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耐冲击与震动表现出色 MEMS频率可靠度跃进

以石英芯片为基础的振荡器、频率产生器及谐振器等,一直是电子产品中主要的时钟参考组件,由于没有替代品,所有原始设备制造商(OEM)和原始设计自造商(ODM)均须接受石英产品的局限性。然而,随着微机电系统(MEMS)技术进入到时钟产品后,这些利用MEMS技术生产的组件已提供许多独特优势,正加速取代传统石英组件。

力压传统石英组件MEMS时钟产品效能吸睛

目前已有上千家厂商在各种应用领域使用MEMS时钟产品,其中以网通、消费性电子、PC相关及储存装置为大宗;产品方面包括服务器、被动光纤网络(PON)的光纤网络单元(ONU)及光纤线路终端(OLT)、固态硬盘(SSD)、磁盘阵列(RAID)、主总线变压器(Host Bus Adapter, HBA)、数字相机(DSC)、平板装置和电子书等。

平板、电子书制造商属于早期采用MEMS振荡器的用户,藉以提高规格弹性、降低系统功耗,同时也受益于MEMS组件较短的交期,加速产品上市。由于MEMS振荡器效能近期已达到三级钟(Stratum 3)等级,MEMS时钟组件的应用,将开始拓展至电信、无线及高阶工业应用领域。

硅半导体MEMS时钟产品不仅具备功能优势,供应链也较传统石英产业健全。不同于石英元器件,MEMS时钟组件不需特殊封装技术,可使用成本低廉,且广泛运用于标准半导体组件的塑料封装。另外,MEMS谐振器在半导体晶圆代工厂生产制造,拥有高质量、高稳定性及大量生产优势,交货时间也较短。

根据摩尔定律(Moore’s Law),MEMS时钟产品可依循一般半导体技术演进的轨迹,持续改善性能。举例而言,晶圆代工厂利用奈米(nm)级制程的MEMS谐振器,将做得更小、更好,由于硅MEMS谐振器具有亚微米级(Sub-Micron)的电极间距,随着每个制程世代演进到更小的几何尺寸时,将大幅提高讯噪比(SNR)。

相反的,石英晶体谐振器做得愈小,质量因子(Q Factor)值愈低,效能和相位噪声也愈差,甚至会造成应力性能降低,更严重的活性下降(Activity Dips)效应(频率相对温度不连续性的特性),以及更受局限的频率范围。此外,随着石英晶体被切割得愈薄愈小,亦将影响良率,导致制造成本上扬。

改善相位噪声与抖动MEMS振荡器威力升级

振荡器对日益复杂的电子系统效能将带来关键性的影响,主要跟振荡器性能相关的规格有频率稳定性、抖动及相位噪声。在频率稳定性方面,典型石英振荡器仅能提供20?100ppm的规格,而MEMS组件则带来更好的ppm值,目前已量产MEMS温度补偿振荡器(TCXO)的SiTime,已达成10?50ppm的频率稳定性。

此外,MEMS振荡器均内建温度补偿功能,即使处在工业标准温度范围内,也能呈现非常出色的频率稳定性,满足高阶应用所需。这些频率稳定性的比较,包含因温度变化、电压变化、制程偏差及焊接过程所造成的所有频率偏差。

相位噪声系另一个影响系统性能非常重要的指针。串行通讯应用如10Gigabit以太网络(10GbE)、串行式先进附加接口(SATA)、SAS、光纤、PCIe及通用序列总线(USB)等,都有针对所使用的12K?20MHz范围载波,设定均方根值(RMS)相位抖动规格要求。无线或全球卫星定位系统(GPS)等应用,则相较应用载波低于10KHz以下的近端相位噪声(Close-in Phase Noise)有严格要求。

MEMS振荡器在过去3年针对相位噪声及相位抖动已有巨幅改善。最新MEMS振荡器已可提供典型RMS相位抖动达到500飞秒(fs)及12K?20MHz间最大抖动值小于1皮秒(图1)。

图1最新MEMS振荡器相位噪声图

减轻环境影响MEMS振荡器可靠又稳定

由于电子系统须仰赖时钟讯号才得以稳定工作,因此时钟组件须在不同的条件跟环境中均达成一致的可靠性。然而,时钟组件在实验室环境下所测试的结果不意味能百分百适用于实际工作状况中,根据供货商提供的产品规格,一些时钟组件将无法持续满足可靠性需求。

部分零件对于外来的电磁耐受性(EMS)、电源噪声(PSRR)、机械震动及撞击等外在环境因素的干扰较为敏感。一个设计良好的MEMS谐振器加上先进模拟设计电路,能使MEMS振荡器在许多外在环境干扰存在时,依然能够保持高效能、高可靠性的表现。这是另一个系统厂商持续并不断扩大使用MEMS时钟组件的原因。

由于外在环境因素对频率稳定性及相位抖动影响重大,包括暴露在不同温度、电源、负载及老化等环境影响因子下,一个精准振荡器的频率稳定性将随着时间而改变。一些石英组件对这些影响因子尤其敏感,导致稳定性、抖动及相位噪声严重恶化。

另一方面,外部设备或电路产生的电磁干扰(EMI)噪声,亦将加重频率讯号抖动和噪声耦合现象。图2显示,当不同的振荡器暴露在EMI干扰环境中工作时,所产生的相位噪声噪声,此一测试可用来说明金属上盖封装的石英产品,由于其金属上盖并没有实际接地,故无法提供任何EMS防护。而当中表现最好的MEMS振荡器,使用所谓In-plane Bulk Mode MEMS谐振器。

图2外在EMI对MEMS、石英、SAW等振荡器相位噪声噪声的影响

图3是一个MEMS振荡器跟SAW振荡器对输入不同频率噪声时,累计的相位抖动对比数值。几乎在所有测试的噪声频率中,MEMS振荡器均明显测出较低的抖动数值。较低的抖动数值系由于MEMS振荡器内部供电及偏压电路,隔绝由供电电源导致的噪声。

图3 MEMS振荡器(2号线)及SAW振荡器(1号线)在供电电源上,面对50mV弦波噪声时相位抖动数值的比较。

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