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(shù)大要
• 可編程架構的全硅MEMS振蕩器特性
  

參考頻率信號系統設計

 

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

 

諧振器是利用機械震動(dòng)原理，加上一個(gè)外部諧振電路來(lái)產(chǎn)生周期性振蕩信號，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。而頻率產(chǎn)生器則是較為復雜的頻率信號輸出組件，一般此類(lèi)組件需要一個(gè)外部參考諧振器，內部則整合一個(gè)或多個(gè)鎖相環(huán)（Phase Lock Loop；PLL），來(lái)產(chǎn)生一個(gè)或數個(gè)參考頻率輸出的信號。

 

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

 

 

 

先前絕大部分的電子產(chǎn)品依靠石英晶體來(lái)提供可靠穩定的頻率信號，不過(guò)近幾年由于MEMS技術(shù)設計制造的電子零件，在許多應用領(lǐng)域不斷提供電子產(chǎn)品創(chuàng )新且質(zhì)優(yōu)的設計，其中包括MEMS諧振器零件在許多應用開(kāi)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(shù)，振蕩器內部的振蕩電路設計亦開(kāi)始進(jìn)行中。傳統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(dòng)電路。

 

在MEMS振蕩器內部，采用嶄新的設計概念及線(xiàn)路設計，使得MEMS振蕩器提供更多可設定的變動(dòng)頻率參數，在出貨前通過(guò)量產(chǎn)程序設定不同參數，可提供不同應用領(lǐng)域的特殊需要。MEMS振蕩器已在許多應用領(lǐng)域包括計算機周邊相關(guān)產(chǎn)品、消費電子、網(wǎng)通設備、通訊裝置、車(chē)用電子、以及工業(yè)產(chǎn)品等，開(kāi)始逐漸取代傳統固定頻率或可編程輸出的石英振蕩器。

 

這樣的設計，簡(jiǎn)化了目前石英振蕩器的冗長(cháng)供應鏈，縮短廠(chǎng)商的交貨期，同時(shí)能讓使用同一電路設計的零件，滿(mǎn)足不同應用設計的需要，進(jìn)一步協(xié)助系統廠(chǎng)商達到不同頻率不同參數的振蕩器一站式采購（One Stop Shopping）的目標。

[page]

 

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(lái)，下方是CMOS PLL驅動(dòng)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標準石英振蕩器的腳位完全兼容，可直接替代原來(lái)石英產(chǎn)品，無(wú)須更動(dòng)任何設計。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(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程、穩定交貨期、穩定的產(chǎn)品質(zhì)量、以及近期和長(cháng)期的成本優(yōu)勢等。

 
 

圖1 全硅MEMS振蕩器透視圖

 

 

有些廠(chǎng)商是用CMOS半導體代工廠(chǎng)的標準設備以及材料制造全硅MEMS諧振器。由于無(wú)須CMOS半導體廠(chǎng)的額外設備制及工藝投資，這可提升CMOS產(chǎn)業(yè)利用既有設備生產(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體封裝廠(chǎng)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(guò)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(dòng)時(shí)，以水平方向在硅晶面上震動(dòng)。

 

圖2a　從晶圓表面開(kāi)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(zhù)一層氧化層、硅晶層以及多晶硅層（Polysilicon），在多晶硅層以通過(guò)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(zhì)，并密封之前所蝕刻的小細孔，以及通過(guò)長(cháng)晶生成較厚的硅晶和一層多晶硅電容層。這個(gè)高溫工藝對諧振體而言也是一個(gè)退火（anneal）的過(guò)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(wú)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(lái)超過(guò)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用向外長(cháng)晶的硅質(zhì)層之下

 

圖2d則說(shuō)明如何在多晶硅層上生成一導電接點(diǎn)，來(lái)連接至內部諧振器的驅動(dòng)感應電極。而后進(jìn)行鋁質(zhì)導電層（Aluminum Layer）長(cháng)晶過(guò)程、完成導線(xiàn)（metal trace）以及打線(xiàn)接點(diǎn)生成工藝，并被覆蓋上一層非導電材質(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(guò)孔，并通過(guò)鋁線(xiàn)及打線(xiàn)接點(diǎn)，將諧振器連接至CMOS驅動(dòng)電路

[page]

 

 

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(gè)完成的MEMS諧振器大小約0.Xmm長(cháng)寬，相較于一般長(cháng)寬約數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(chǎng)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(zhù)CMOS工藝技術(shù)的微型化演進(jìn)，MEMS諧振器在同一半導體代工廠(chǎng)，亦可持續使用先進(jìn)的工藝技術(shù)來(lái)增進(jìn)效能。廠(chǎng)商的諧振器目前利用次微米（sub-micron）電極間距，未來(lái)新一代更精細的工藝將可進(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(diǎn)。

 

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(lái)越低，成本也會(huì )越來(lái)越高。因此當大部分電子產(chǎn)品設計都趨向微型化的同時(shí)，石英將越來(lái)越無(wú)法展現應有效能，全硅MEMS諧振器將取而代之。

 

 

 

早期石英振蕩器半導體產(chǎn)品工藝極貴，設計趨向單純化，通過(guò)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。

 

振蕩器是根據一些在電子應用產(chǎn)品中的常用頻率來(lái)設計、制造并生產(chǎn)。不過(guò)更多的振蕩器是制造廠(chǎng)商為因應系統客戶(hù)不斷根據新的應用需求和應用平臺而生產(chǎn)。由于振蕩器的規格繁雜，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)品料號的復雜度以及數量都非常繁雜。況且所有石英振蕩器廠(chǎng)商不可能備足庫存所有規格的振蕩器，因為每一種頻率的石英振蕩器，都是根據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(guò)程幾乎是所有振蕩器生產(chǎn)必須歷經(jīng)的第一步，也因此系統客戶(hù)必須容忍較長(cháng)的產(chǎn)品交付期限。

 

 

MEMS振蕩器則與傳統石英產(chǎn)品不同。無(wú)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(lái)達成頻率的變化，而是根據編程并儲存在內部非揮發(fā)性?xún)却妫∟on- Volatile Memory；NVM）的數值，與MEMS諧振器的輸出頻率相乘倍數后而決定。

 

這樣的設計方式，可快速地把庫存的MEMS振蕩器，按照客戶(hù)需要的電壓以及其它參數編程后，輸出客戶(hù)所需要的頻率。因此，客戶(hù)可在較短交貨期限內、約在2～3周而無(wú)須3～4個(gè)月，便可取得所需的頻率組件。此外提供給工程設計人員 的樣品，則可通過(guò)可攜式編程器立即直接編寫(xiě)提供，或由產(chǎn)線(xiàn)在一天之內提供給全球工程人員滿(mǎn)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(dòng)（jitter）特性的頻率信號，因此這類(lèi)振蕩器僅適合精準度無(wú)須太高的應用。MEMS振蕩器廠(chǎng)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(dòng)特性與一般石英振蕩器相較則更優(yōu)。

 

 

集成電路的穩定性一般是用平均無(wú)故障時(shí)間（Mean Time Between Failure；MTBF）作為衡量標準，該標準的衡量單位為小時(shí)，數字越高表示產(chǎn)品越可靠。一般半導體產(chǎn)品的典型數值約為500個(gè)百萬(wàn)小時(shí)MTBF，即便是一線(xiàn)大廠(chǎng)的石英振蕩器產(chǎn)品，其MTBF值也僅僅是30百萬(wàn)小時(shí)。

 

 

經(jīng)過(guò)標準的晶圓減薄以及晶圓切片，MEMS諧振器以及CMOS倍頻驅動(dòng)芯片被塑模封裝到標準芯片塑料封裝之中。廠(chǎng)商會(huì )使用穩定性高、低引線(xiàn)電感以及高熱性能的QFN塑料注塑成型的封裝工藝，因此也具備高穩定性、低成本、以及彈性焊盤(pán)設計的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品封裝也需滿(mǎn)足潮氣敏感等級1的標準（Moisture Sensitivity Level 1；MSL/1），滿(mǎn)足無(wú)限期儲存、無(wú)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(lái)PCB電路板上為石英振蕩器所設計的焊盤(pán)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(chǎng)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)品的設計特具吸引力，其可編程功能更可滿(mǎn)足消費電子產(chǎn)品快速開(kāi)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

[page]

 

 

 

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(lǐng)域。

 

 

手持式產(chǎn)品應用一般在設計上需要考慮低功耗、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(lái)設計的MEMS諧振器以及對應的諧振倍頻芯片，可滿(mǎn)足相關(guān)產(chǎn)品設計需求。這類(lèi)產(chǎn)品會(huì )是大部分需要依賴(lài)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(huì )限制傳統石英振蕩器無(wú)法應用于該類(lèi)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(lèi)產(chǎn)品設計所需，可參閱圖3所示。

 

 

任何電子產(chǎn)品都需要通過(guò)EMI測試，例如FCC Class A或Class B，以確保產(chǎn)品不會(huì )因為電磁輻射干擾其它室內或辦公室內的電子產(chǎn)品。一般而言通常是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段完成后進(jìn)入量產(chǎn)階段前，進(jìn)行EMI測試。改善EMI問(wèn)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不貲。

 

另一種可行解決方案是使用展頻振蕩器（Spread Spectrum Oscillator），來(lái)降低系統輻射出來(lái)的EMI電磁輻射干擾。圖4則顯示一個(gè)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(lái)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(lái)單頻信號有較低的平均功率，因此可降低系統電磁輻射干擾

 

廠(chǎng)商在設計展頻振蕩器時(shí)，將焊盤(pán)設計完全兼容一般標準振蕩器的焊盤(pán)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(guò)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(pán)位置，無(wú)須更改任何線(xiàn)路，可節省工程設計時(shí)間和成本，縮短上市時(shí)程。

 

 

頻率產(chǎn)生器是將多個(gè)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非常有效。廠(chǎng)商設計包括有多個(gè)CMOS輸出以及多個(gè)差分輸出的頻率產(chǎn)生器，內建獨立且無(wú)倍頻關(guān)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(jìn)入量產(chǎn)階段，并已出貨超過(guò)數百萬(wàn)顆產(chǎn)品，這些振蕩器具備易用、焊盤(pán)結構、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振蕩器應用在手持式裝置內，一直是廠(chǎng)商設計關(guān)注的焦點(diǎn)。MEMS技術(shù)也正在藉由各種方式，對傳統石英產(chǎn)業(yè)進(jìn)行“硅化工程”。