:2002质量和可靠性强硬政策著称, IATF 和 JAMA开发了更广泛的质量标准. 关注共同的环境性能问题诸如温度, 湿度, 冲击和振动. 对于汽车应用, 新的MEMS-first 谐振器在物理特性上, 在设计上, 在制造工艺上比石英晶体更加优越.
如前所述, 硅谐振器在1000°C 温度下退火. 因此, 正常操作温度本质上对它无任何影响. 器件的其它部份是标准的, 温度和可靠性限制被很好地符合. 实际上, 最终的振荡器操作温度不是被谐振器所限制, 而是被标准CMOS电路和封装所限制.
相比于石英晶体, 硅谐振器对冲击和振不敏感, 因为硅谐振器具有更多的基本谐振模式.

封装失效发生在谐振器之前本质上不能使谐振停止. 
SiTime的MEMS-first振荡器建立在6- sigma标准的基础上, 无论是MEMS裸片和驱动IC, 并使用符合汽车质量标准的封装. 使用0.18 m标准CMOS半导体设备生产的0.4 m最小尺寸谐振器, 正常的结果是对于初始频率分布, 品质因素和插入损耗具有高成品率和极紧密的特性分布.

图 11: MEMS-first 谐振器的圆晶测试图显示成品率超过98%. 此例中, 绿色方块表示测试良品, 黄色方块表示坏品. 成品率通常很高, 由于工艺流程缩短, 器件很小, 以及使用了控制良好的CMOS 加工工艺.

无线应用 
这项技术早期的应用目标之一是紧凑型无线节点, 它需要集成一个或多个谐振器. 工作在315, 433, 868, 以及 915 MHz 频段的无线节点受益于抖动<20 ps RMS 和+/-50 ppm特性的第一代振荡器, 节约超过50%的节点空间. 一颗, 两颗或者更多的MEMS-first谐振器可能集成到单一的裸片上, 对于无线应用要求32.768 kHz的振荡器用于实现低功耗唤醒和实时时钟, 而高频率振荡器用于实现发送, 接收和处理功能.

Moore定理应用于MEMS-first谐振器 
新谐振器更激动人心的特性之一是它随着工艺尺寸的缩减而缩减. 所有常规MEMS产品由旧的生产线移植. 然而, SiTime的谐振器技术, 缩减CMOS尺寸的优越之处还提高了谐振器的性能. SiTime的SiT8002 MEMS谐振器电极间距0.4 m, 限制了加在CMOS振荡器上的电信号数量. 在下一代产品, 减少电极间距将增加振荡器感应信号数量, 提高信噪比, 提供更好的相位噪声和抖动性能. 下一步的MEMS-first性能更高成本更低.这趋势与石英晶体恰恰相反, 对于石英晶体, 更小的尺寸意味着更差的性能和更高的成本.

表 1: 石英晶体技术和 MEMS-first 谐振器技术的比较. 本表格描述的是共同的技术特征不包括例外情形. 带星号表示的数据在精确实验室测试下可能要高出10 倍.

下一代MEMS振荡器 
技术继续往前, 引入到市场的MEMS振荡器将具备更高频率和更低的相位噪声, 并且保持与MEMS-first 封装技术同样的尺寸和成本的好处. 蜂窝电话的应用将受益于第二代产品. 研究表示这种技术在当前的GSM和CDMA手机TCXO应用在2008年成熟.
SiTime的下一代产品系列将是32.768 kHz 的振荡器. 

附加说明: 谐振器和振荡器
谐振器是振荡于谐振频率的小型机电单元, 必须通过驱动电路产生电输出. 振荡器是谐振器和驱动电路的组合. MEMS谐振器和石英晶体完全不同: 不同的机械特性, 不同的电气特性, 不同的工艺技术和不同的驱动电路, 甚至于尺寸也不同, MEMS谐振器比石英晶体具有更小的尺寸. 晶体与石英晶体通常是同意词.