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MEMS振蕩器技術(shù)設(shè)計(jì)概要

發(fā)布時(shí)間:2009-06-29

中心議題:
  • MEMS諧振器內(nèi)部設(shè)計(jì)
  • MEMS諧振器微型工藝封裝
  • 可編程MEMS振蕩器特性
  • MEMS振蕩器種類
解決方案:
  • 使用窄信道蝕刻方式生成諧振結(jié)構(gòu)
  • 頻率是由內(nèi)部非揮發(fā)性內(nèi)存乘倍數(shù)決定

參考頻率信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)


頻率信號(hào)對(duì)于所有電子產(chǎn)品就像是心跳對(duì)所有動(dòng)物的生命一般重要,所有電子電路的動(dòng)作都以此重復(fù)性且穩(wěn)定的頻率信號(hào)作為參考信號(hào)源。設(shè)計(jì)優(yōu)良的頻率信號(hào),幾乎是系統(tǒng)是否能夠達(dá)到高效能、持續(xù)性穩(wěn)定工作的重要基礎(chǔ)。一般而言,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考頻率信號(hào)可由不同的頻率組件來產(chǎn)生,如諧振器(Resonator)、振蕩器(Oscillator)以及頻率產(chǎn)生器(Clock Generator),不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)考慮,選擇不同的組件來提供參考頻率。

諧振器是利用機(jī)械震動(dòng)原理,加上一個(gè)外部諧振電路來產(chǎn)生周期性振蕩信號(hào),一般該諧振電路會(huì)被整合在芯片之中。振蕩器組件則是將諧振器以及諧振電路整合于一4或6針腳的封裝中,用以輸出參考頻率信號(hào)。而頻率產(chǎn)生器則是較為復(fù)雜的頻率信號(hào)輸出組件,一般此類組件需要一個(gè)外部參考諧振器,內(nèi)部則整合一個(gè)或多個(gè)鎖相環(huán)(Phase Lock Loop;PLL),來產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)參考頻率輸出的信號(hào)。

對(duì)于所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言,無論使用何種頻率組件作為電路設(shè)計(jì)時(shí)的參考信號(hào),均需要一個(gè)穩(wěn)定且質(zhì)量良好的周期信號(hào),包括良好的波形、duty cycle、較短的爬升時(shí)間及下降時(shí)間(rising time & falling time)、以及準(zhǔn)確重復(fù)性的邊緣時(shí)間。

MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)脫穎而出

創(chuàng)新MEMS諧振器

先前絕大部分的電子產(chǎn)品依靠石英晶體來提供可靠穩(wěn)定的頻率信號(hào),不過近幾年由于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)制造的電子零件,在許多應(yīng)用領(lǐng)域不斷提供電子產(chǎn)品創(chuàng)新且質(zhì)優(yōu)的設(shè)計(jì),其中包括MEMS諧振器零件在許多應(yīng)用開始取代石英晶體:例如所謂MEMS振蕩器內(nèi)部所采用的諧振器,即使用毫米級(jí)的MEMS諧振器,作為Mega Hertz級(jí)別的振蕩源。

MEMS振蕩器內(nèi)部設(shè)計(jì)

除了創(chuàng)新諧振器的MEMS技術(shù),振蕩器內(nèi)部的振蕩電路設(shè)計(jì)亦開始進(jìn)行中。傳統(tǒng)石英振蕩器內(nèi)部的振蕩電路,其輸出頻率一般與石英設(shè)計(jì)切割的頻率相同,因此電路設(shè)計(jì)上僅僅采用單純的諧振放大電路或者驅(qū)動(dòng)電路。

在MEMS振蕩器內(nèi)部,采用嶄新的設(shè)計(jì)概念及線路設(shè)計(jì),使得MEMS振蕩器提供更多可設(shè)定的變動(dòng)頻率參數(shù),在出貨前通過量產(chǎn)程序設(shè)定不同參數(shù),可提供不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需要。MEMS振蕩器已在許多應(yīng)用領(lǐng)域包括計(jì)算機(jī)周邊相關(guān)產(chǎn)品、消費(fèi)電子、網(wǎng)通設(shè)備、通訊裝置、車用電子、以及工業(yè)產(chǎn)品等,開始逐漸取代傳統(tǒng)固定頻率或可編程輸出的石英振蕩器。

這樣的設(shè)計(jì),簡化了目前石英振蕩器的冗長供應(yīng)鏈,縮短廠商的交貨期,同時(shí)能讓使用同一電路設(shè)計(jì)的零件,滿足不同設(shè)計(jì)的需要,進(jìn)一步協(xié)助系統(tǒng)廠商達(dá)到不同頻率不同參數(shù)的振蕩器一站式采購(One Stop Shopping)的目標(biāo)。

MEMS振蕩器簡要透視

圖1為MEMS振蕩器的透視圖。以SiTime的MEMS振蕩器為例,其是由兩個(gè)芯片堆棧起來,下方是CMOS PLL驅(qū)動(dòng)芯片,上方則是MEMS諧振器,以標(biāo)準(zhǔn)QFN IC封裝方式完成。封裝尺寸以及焊接管腳與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)石英振蕩器的腳位完全兼容,可直接替代原來石英產(chǎn)品,無須更動(dòng)任何設(shè)計(jì)。MEMS振蕩器在許多方面都超越石英振蕩器產(chǎn)品,包括全自動(dòng)化生產(chǎn)過程、穩(wěn)定交貨期、穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量、以及近期和長期的成本優(yōu)勢(shì)等。

                                                
                                                     圖1 全硅MEMS振蕩器透視圖
   
如何制造MEMS諧振器?

有些廠商是用CMOS半導(dǎo)體代工廠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備以及材料制造全硅MEMS諧振器。由于無須CMOS半導(dǎo)體廠的額外設(shè)備制及工藝投資,這可提升CMOS產(chǎn)業(yè)利用既有設(shè)備生產(chǎn)更多產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)利基。另外MEMS振蕩器封裝方式亦使用目前半導(dǎo)體封裝廠通用設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)IC后制封裝流程。[page]

圖2展示一系列MEMS制造的剖面圖。圖2a則顯示通過窄信道蝕刻方式,從表面切割一空隙至硅晶氧化絕緣層(SOI),生成一諧振結(jié)構(gòu)。這些諧振結(jié)構(gòu)體在震動(dòng)時(shí),以水平方向在硅晶面上震動(dòng)。


                                          
                圖2a 從晶圓表面開始蝕刻進(jìn)入到氧化絕緣層產(chǎn)生的諧振器以及電極示意圖

如圖2b所示,震動(dòng)空隙上包覆著一層氧化層、硅晶層以及多晶硅層(Polysilicon),在多晶硅層以通過一些蝕刻的小細(xì)孔將氧化物取出后形成諧振體。

                                             

              圖2b 氧化物層以及硅質(zhì)排氣層形成后,制造氣孔以排放諧振器內(nèi)部電極間距空間內(nèi)的氣體形成真空
然后硅晶圓被置入1000oC的epitaxial反應(yīng)爐內(nèi)去除雜質(zhì),并密封之前所蝕刻的小細(xì)孔,以及通過長晶生成較厚的硅晶和一層多晶硅電容層。這個(gè)高溫工藝對(duì)諧振體而言也是一個(gè)退火(anneal)的過程,讓諧振體表面達(dá)到光滑的程度,并將其永久密封在完全真空無污染的空間中。上述所描述的多晶硅電容層結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)硬,可承受接下來超過100個(gè)大氣壓壓力的塑模成型工藝(Plastic molding)。


                                           
              圖2c 完全潔凈的諧振器被密封在極厚的一層保護(hù)用向外長晶的硅質(zhì)層之下

圖2d則說明如何在多晶硅層上生成一導(dǎo)電接點(diǎn),來連接至內(nèi)部諧振器的驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極。而后進(jìn)行鋁質(zhì)導(dǎo)電層(Aluminum Layer)長晶過程、完成導(dǎo)線(metal trace)以及打線接點(diǎn)生成工藝,并被覆蓋上一層非導(dǎo)電材質(zhì)鈍化層后(passivation layer),完成整個(gè)硅晶圓的生產(chǎn)。

                                         
             圖2d 在硅質(zhì)層上蝕刻一過孔,并通過鋁線及打線接點(diǎn),將諧振器連接至CMOS驅(qū)動(dòng)電路

MEMS諧振器微型工藝封裝技術(shù)大要

MEMS諧振器比一般石英晶體要小非常多。標(biāo)準(zhǔn)的硅工藝可輕易制造達(dá)微米級(jí)的產(chǎn)品。一個(gè)完成的MEMS諧振器大小約0.Xmm長寬,相較于一般長寬約數(shù)mm的石英晶體,兩者面積可相差百倍。越小的組件表示越能達(dá)成微型封裝的要求,突破以往在水平方向大小以及厚度限制的封裝設(shè)計(jì),因此廠商可制造最小的差分震蕩器、展頻震蕩器、壓控震蕩器以及薄型震蕩器等。

隨著CMOS工藝技術(shù)的微型化演進(jìn),MEMS諧振器在同一半導(dǎo)體代工廠,亦可持續(xù)使用先進(jìn)的工藝技術(shù)來增進(jìn)效能。廠商的諧振器目前利用次微米(sub-micron)電極間距,未來新一代更精細(xì)的工藝將可進(jìn)一步縮小電極間距。此工藝演進(jìn)可進(jìn)一步改善諧振器輸出的信號(hào)噪聲比(Signal to Noise Ratio;SNR),使得振蕩器亦得以取得更佳的相位噪聲(相噪)規(guī)格。石英晶體卻不具備這樣的工藝優(yōu)勢(shì),若石英晶體尺寸越小,反而在各方面效能的表現(xiàn)越差,影響包括Q值、相位噪聲和activity dip較差、應(yīng)力敏感度較大、以及頻率范圍更受局限等缺點(diǎn)。

利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造的MEMS諧振器越小,成本也越低,但這卻不適用于石英晶體,當(dāng)石英晶體切割越小則越難設(shè)計(jì)及制造,良率也越來越低,成本也會(huì)越來越高。因此當(dāng)大部分電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)都趨向微型化的同時(shí),石英將越來越無法展現(xiàn)應(yīng)有效能,全硅MEMS諧振器將取而代之。
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可編程架構(gòu)的全硅MEMS振蕩器特性

石英振蕩器及輸出頻率特性

早期石英振蕩器半導(dǎo)體產(chǎn)品工藝極貴,設(shè)計(jì)趨向單純化,通過外部一些晶體管電路設(shè)計(jì),石英振蕩器電路可以很容易被組成并讓石英晶體起振,輸出PC板需要的頻率信號(hào),因此諧振器電路自然被排除在其它半導(dǎo)體電子電路之中。

振蕩器是根據(jù)一些在電子應(yīng)用產(chǎn)品中的常用頻率來設(shè)計(jì)、制造并生產(chǎn)。不過更多 的振蕩器是制造廠商為因應(yīng)系統(tǒng)客戶不斷根據(jù)新的應(yīng)用需求和應(yīng)用平臺(tái)而生產(chǎn)。由于振蕩器的規(guī)格繁雜,包括不同的頻率、工作電壓、精準(zhǔn)度、封裝尺寸的要求,使得產(chǎn)品料號(hào)的復(fù)雜度以及數(shù)量都非常繁雜。況且所有石英振蕩器廠商不可能備足庫存所有規(guī)格的振蕩器,因?yàn)槊恳环N頻率的石英振蕩器,都是根據(jù)內(nèi)部的石英晶體所切割的厚度決定其輸出的頻率。石英晶體切割過程幾乎是所有振蕩器生產(chǎn)必須歷經(jīng)的第一步,也因此系統(tǒng)客戶必須容忍較長的產(chǎn)品交付期限。

MEMS振蕩器及輸出頻率特性

MEMS振蕩器則與傳統(tǒng)石英產(chǎn)品不同。無論輸出頻率為何,MEMS振蕩器均使用同一個(gè)MEMS諧振器。輸出頻率并不是使用不同的MEMS諧振器來達(dá)成頻率的變化,而是根據(jù)編程并儲(chǔ)存在內(nèi)部非揮發(fā)性內(nèi)存(Non- Volatile Memory;NVM)的數(shù)值,與MEMS諧振器的輸出頻率相乘倍數(shù)后而決定。

這樣的設(shè)計(jì)方式,可快速地把庫存的MEMS振蕩器,按照客戶需要的電壓以及其它參數(shù)編程后,輸出客戶所需要的頻率。因此,客戶可在較短交貨期限內(nèi)(約在2~3周而無須3~4個(gè)月),便可取得所需的頻率組件。此外提供給工程設(shè)計(jì)人員的樣品,則可通過編程器立即直接編寫提供,或由產(chǎn)線在一天之內(nèi)提供給全球工程人員滿足其設(shè)計(jì)需求。

Sigma-Delta Fran-N PLL倍頻電路設(shè)計(jì)

此外,石英可編程振蕩器內(nèi)部使用環(huán)震蕩鎖相環(huán)(Ring Oscillator PLL)作為其倍頻電路的設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)容易造成輸出具高抖動(dòng)(jitter)特性的頻率信號(hào),因此這類振蕩器僅適合精準(zhǔn)度無須太高的應(yīng)用。MEMS振蕩器廠商在架構(gòu)設(shè)計(jì)上采用所謂Sigma-Delta Fran-N PLL鎖相環(huán)作為倍頻電路,此電路設(shè)計(jì)能夠?qū)EMS諧振器的輸出頻率任意倍頻到所需的頻率,頻率信號(hào)的抖動(dòng)特性與一般石英振蕩器相較則更優(yōu)。

提升穩(wěn)定性

集成電路的穩(wěn)定性一般是用平均無故障時(shí)間(Mean Time Between Failure;MTBF)作為衡量標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)的衡量單位為小時(shí),數(shù)字越高表示產(chǎn)品越可靠。一般半導(dǎo)體產(chǎn)品的典型數(shù)值約為500個(gè)百萬小時(shí)MTBF,即便是一線大廠的石英振蕩器產(chǎn)品,其MTBF值也僅僅是30百萬小時(shí)。

MEMS振蕩器封裝技術(shù)優(yōu)勢(shì)

經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的晶圓減薄以及晶圓切片,MEMS諧振器以及CMOS倍頻驅(qū)動(dòng)芯片被塑模封裝到標(biāo)準(zhǔn)芯片塑料封裝之中。廠商會(huì)使用穩(wěn)定性高、低引線電感以及高熱性能的QFN塑料注塑成型的封裝工藝,因此也具備高穩(wěn)定性、低成本、以及彈性焊盤設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn),產(chǎn)品封裝也需滿足潮氣敏感等級(jí)1的標(biāo)準(zhǔn)(Moisture Sensitivity Level 1;MSL/1),滿足無限期儲(chǔ)存、無須任何干濕度條件限制的環(huán)境。這些封裝產(chǎn)品可替代石英振蕩器,并直接置入原來PCB電路板上為石英振蕩器所設(shè)計(jì)的焊盤位置。另外,這些不同封裝組件的厚度也從0.75~0.90mm不等。

由于MEMS諧振器較所有石英晶體更薄,因此廠商得以利用相關(guān)技術(shù)制造厚度僅達(dá)0.25mm的精準(zhǔn)振蕩器。高度整合MEMS技術(shù)、低功耗電路設(shè)計(jì)和電路模塊,超小超薄封裝的MEMS振蕩器對(duì)于可攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特具吸引力,其可編程功能更可滿足消費(fèi)電子產(chǎn)品快速開發(fā)周期、短期內(nèi)大量交貨的發(fā)展特性。


                          
                         圖3 超薄MEMS振蕩器與一般石英振蕩器的厚度比較示意圖
MEMS振蕩器種類

高效能振蕩器

MEMS振蕩器用一個(gè)塑料封裝整合了MEMS諧振器以及一個(gè)諧振倍頻電路。這樣的振蕩器可用在任何使用傳統(tǒng)石英振蕩器的應(yīng)用電路之中,包括PCI-Express、SATA、SAS、PCI、USB、Gigabit Ethernet、MPEG Video、Cable Modem等領(lǐng)域。

低功耗振蕩器

手持式產(chǎn)品應(yīng)用一般在設(shè)計(jì)上需要考慮低功耗、快速啟動(dòng)以及微型化尺寸等。 MEMS振蕩器整合使用硅晶元來設(shè)計(jì)的MEMS諧振器以及對(duì)應(yīng)的諧振倍頻芯片,可滿足相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。這類產(chǎn)品會(huì)是大部分需要依賴電池供電的手持式裝置 的最佳選擇方案,能夠在睡眠模式和全功能工作模式之間迅速切換。
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薄型振蕩器

薄型振蕩器可應(yīng)用在諸如如HC-SIM(High-Capacity SIM)卡、智能卡、SIP模塊、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)以及其它手持式裝置內(nèi)。一般SIM卡的厚度約為0.76mm,約相當(dāng)于典型石英晶體振蕩器的厚度,這會(huì)限制傳統(tǒng)石英振蕩器無法應(yīng)用于該類產(chǎn)品。相對(duì)于石英振蕩器,厚度僅達(dá)0.25mm的薄型振蕩器,提供足夠的產(chǎn)品封裝以及其它材料如基板等所需空間,完全符合該類產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需,可參閱圖3所示。

展頻振蕩器

任何電子產(chǎn)品都需要通過EMI測(cè)試,例如FCC Class A或Class B,以確保產(chǎn)品不會(huì)因?yàn)殡姶泡椛涓蓴_其它室內(nèi)或辦公室內(nèi)的電子產(chǎn)品。一般而言通常是在產(chǎn)品開發(fā)階段完成后進(jìn)入量產(chǎn)階段前,進(jìn)行EMI測(cè)試。改善EMI問題的方式是修改電路板的布板方式,或者使用外蓋屏閉,二者的時(shí)間成本或材料成本均耗費(fèi)不貲。

另一種可行解決方案是使用展頻振蕩器(Spread Spectrum Oscillator),來降低系統(tǒng)輻射出來的EMI電磁輻射干擾。圖4則顯示一個(gè)單頻信號(hào)的頻譜圖以及對(duì)該信號(hào)展頻后的頻譜圖。從圖中可知展頻后的頻率信號(hào)如何降低原來在接近100MHz的峰值。

圖4 單一頻率頻率與展頻后頻率的頻譜分析比較圖。圖中顯示,展頻后的頻率信號(hào)頻譜較原來單頻信號(hào)有較低的平均功率,因此可降低系統(tǒng)電磁輻射干擾
                           
廠商在設(shè)計(jì)展頻振蕩器時(shí),將焊盤設(shè)計(jì)完全兼容一般標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的焊盤設(shè)計(jì)。這樣的考慮使得設(shè)計(jì)人員得以在設(shè)計(jì)初期階段使用一般標(biāo)準(zhǔn)振蕩器;而在設(shè)計(jì)完成階段,如需利用展頻技巧通過EMI測(cè)試,則可選擇展頻振蕩器直接置入原PCB布板設(shè)計(jì)之振蕩器焊盤位置,無須更改任何線路,可節(jié)省工程設(shè)計(jì)時(shí)間和成本,縮短上市時(shí)程。

頻率(頻率)產(chǎn)生器

頻率產(chǎn)生器是將多個(gè)振蕩器置入單一封裝的組件。對(duì)于需要多組頻率頻率信號(hào)的復(fù)雜系統(tǒng)非常有效。廠商設(shè)計(jì)包括有多個(gè)CMOS輸出以及多個(gè)差分輸出的頻率產(chǎn)生器,內(nèi)建獨(dú)立且無倍頻關(guān)系的頻率信號(hào)輸出設(shè)計(jì),亦可分別控制是否輸出,以及不同工作電壓之設(shè)計(jì)。

簡單、可靠具成本效率的MEMS技術(shù)

MEMS振蕩器已進(jìn)入量產(chǎn)階段,并已出貨超過數(shù)百萬顆產(chǎn)品,這些振蕩器具備易用、焊盤結(jié)構(gòu)、功能兼容的優(yōu)點(diǎn),可直接取代舊式生產(chǎn)的石英組件。提供更小、更薄的MEMS振蕩器應(yīng)用在手持式裝置內(nèi),一直是廠商設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)。MEMS技術(shù)也正在藉由各種方式,對(duì)傳統(tǒng)石英產(chǎn)業(yè)進(jìn)行“硅化工程”。
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