石英和可编程全硅MEMS振荡器大比拼(二)

2013-05-04 17:49:19来源: 互联网

全硅MEMS振荡器可编程规格组合

  传统石英振荡器的主要规格参数如输出频率、频率稳定性是由石英切割的形状、厚度及在加工过程中镀银老化等步骤来实现的。这也决定了石英一个频率、一个工作电压、一个频率稳定性对应一个料号的固定频率的商业模式。

  从图3也可看到,从技术角度,高频率的石英振荡器一般无法支持1.8V的工作电压,或25PPM的频率稳定性,因为压电石英的基本波振荡是限制在60MHz 以下。60MHz以上的频率则需利用3次,5次或7次倍频,再加上过滤电路来实现,造成有限的规格选择和居高不下的成本.

  图3 传统石英一般只支持常用固定品率和规格

  因此,石英的传统模式虽有简单明了的优点,但却缺乏了现代电子厂商在产品开发、供货周期和备货成本管理上所需要的灵活性。

  与石英相比,全硅MEMS振荡器是由MEMS谐振器和高性能模拟CMOS芯片组成的一个可编程的时钟平台,其主要规格参数都在设计时整合进了CMOS,利用内嵌的NVM(非易失性存储器)来实现振荡器参数即MEMS振荡器的实时配置。

  图4 全硅ME振荡器平台提供不同频率,电压和PPM的组合

  图4展示了SiTime 的SiT9102差分振荡器的灵活性,同一个基本料号可通过编程来实现不同参数规格组合。

  除图中所示,SiT9102还可通过编程方式达到民用级(0?C-70?C)、超民用级(-20?C-70?C)或工业级(-40?C-85?C)等不同工作温度,以及一般高频振荡器无法支持的10PPM频率稳定性。

  SiT9102高度的灵活性,使电子工程学在系统设计中不但无需再为振荡器规格不全而束缚,更可同过尝试不同规格,实现最佳组合,来提高系统整体性能和稳定性。

全硅MEMS振荡器按需供货,降低断货风险,压缩备货成本

  即时生产(Just-in-time-manufacturign)在电子业的普及也为系统厂商采购人员在供货链管理带来了巨大的压力。系统厂商永远希望或要求下游供应商长期保证足够纯货,以备急用。而下游供应商应利润压力,却会尽量减低库存,而这个压力,引复杂的生产工艺和垄断的原材料供货链,在石英产业特为显着。

  如图(5)显示,石英生产流程包括切割,渡银,封装,测试,老化等几十半自动步骤,一般需8-16周的生产周期。加上石英振荡器所需的基座和起振IC全部控制在二到三家日系供应商,决定了石英在无备货下至少8-16周供货期,且无应急供货的能力。

  对于石英厂商备货更是艰巨的任务,因为石英一个频率,一个料号的特性,使得石英厂商只能备常用料。一般来说,只有5%左右的常用料会在石英销售渠道中有长期备料。而对于系统厂商来说,因不同料号需求增减难测,经常出现急用料长期缺货,却又有大批不需要的死货,无形中增加成本,并影响公司销售。

  于石英相比,全硅MEMS振荡器,基于其可编程平台,以按需供货(Deliver-on-demand)的模式从根本上解决石英产业供货上的低效能。

  MEMS 振荡器厂商一般以”die bank”的方式预先积累MEMS和CMOS空白芯片的半成品。再通过用半成品标准芯片塑料封装,测试,编程和卷带包装出货,无论任何频率,任何工作电压,任何精度,任何封装的组合,整个MEMS振荡器供货期从收到客户订单到压缩到2-4周,

  全硅MEMS这种按需供货(Deliver-on-demand)的模式不仅仅缩短比石英小了四倍的供货期。 重要得是MEMS振荡器以空白芯片模式备货,可实时调整产品组合,满足客户无时无刻变化的需求,保证系统厂商生产物料供应无短缺风险。

  这种供货上的灵活性不但简化了系统厂商供应链的管理,也无形中减小了对备货资金的要求,为系统厂商减低总成本,提高利润做出贡献。

  图5 复杂的石英工艺

全硅MEMS振荡器的质量、可靠性和耐用性
  石英振荡器是一个石英晶体为主的机械振动结构,易碎,而且对外界环境敏感。很多因素会直接影响到石英的质量和可靠性。
  原因之一在于,石英面临一个被称作“活性下降(Activity Dip)”的问题,可能直接造成振荡器停振或输出频率偏差的现象。
  图7 Activity Dip 造成于温度有关的振荡器失效
  图 7为石英晶体具有的不同共振波模(resonant modes),其中某些共振波模会因外界温度变化而移动,但晶体主要共振波模又称基本共振波模(main or fundamental mode),靠设计及制造工艺来保持其不受温度影响。但作为振荡器成品,一旦受温度影响的共振波模与基本共振波模重叠,就会引起严重频率偏差,甚至完全停振。Activity Dip现象很难靠测试来筛选,这也是石英在可靠性和一致性方面比全硅MEMS产品较差的因素之一。
  除Activity Dip外,晶体要保持良好的频率稳定性与石英封装时用氮气密封质量好坏有直接关系。石英振荡器在运输、SMD上线,或系统正常运作过程中受震动或老化影响,一旦漏气,就会造成停振,导致整个系统失效。 所以石英漏气是石英振荡器最常见的质量问题之一。
  相比之下,全硅MEMS振荡器利用半导体标准制程和封装,以IC的方式产生输出信号。产品本身无需密封,在设计测试中也彻底排除了Activity Dip等问题,使之在不同外界环境(温度、湿度、震动等)中保持良好的频率性和质量上的一致性。
  组件的可靠性一般是用平均无故障时间(MTTF或MTBF)作为衡量标准,衡量单位为百万小时,数字越高表示产品越可靠。
  受石英材料工艺限制,目前一线石英大厂也只能达到3千万小时MTBF值。如表1所示,MEMS振荡器基于全硅架构,在MTBF指标上优于石英10多倍,这也使得振荡器不再是系统产品质量问题的焦点之一。
  表1 石英与全硅MEMS振荡器可靠性和抗震能力比较
  那MEMS振荡器超越石英30倍的抗震优势在应用上又有何价值呢?现代移动产品如电子书、固体硬盘(SSD)等,不但体积越来越小,更在朝超薄型发展。但这些移动产品,却恰恰有一个所谓的跌落测试(drop-test),来验证包括振荡器在内的产品整体可靠性和稳定性。
  对于石英来说,体积越小、厚度越薄,就越易破裂也越易出现频偏、精度降低的现象。跌落测试是石英振荡器难跨越的门槛,同时也给了MEMS振荡器大显身手的机会。MEMS在可靠性和抗震效应上的优势,使之不但成为移动产品中振荡器的理想选泽,更是军工、汽车、医疗、网络通信等高可靠性产品中的必用品。
  通过以上对比大家可以看到,全硅MEMS时钟产品取代石英已是既成的事实。接下来,如何加快采用全硅MEMS时钟技术的步伐?是否可以一料通用,减少需管理料号,减低管理成本?是否可利用全硅MEMS时钟产品的优异可靠性来提升系统产品的质量等等,都是值得我们思考的地方。
  全硅MEMS时脉产品的时代已经到来了
  全硅MEMS时脉产品的出现对石英在电子产品中已占据了60年的霸主地位起到了冲击。时脉组件,在电子组件产业全面“硅“化的过程中以是最后一个前沿(last frontier), 因为今天的电子产品中除振荡器,电阻,电容外以很少能找出非硅组件。如果说石英的技术经过60年发展已达到极限,那末全硅MEMS技术则应该说正在进如高速成长期,根据”moore’s law, 在今后5年内MEMS时脉产品会更小,更薄,更可靠,更耐用,更多的功能,更短的供货期和更灵活更快的克制化,其性价比也会将石英远远抛在后面。
  即然全硅MEMS时脉产品取代石英以是既成事实,那末研发和物料管理人员是否也应用更有创新的思维去评估这种更型换代的产品可对公司带来的价值?如果加快采用全硅MEMS时脉技术的步伐,是否可以一料通用,减少需管理料号,减低管理成本?是否可利用全硅MEMS时脉产品优异可靠性来提升系统产品的质量?这些都是值得思考的地方。

 

关键字:石英  可编程  全硅MEMS  振荡器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0504/article_18260.html
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