耐沖擊與震動(dòng)表現(xiàn)出色　MEMS頻率可靠度躍進(jìn)

以石英芯片為基礎(chǔ)的振蕩器、頻率產(chǎn)生器及諧振器等，一直是電子產(chǎn)品中主要的時(shí)鐘參考組件，由于沒(méi)有替代品，所有原始設(shè)備制造商(OEM)和原始設(shè)計(jì)自造商(ODM)均須接受石英產(chǎn)品的局限性。然而，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)進(jìn)入到時(shí)鐘產(chǎn)品后，這些利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的組件已提供許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正加速取代傳統(tǒng)石英組件。

力壓傳統(tǒng)石英組件MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品效能吸睛

目前已有上千家廠商在各種應(yīng)用領(lǐng)域使用MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品，其中以網(wǎng)通、消費(fèi)性電子、PC相關(guān)及儲(chǔ)存裝置為大宗；產(chǎn)品方面包括服務(wù)器、被動(dòng)光纖網(wǎng)絡(luò)(PON)的光纖網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)及光纖線路終端(OLT)、固態(tài)硬盤(SSD)、磁盤陣列(RAID)、主總線變壓器(Host Bus Adapter, HBA)、數(shù)字相機(jī)(DSC)、平板裝置和電子書等。

平板、電子書制造商屬于早期采用MEMS振蕩器的用戶，藉以提高規(guī)格彈性、降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)也受益于MEMS組件較短的交期，加速產(chǎn)品上市。由于MEMS振蕩器效能近期已達(dá)到三級(jí)鐘(Stratum 3)等級(jí)，MEMS時(shí)鐘組件的應(yīng)用，將開始拓展至電信、無(wú)線及高階工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

硅半導(dǎo)體MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品不僅具備功能優(yōu)勢(shì)，供應(yīng)鏈也較傳統(tǒng)石英產(chǎn)業(yè)健全。不同于石英元器件，MEMS時(shí)鐘組件不需特殊封裝技術(shù)，可使用成本低廉，且廣泛運(yùn)用于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體組件的塑料封裝。另外，MEMS諧振器在半導(dǎo)體晶圓代工廠生產(chǎn)制造，擁有高質(zhì)量、高穩(wěn)定性及大量生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，交貨時(shí)間也較短。

根據(jù)摩爾定律(Moore’s Law)，MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品可依循一般半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的軌跡，持續(xù)改善性能。舉例而言，晶圓代工廠利用奈米(nm)級(jí)制程的MEMS諧振器，將做得更小、更好，由于硅MEMS諧振器具有亞微米級(jí)(Sub-Micron)的電極間距，隨著每個(gè)制程世代演進(jìn)到更小的幾何尺寸時(shí)，將大幅提高訊噪比(SNR)。

相反的，石英晶體諧振器做得愈小，質(zhì)量因子(Q Factor)值愈低，效能和相位噪聲也愈差，甚至?xí)斐蓱?yīng)力性能降低，更嚴(yán)重的活性下降(Activity Dips)效應(yīng)(頻率相對(duì)溫度不連續(xù)性的特性)，以及更受局限的頻率范圍。此外，隨著石英晶體被切割得愈薄愈小，亦將影響良率，導(dǎo)致制造成本上揚(yáng)。

改善相位噪聲與抖動(dòng)MEMS振蕩器威力升級(jí)

振蕩器對(duì)日益復(fù)雜的電子系統(tǒng)效能將帶來(lái)關(guān)鍵性的影響，主要跟振蕩器性能相關(guān)的規(guī)格有頻率穩(wěn)定性、抖動(dòng)及相位噪聲。在頻率穩(wěn)定性方面，典型石英振蕩器僅能提供20?100ppm的規(guī)格，而MEMS組件則帶來(lái)更好的ppm值，目前已量產(chǎn)MEMS溫度補(bǔ)償振蕩器(TCXO)的SiTime，已達(dá)成10?50ppm的頻率穩(wěn)定性。

此外，MEMS振蕩器均內(nèi)建溫度補(bǔ)償功能，即使處在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，也能呈現(xiàn)非常出色的頻率穩(wěn)定性，滿足高階應(yīng)用所需。這些頻率穩(wěn)定性的比較，包含因溫度變化、電壓變化、制程偏差及焊接過(guò)程所造成的所有頻率偏差。

相位噪聲系另一個(gè)影響系統(tǒng)性能非常重要的指針。串行通訊應(yīng)用如10Gigabit以太網(wǎng)絡(luò)(10GbE)、串行式先進(jìn)附加接口(SATA)、SAS、光纖、PCIe及通用序列總線(USB)等，都有針對(duì)所使用的12K?20MHz范圍載波，設(shè)定均方根值(RMS)相位抖動(dòng)規(guī)格要求。無(wú)線或全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)等應(yīng)用，則相較應(yīng)用載波低于10KHz以下的近端相位噪聲(Close-in Phase Noise)有嚴(yán)格要求。

MEMS振蕩器在過(guò)去3年針對(duì)相位噪聲及相位抖動(dòng)已有巨幅改善。最新MEMS振蕩器已可提供典型RMS相位抖動(dòng)達(dá)到500飛秒(fs)及12K?20MHz間最大抖動(dòng)值小于1皮秒(圖1)。

圖1最新MEMS振蕩器相位噪聲圖

減輕環(huán)境影響MEMS振蕩器可靠又穩(wěn)定

由于電子系統(tǒng)須仰賴時(shí)鐘訊號(hào)才得以穩(wěn)定工作，因此時(shí)鐘組件須在不同的條件跟環(huán)境中均達(dá)成一致的可靠性。然而，時(shí)鐘組件在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下所測(cè)試的結(jié)果不意味能百分百適用于實(shí)際工作狀況中，根據(jù)供貨商提供的產(chǎn)品規(guī)格，一些時(shí)鐘組件將無(wú)法持續(xù)滿足可靠性需求。

部分零件對(duì)于外來(lái)的電磁耐受性(EMS)、電源噪聲(PSRR)、機(jī)械震動(dòng)及撞擊等外在環(huán)境因素的干擾較為敏感。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的MEMS諧振器加上先進(jìn)模擬設(shè)計(jì)電路，能使MEMS振蕩器在許多外在環(huán)境干擾存在時(shí)，依然能夠保持高效能、高可靠性的表現(xiàn)。這是另一個(gè)系統(tǒng)廠商持續(xù)并不斷擴(kuò)大使用MEMS時(shí)鐘組件的原因。

由于外在環(huán)境因素對(duì)頻率穩(wěn)定性及相位抖動(dòng)影響重大，包括暴露在不同溫度、電源、負(fù)載及老化等環(huán)境影響因子下，一個(gè)精準(zhǔn)振蕩器的頻率穩(wěn)定性將隨著時(shí)間而改變。一些石英組件對(duì)這些影響因子尤其敏感，導(dǎo)致穩(wěn)定性、抖動(dòng)及相位噪聲嚴(yán)重惡化。

另一方面，外部設(shè)備或電路產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)噪聲，亦將加重頻率訊號(hào)抖動(dòng)和噪聲耦合現(xiàn)象。圖2顯示，當(dāng)不同的振蕩器暴露在EMI干擾環(huán)境中工作時(shí)，所產(chǎn)生的相位噪聲噪聲，此一測(cè)試可用來(lái)說(shuō)明金屬上蓋封裝的石英產(chǎn)品，由于其金屬上蓋并沒(méi)有實(shí)際接地，故無(wú)法提供任何EMS防護(hù)。而當(dāng)中表現(xiàn)最好的MEMS振蕩器，使用所謂In-plane Bulk Mode MEMS諧振器。

圖2外在EMI對(duì)MEMS、石英、SAW等振蕩器相位噪聲噪聲的影響

圖3是一個(gè)MEMS振蕩器跟SAW振蕩器對(duì)輸入不同頻率噪聲時(shí)，累計(jì)的相位抖動(dòng)對(duì)比數(shù)值。幾乎在所有測(cè)試的噪聲頻率中，MEMS振蕩器均明顯測(cè)出較低的抖動(dòng)數(shù)值。較低的抖動(dòng)數(shù)值系由于MEMS振蕩器內(nèi)部供電及偏壓電路，隔絕由供電電源導(dǎo)致的噪聲。

圖3 MEMS振蕩器(2號(hào)線)及SAW振蕩器(1號(hào)線)在供電電源上，面對(duì)50mV弦波噪聲時(shí)相位抖動(dòng)數(shù)值的比較。