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北京晶圆智圆真智科技有限公司 免费客服电话： 400-888-2483 SITIME 全硅MEMS 震荡器简介 （替代石英晶振） 如果说很多人把MCU 或SoC 主芯片比喻为现代电子系统的大脑，那么时钟组件当之无愧 是其心脏。无论是电子工程师还是元器件采购者，在选择时钟组件时都会经过全面严谨的评 估。因为一颗健康、稳定、持久的“心脏” ，将直接影响到电子系统的功能和可靠性。 时钟组件可分为无源晶振、有源晶振和多输出时钟发生器三大类产品。在过去60 年中，石 英作为时钟市场的主流技术，一直占据着霸主地位。但由于其受到传统制造工艺的限制以及 下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断，因此性价比无法进一步提升。为了满足电子市场 对元器件提出的更小、更可靠、更灵活的需求，时钟组件必须走上全面硅化的道路。这篇文 章将主要介绍全硅MEMS 振荡器和传统石英的区别，以及全硅 IC 技术所解决的问题。 石英和全硅MEMS 时钟振荡器简介 传统的石英振荡器是由压电石英加上简单的起振芯片和金属封装组成的，其生产工艺包括： 石英切割镀银、购买基座、起振芯片，以及将石英及芯片以特殊黏胶结合后至于基座上，然 后充填氮气，用金属封装进行密封。而不同频率、不同工作电压振荡器的产生，则是由石英 的不同形状、镀银厚度及所佩的起振芯片所决定。所以，从生产工艺角度，石英产业是一个 人工密集型的半自动化传统产业，其产品也受到传统原材料和工艺的限制： 1. 复杂的生产程序导致供货期的拖长及缺货应急困难的现象； 2. 不同振荡器规格需不同原料不同工艺，从而使成品缺乏灵活性，无法为满足不同应用而 进行实时配置； 3. 压电石英对温度敏感度高的特性，造成石英振荡器的温飘烦恼； 4. 石英易碎怕摔老化的弱点需靠生产工艺和质量管理来解决，缺乏质量和长期可靠性的一 致性。 电子系统厂商为求从根本上解决石英的内在弱点，因此在时钟组件的选料上开始转向全硅 MEMS 振荡器。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，有一 个全硅MEMS 谐振器和一个可编程Analog CMOS 驱动芯片堆栈，并以标准QFN IC 封装 方式完成。图 1 为SITIME MEMS 振荡器透视图。 1 / 9 北京晶圆智圆真智科技有限公司 免费客服电话： 400-888-2483 图 1 全硅MEMS 振荡器展示图 与传统石英相比，全硅MEMS 振荡器不管从生产工艺还是组件设计结构上，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换代。 * 高性能模拟温补技术使全硅MEMS 振荡器具有优秀的全温频率稳定性，彻底解除温飘问 题； * 可编程的平台为系统设计和缩短新产品开发周期提供必要的灵活性； * 完善的半导体生产链可让全硅MEMS 供货期全面缩短，并提升需求应急的能力； * 全自动生产的 IC 结构在质量和可靠性方面有无可置疑的优良的一致性。 全硅MEMS 振荡器的全温性能优势 频率稳定性，特别是在不同温度下的稳定性，是电子工程师在选择振荡器时考虑的主要参数 之一。因为每一个设计，都需要保证系统在整个工作温度范围内正常运作。而温飘(频率随 温度而显著变化的现象)则是传统石英产品的弱点，难以单纯从制造上克服。图2 是石英和 全硅MEMS 振荡器在频率稳定性方面的比较。 2 / 9 北京晶圆智圆真智科技有限公司 免费客服电话： 400-888-2483 图2 全硅MEMS 振荡器 25PPM 频率稳定性超越石英 图2 的深黑色曲线显示出一个工业级(-40?C-85?C)石英振荡器要达到全温频率稳定性 25PPM 在技术上的难度。从图中可看到，在高低温的情况下，石英作为参考时钟其设计余 量较不充分，由此也增加了整体系统在工业级全温产生不稳定运行的可能性。 图2 同时也显示了各种色彩的平衡线，代表了110 个SiTime 全硅MEMS 振荡器在 -40?C-85?C 范围内的实际总频差。与石英振荡器相比，这些工业级MEMS 振荡器频率稳 定性不但可保持在15PPM 以下，其曲线更具有