中心議題：

• MEMS振蕩器內部設計
• 如何制造MEMS諧振器
• MEMS諧振器微型工藝封裝技術大要
• 可編程架構的全硅MEMS振蕩器特性
  

參考頻率信號系統(tǒng)設計

 

頻率信號對于所有電子產品就像是心跳對所有動物的生命一般重要，所有電子電路的動作都以此重復性且穩(wěn)定的頻率信號作為參考信號源。設計優(yōu)良的頻率信號，幾乎是系統(tǒng)是否能夠達到高效能、持續(xù)性穩(wěn)定工作的重要基礎。一般而言，系統(tǒng)設計的參考頻率信號可由不同的頻率組件來產生，如諧振器（Resonator）、振蕩器（Oscillator）以及頻率產生器（Clock Generator），不同的系統(tǒng)設計會根據(jù)不同的設計考慮，選擇不同的組件來提供參考頻率。

 

諧振器是利用機械震動原理，加上一個外部諧振電路來產生周期性振蕩信號，一般該諧振電路會被整合在芯片之中。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。而頻率產生器則是較為復雜的頻率信號輸出組件，一般此類組件需要一個外部參考諧振器，內部則整合一個或多個鎖相環(huán)（Phase Lock Loop；PLL），來產生一個或數(shù)個參考頻率輸出的信號。

 

對于所有的系統(tǒng)設計而言，無論使用何種頻率組件作為電路設計時的參考信號，均需要一個穩(wěn)定且質量良好的周期信號，包括良好的波形、duty cycle、較短的爬升時間及下降時間（rising time & falling time）、以及準確重復性的邊緣時間。

 

 

 

先前絕大部分的電子產品依靠石英晶體來提供可靠穩(wěn)定的頻率信號，不過近幾年由于MEMS技術設計制造的電子零件，在許多應用領域不斷提供電子產品創(chuàng)新且質優(yōu)的設計，其中包括MEMS諧振器零件在許多應用開始取代石英晶體：例如所謂MEMS振蕩器內部所采用的諧振器，即是使用毫米級大小的MEMS諧振器，作為Mega Hertz級別的振蕩源。

 

 

除了創(chuàng)新諧振器的MEMS技術，振蕩器內部的振蕩電路設計亦開始進行中。傳統(tǒng)石英振蕩器內部的振蕩電路，其輸出頻率一般與石英設計切割的頻率相同，因此電路設計上僅僅采用單純的諧振放大電路或者驅動電路。

 

在MEMS振蕩器內部，采用嶄新的設計概念及線路設計，使得MEMS振蕩器提供更多可設定的變動頻率參數(shù)，在出貨前通過量產程序設定不同參數(shù)，可提供不同應用領域的特殊需要。MEMS振蕩器已在許多應用領域包括計算機周邊相關產品、消費電子、網(wǎng)通設備、通訊裝置、車用電子、以及工業(yè)產品等，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。

 

這樣的設計，簡化了目前石英振蕩器的冗長供應鏈，縮短廠商的交貨期，同時能讓使用同一電路設計的零件，滿足不同應用設計的需要，進一步協(xié)助系統(tǒng)廠商達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。

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圖1為MEMS振蕩器的透視圖。以SiTime的MEMS振蕩器為例，其是由兩個芯片堆棧起來，下方是CMOS PLL驅動芯片，上方則是MEMS諧振器，以標準QFN IC封裝方式完成。封裝尺寸以及焊接管腳與傳統(tǒng)標準石英振蕩器的腳位完全兼容，可直接替代原來石英產品，無須更動任何設計。MEMS振蕩器在許多方面都超越石英振蕩器產品，包括全自動化生產過程、穩(wěn)定交貨期、穩(wěn)定的產品質量、以及近期和長期的成本優(yōu)勢等。

 
 

圖1 全硅MEMS振蕩器透視圖

 

 

有些廠商是用CMOS半導體代工廠的標準設備以及材料制造全硅MEMS諧振器。由于無須CMOS半導體廠的額外設備制及工藝投資，這可提升CMOS產業(yè)利用既有設備生產更多產品的經(jīng)濟利基。另外MEMS振蕩器封裝方式亦使用目前半導體封裝廠通用設備以及標準IC后制封裝流程。

 

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），生成一諧振結構。這些諧振結構體在震動時，以水平方向在硅晶面上震動。

 

圖2a　從晶圓表面開始蝕刻進入到氧化絕緣層產生的諧振器以及電極示意圖

 

如圖2b所示，震動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孔將氧化物取出后形成諧振體。

 

圖2b　氧化物層以及硅質排氣層形成后，制造氣孔以排放諧振器內部電極間距空間內的氣體形成真空

 

然后硅晶圓被置入1000oC的epitaxial反應爐內去除雜質，并密封之前所蝕刻的小細孔，以及通過長晶生成較厚的硅晶和一層多晶硅電容層。這個高溫工藝對諧振體而言也是一個退火（anneal）的過程，讓諧振體表面達到光滑的程度，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構非常堅硬，可承受接下來超過100個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用向外長晶的硅質層之下

 

圖2d則說明如何在多晶硅層上生成一導電接點，來連接至內部諧振器的驅動感應電極。而后進行鋁質導電層（Aluminum Layer）長晶過程、完成導線（metal trace）以及打線接點生成工藝，并被覆蓋上一層非導電材質鈍化層后（passivation layer），完成整個硅晶圓的生產。

 

圖2d 在硅質層上蝕刻一過孔，并通過鋁線及打線接點，將諧振器連接至CMOS驅動電路

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MEMS諧振器比一般石英晶體要小非常多。標準的硅工藝可輕易制造達微米級的產品。一個完成的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計，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工藝技術的微型化演進，MEMS諧振器在同一半導體代工廠，亦可持續(xù)使用先進的工藝技術來增進效能。廠商的諧振器目前利用次微米（sub-micron）電極間距，未來新一代更精細的工藝將可進一步縮小電極間距。此工藝演進可進一步改善諧振器輸出的信號噪聲比（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，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、應力敏感度較大、以及頻率范圍更受局限等缺點。

 

利用標準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，當石英晶體切割越小則越難設計及制造，良率也越來越低，成本也會越來越高。因此當大部分電子產品設計都趨向微型化的同時，石英將越來越無法展現(xiàn)應有效能，全硅MEMS諧振器將取而代之。

 

 

 

早期石英振蕩器半導體產品工藝極貴，設計趨向單純化，通過外部一些晶體管電路設計，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，因此諧振器電路自然被排除在其它半導體電子電路之中。

 

振蕩器是根據(jù)一些在電子應用產品中的常用頻率來設計、制造并生產。不過更多的振蕩器是制造廠商為因應系統(tǒng)客戶不斷根據(jù)新的應用需求和應用平臺而生產。由于振蕩器的規(guī)格繁雜，包括不同的頻率、工作電壓、精準度、封裝尺寸的要求，使得產品料號的復雜度以及數(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，因為每一種頻率的石英振蕩器，都是根據(jù)內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品交付期限。

 

 

MEMS振蕩器則與傳統(tǒng)石英產品不同。無論輸出頻率為何，MEMS振蕩器均使用同一個MEMS諧振器。輸出頻率并不是使用不同的MEMS諧振器來達成頻率的變化，而是根據(jù)編程并儲存在內部非揮發(fā)性內存（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。

 

這樣的設計方式，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、約在2～3周而無須3～4個月，便可取得所需的頻率組件。此外提供給工程設計人員 的樣品，則可通過可攜式編程器立即直接編寫提供，或由產線在一天之內提供給全球工程人員滿足其設計需求。

 

 

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

 

 

集成電路的穩(wěn)定性一般是用平均無故障時間（Mean Time Between Failure；MTBF）作為衡量標準，該標準的衡量單位為小時，數(shù)字越高表示產品越可靠。一般半導體產品的典型數(shù)值約為500個百萬小時MTBF，即便是一線大廠的石英振蕩器產品，其MTBF值也僅僅是30百萬小時。

 

 

經(jīng)過標準的晶圓減薄以及晶圓切片，MEMS諧振器以及CMOS倍頻驅動芯片被塑模封裝到標準芯片塑料封裝之中。廠商會使用穩(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、以及彈性焊盤設計的優(yōu)點，產品封裝也需滿足潮氣敏感等級1的標準（Moisture Sensitivity Level 1；MSL/1），滿足無限期儲存、無須任何干濕度條件限制的環(huán)境。這些封裝產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計的焊盤位置。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技術制造厚度僅達0.25mm的精準振蕩器。高度整合MEMS技術、低功耗電路設計和電路模塊，超小超薄封裝的MEMS振蕩器對于可攜式產品的設計特具吸引力，其可編程功能更可滿足消費電子產品快速開發(fā)周期、短期內大量交貨的發(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

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

 

 

手持式產品應用一般在設計上需要考慮低功耗、快速啟動以及微型化尺寸等。 MEMS振蕩器整合使用硅晶元來設計的MEMS諧振器以及對應的諧振倍頻芯片，可滿足相關產品設計需求。這類產品會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。

 

 

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

 

 

任何電子產品都需要通過EMI測試，例如FCC Class A或Class B，以確保產品不會因為電磁輻射干擾其它室內或辦公室內的電子產品。一般而言通常是在產品開發(fā)階段完成后進入量產階段前，進行EMI測試。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，二者的時間成本或材料成本均耗費不貲。

 

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則顯示一個單頻信號的頻譜圖以及對該信號展頻后的頻譜圖。從圖中可知展頻后的頻率信號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，展頻后的頻率信號頻譜較原來單頻信號有較低的平均功率，因此可降低系統(tǒng)電磁輻射干擾

 

廠商在設計展頻振蕩器時，將焊盤設計完全兼容一般標準振蕩器的焊盤設計。這樣的考慮使得設計人員得以在設計初期階段使用一般標準振蕩器；而在設計完成階段，如需利用展頻技巧通過EMI測試，則可選擇展頻振蕩器直接置入原PCB布板設計之振蕩器焊盤位置，無須更改任何線路，可節(jié)省工程設計時間和成本，縮短上市時程。

 

 

頻率產生器是將多個振蕩器置入單一封裝的組件。對于需要多組頻率頻率信號的復雜系統(tǒng)非常有效。廠商設計包括有多個CMOS輸出以及多個差分輸出的頻率產生器，內建獨立且無倍頻關系的頻率信號輸出設計，亦可分別控制是否輸出，以及不同工作電壓之設計。

 

 

MEMS振蕩器已進入量產階段，并已出貨超過數(shù)百萬顆產品，這些振蕩器具備易用、焊盤結構、功能兼容的優(yōu)點，可直接取代舊式生產的石英組件。提供更小、更薄的MEMS振蕩器應用在手持式裝置內，一直是廠商設計關注的焦點。MEMS技術也正在藉由各種方式，對傳統(tǒng)石英產業(yè)進行“硅化工程”。