中心議題：

• MEMS振蕩器內(nèi)部設(shè)計
• 如何制造MEMS諧振器
• MEMS諧振器微型工藝封裝技術(shù)大要
• 可編程架構(gòu)的全硅MEMS振蕩器特性
  

參考頻率信號系統(tǒng)設(shè)計

 

頻率信號對于所有電子產(chǎn)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(fù)性且穩(wěn)定的頻率信號作為參考信號源。設(shè)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(chǔ)。一般而言，系統(tǒng)設(shè)計的參考頻率信號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)計會根據(jù)不同的設(shè)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(chǎn)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(chǎn)生器則是較為復(fù)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(nèi)部則整合一個或多個鎖相環(huán)（Phase Lock Loop；PLL），來產(chǎn)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(shè)計而言，無論使用何種頻率組件作為電路設(shè)計時的參考信號，均需要一個穩(wěn)定且質(zhì)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(fù)性的邊緣時間。

 

 

 

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，不過近幾年由于MEMS技術(shù)設(shè)計制造的電子零件，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，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(shù)，振蕩器內(nèi)部的振蕩電路設(shè)計亦開始進行中。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)計切割的頻率相同，因此電路設(shè)計上僅僅采用單純的諧振放大電路或者驅(qū)動電路。

 

在MEMS振蕩器內(nèi)部，采用嶄新的設(shè)計概念及線路設(shè)計，使得MEMS振蕩器提供更多可設(shè)定的變動頻率參數(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)域包括計算機周邊相關(guān)產(chǎn)品、消費電子、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，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，同時能讓使用同一電路設(shè)計的零件，滿足不同應(yīng)用設(shè)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(qū)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(chǎn)品，無須更動任何設(shè)計。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)勢等。

 
 

圖1 全硅MEMS振蕩器透視圖

 

 

有些廠商是用CMOS半導(dǎo)體代工廠的標準設(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(jié)構(gòu)。這些諧振結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(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(jié)構(gòu)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(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，來連接至內(nèi)部諧振器的驅(qū)動感應(yīng)電極。而后進行鋁質(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，將諧振器連接至CMOS驅(qū)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(chǎn)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(shè)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(shù)的微型化演進，MEMS諧振器在同一半導(dǎo)體代工廠，亦可持續(xù)使用先進的工藝技術(shù)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(yīng)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(shè)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(chǎn)品設(shè)計都趨向微型化的同時，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。

 

 

 

早期石英振蕩器半導(dǎo)體產(chǎn)品工藝極貴，設(shè)計趨向單純化，通過外部一些晶體管電路設(shè)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(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、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、精準度、封裝尺寸的要求，使得產(chǎn)品料號的復(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，因為每一種頻率的石英振蕩器，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(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個月，便可取得所需的頻率組件。此外提供給工程設(shè)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(chǎn)線在一天之內(nèi)提供給全球工程人員滿足其設(shè)計需求。

 

 

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。這樣的設(shè)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(yīng)用。MEMS振蕩器廠商在架構(gòu)設(shè)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(shè)計能夠?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(chǎn)品越可靠。一般半導(dǎo)體產(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(shè)計的優(yōu)點，產(chǎn)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(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0.25mm的精準振蕩器。高度整合MEMS技術(shù)、低功耗電路設(shè)計和電路模塊，超小超薄封裝的MEMS振蕩器對于可攜式產(chǎn)品的設(shè)計特具吸引力，其可編程功能更可滿足消費電子產(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

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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(yīng)用電路之中，包括PCI-Express、SATA、SAS、PCI、USB、Gigabit Ethernet、MPEG Video、Cable Modem等領(lǐng)域。

 

 

手持式產(chǎn)品應(yīng)用一般在設(shè)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(shè)計的MEMS諧振器以及對應(yīng)的諧振倍頻芯片，可滿足相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計需求。這類產(chǎn)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(yīng)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(nèi)。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(yīng)用于該類產(chǎn)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(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)計所需，可參閱圖3所示。

 

 

任何電子產(chǎn)品都需要通過EMI測試，例如FCC Class A或Class B，以確保產(chǎn)品不會因為電磁輻射干擾其它室內(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)階段完成后進入量產(chǎn)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(shè)計展頻振蕩器時，將焊盤設(shè)計完全兼容一般標準振蕩器的焊盤設(shè)計。這樣的考慮使得設(shè)計人員得以在設(shè)計初期階段使用一般標準振蕩器；而在設(shè)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(shè)計之振蕩器焊盤位置，無須更改任何線路，可節(jié)省工程設(shè)計時間和成本，縮短上市時程。

 

 

頻率產(chǎn)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(fù)雜系統(tǒng)非常有效。廠商設(shè)計包括有多個CMOS輸出以及多個差分輸出的頻率產(chǎn)生器，內(nèi)建獨立且無倍頻關(guān)系的頻率信號輸出設(shè)計，亦可分別控制是否輸出，以及不同工作電壓之設(shè)計。

 

 

MEMS振蕩器已進入量產(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，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)計關(guān)注的焦點。MEMS技術(shù)也正在藉由各種方式，對傳統(tǒng)石英產(chǎn)業(yè)進行“硅化工程”。