全硅MEMS振蕩器的優(yōu)勢(shì) - 石英和可編程全硅MEMS振蕩器大比拼

　　全硅MEMS振蕩器的質(zhì)量、可靠性和耐用性

　　石英振蕩器是一個(gè)石英晶體為主的機(jī)械振動(dòng)結(jié)構(gòu)，易碎，而且對(duì)外界環(huán)境敏感。很多因素會(huì)直接影響到石英的質(zhì)量和可靠性。

　　原因之一在于，石英面臨一個(gè)被稱作“活性下降(Activity Dip)”的問(wèn)題，可能直接造成振蕩器停振或輸出頻率偏差的現(xiàn)象。

　　圖7 Activity Dip 造成于溫度有關(guān)的振蕩器失效

　　圖 7為石英晶體具有的不同共振波模(resonant modes)，其中某些共振波模會(huì)因外界溫度變化而移動(dòng)，但晶體主要共振波模又稱基本共振波模(main or fundamental mode)，靠設(shè)計(jì)及制造工藝來(lái)保持其不受溫度影響。但作為振蕩器成品，一旦受溫度影響的共振波模與基本共振波模重疊，就會(huì)引起嚴(yán)重頻率偏差，甚至完全停振。Activity Dip現(xiàn)象很難靠測(cè)試來(lái)篩選，這也是石英在可靠性和一致性方面比全硅MEMS產(chǎn)品較差的因素之一。

　　除Activity Dip外，晶體要保持良好的頻率穩(wěn)定性與石英封裝時(shí)用氮?dú)饷芊赓|(zhì)量好壞有直接關(guān)系。石英振蕩器在運(yùn)輸、SMD上線，或系統(tǒng)正常運(yùn)作過(guò)程中受震動(dòng)或老化影響，一旦漏氣，就會(huì)造成停振，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。 所以石英漏氣是石英振蕩器最常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題之一。

　　相比之下，全硅MEMS振蕩器利用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)制程和封裝，以IC的方式產(chǎn)生輸出信號(hào)。產(chǎn)品本身無(wú)需密封，在設(shè)計(jì)測(cè)試中也徹底排除了Activity Dip等問(wèn)題，使之在不同外界環(huán)境(溫度、濕度、震動(dòng)等)中保持良好的頻率性和質(zhì)量上的一致性。

　　組件的可靠性一般是用平均無(wú)故障時(shí)間(MTTF或MTBF)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，衡量單位為百萬(wàn)小時(shí)，數(shù)字越高表示產(chǎn)品越可靠。

　　受石英材料工藝限制，目前一線石英大廠也只能達(dá)到3千萬(wàn)小時(shí)MTBF值。如表1所示，MEMS振蕩器基于全硅架構(gòu)，在MTBF指標(biāo)上優(yōu)于石英10多倍，這也使得振蕩器不再是系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的焦點(diǎn)之一。

　　表1 石英與全硅MEMS振蕩器可靠性和抗震能力比較

　　那MEMS振蕩器超越石英30倍的抗震優(yōu)勢(shì)在應(yīng)用上又有何價(jià)值呢?現(xiàn)代移動(dòng)產(chǎn)品如電子書(shū)、固體硬盤(pán)(SSD)等，不但體積越來(lái)越小，更在朝超薄型發(fā)展。但這些移動(dòng)產(chǎn)品，卻恰恰有一個(gè)所謂的跌落測(cè)試(drop-test)，來(lái)驗(yàn)證包括振蕩器在內(nèi)的產(chǎn)品整體可靠性和穩(wěn)定性。

　　對(duì)于石英來(lái)說(shuō)，體積越小、厚度越薄，就越易破裂也越易出現(xiàn)頻偏、精度降低的現(xiàn)象。跌落測(cè)試是石英振蕩器難跨越的門(mén)檻，同時(shí)也給了MEMS振蕩器大顯身手的機(jī)會(huì)。MEMS在可靠性和抗震效應(yīng)上的優(yōu)勢(shì)，使之不但成為移動(dòng)產(chǎn)品中振蕩器的理想選澤，更是軍工、汽車(chē)、醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)通信等高可靠性產(chǎn)品中的必用品。

　　通過(guò)以上對(duì)比大家可以看到，全硅MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品取代石英已是既成的事實(shí)。接下來(lái)，如何加快采用全硅MEMS時(shí)鐘技術(shù)的步伐?是否可以一料通用，減少需管理料號(hào)，減低管理成本?是否可利用全硅MEMS時(shí)鐘產(chǎn)品的優(yōu)異可靠性來(lái)提升系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量等等，都是值得我們思考的地方。

　　全硅MEMS時(shí)脈產(chǎn)品的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)了

　　全硅MEMS時(shí)脈產(chǎn)品的出現(xiàn)對(duì)石英在電子產(chǎn)品中已占據(jù)了60年的霸主地位起到了沖擊。時(shí)脈組件，在電子組件產(chǎn)業(yè)全面“硅“化的過(guò)程中以是最后一個(gè)前沿(last frontier), 因?yàn)榻裉斓碾娮赢a(chǎn)品中除振蕩器，電阻，電容外以很少能找出非硅組件。如果說(shuō)石英的技術(shù)經(jīng)過(guò)60年發(fā)展已達(dá)到極限，那末全硅MEMS技術(shù)則應(yīng)該說(shuō)正在進(jìn)如高速成長(zhǎng)期，根據(jù)”moore’s law, 在今后5年內(nèi)MEMS時(shí)脈產(chǎn)品會(huì)更小，更薄，更可靠，更耐用，更多的功能，更短的供貨期和更靈活更快的克制化，其性價(jià)比也會(huì)將石英遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。

　　即然全硅MEMS時(shí)脈產(chǎn)品取代石英以是既成事實(shí)，那末研發(fā)和物料管理人員是否也應(yīng)用更有創(chuàng)新的思維去評(píng)估這種更型換代的產(chǎn)品可對(duì)公司帶來(lái)的價(jià)值?如果加快采用全硅MEMS時(shí)脈技術(shù)的步伐，是否可以一料通用，減少需管理料號(hào)，減低管理成本?是否可利用全硅MEMS時(shí)脈產(chǎn)品優(yōu)異可靠性來(lái)提升系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量?這些都是值得思考的地方。