应用笔记

SiTime硅晶振产品介绍(一)

浏览:3241次  发布时间:2014-12-18 11:45:57

从美国科学家H.C.Nathanson 1967年提出MEMS振荡器概念,到2003年Dr.Aaron Patridge和Dr. Markus Lutz离开Bosch集资创建SiTime.并于2006年量产业界第一颗MEMS振荡器,到今天SiTime拥有11个MEMS频率产品系列和超过一千万颗的出货量。MEMS振荡器产业的发展成熟走过了40年慢长的道路,也凝聚了无数研究人员的心血。

一颗小小的MEMS振荡器,为什么会吸引那么多世界上一流VC的投资,及无数工程师和采购人员的关注?对于电子产品来说,不起眼的振荡器就是它的心脏。一个健康、稳定的心跳(振荡器所产生的频率信号),是一个电子系统能否达到高效能、持续性稳定工作的重要基础之一。振荡器的选择也就成为系统厂商在研发、量产过程中一个关键的考虑,直接影响产品的功能、质量和成本。

系统厂商,面对电子产业竞争激烈的局面,要想脱颖而出,必须不断缩短新产品开发周期,提升产品功能和质量,同时压缩成本。而消费市场,特别是移动便携产品如电子阅读器,微型投影手机等产品的热卖,对厂商提出了更高的要求:产品要小、薄又耐摔;货要随订随到,以满足消费者随时变化的喜好。市场对系统厂商的挑战,也就是下游包括振荡器在内的电子组件供货商在产品功能、质量、灵活性和所有权总成本上的新挑战。过去60年石英振荡器在电子系统和频率市场中始终占有着霸主的地位,但由于受其传统石英切割封装工艺的限制,及起振电路和基座市场垄断的局面,已无法进一步提高性价比,满足市场的新需求。这也为MEMS振荡器创造了无限商机,并使其成为MEMS运动传感器、MEMS显示和微投影机之外一个新的MEMS焦点。


Silicon Always Wins

MEMS振荡器从基本工艺、组件设计结构上超越了传统石英产品
石英厂商所做的工作一般包括为石英切割镀银,与日系供货商购买基座、起振芯片,将石英及芯片以特殊黏胶结合后置于基座上,然后充填氮气,用金属封装进行密封。而不同频率,不同工作电压的振荡器,则是石英的不同形状,镀银厚度及所佩的起振芯片决定的。对于石英厂商,只石英切割根据所需指针(频率、精度、抖动等)就有BT、AT、ST等数种不同方式,整个振荡器加工要经过几十道繁复工序,且需大量人工参与量产制造、质量管理。所以从生产工艺角度,石英产业是一个人工密集、半自动化的传统产业,其产品种类,质量和产能都受到各家石英工厂人员素质和企业资金的限制。

从组件结构来看,石英振荡器是以石英材料为主导的产品。石英作为一种原材料,具有易碎、怕摔老化的弱点,造成运货过程中有到货不良、SMT打料损耗,长期使用精确度降低等不可避免的问题。而石英切割后镀银,必须加以密封避免氧化,才能保证振荡器频率的准确性。如因封装工艺缺陷,生产管理松懈或系统厂商出货后产品受震动而产生漏气,更会使得振荡器内部材料氧化,导致振荡器出现频偏,甚至停振的严重问题。


SiTime MEMS振荡器透视图

与传统石英振荡器截然不同,MEMS振荡器采用了全硅的产品结构。如图所示SiTime MEMS振荡器是由两个芯片堆栈起来的,下方是Analog CMOS PLL驱动芯片,上方则是MEMS谐振器;并以表彰QFNIC封装方式完成。封装尺寸以及焊接管脚与传统标准石英振荡器的脚位完全兼容,可以直接替代原来的石英产品,无须做任何设计更动。而从性能参数来说,MEMS振荡器因拥有OTP(0ne-Time-Programming)内存,可以程序设计的方式,产生各种频率、工作电压、精确度等的组合,具有石英振荡器无法匹配的灵活性。

全硅的产品结构代表着MEMS振荡器生产采用全自动化标准半导体芯片制造流程,如今日所有电子产品中使用的IC一般,不易在生产过程中受人为失误影响,具有众所周知的优良质量和稳定性。而全硅MEMS芯片抗震、无老化和不受环境(湿度、氧化等)影响的特性,使MEMS振荡器能采用稳定性高、低引线电感以及高热性能的QFN塑料注塑成型的封装制程,无需任何密封,从根本上解决了传统石英因漏气而引起的质量问题。

应该说,MEMS振荡器不管从生产工艺还是组件设计结构都更符合现代电子产品的标准,也是对传统石英产品的升级替换。(请继续查看连载二)



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