MEMS技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）中的優(yōu)勢(shì)

本應(yīng)用筆記探討了MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）中相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)晶體技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。最明顯的優(yōu)勢(shì)是尺寸。還討論了MEMS技術(shù)優(yōu)越的其他領(lǐng)域-CMOS工藝和開(kāi)發(fā)，制造與組裝以及環(huán)境耐用性。

簡(jiǎn)介
MEMS技術(shù)由于其微制造原理而在業(yè)界獲得了廣泛的應(yīng)用。電子產(chǎn)品中常用的機(jī)械和機(jī)電元件以小尺寸制造，為工業(yè)組件和設(shè)備的小型化開(kāi)辟了新紀(jì)元。它在數(shù)字設(shè)計(jì)中證明了自己的價(jià)值，尤其是在實(shí)時(shí)時(shí)鐘上。

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)已在精確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）中實(shí)現(xiàn)，使其極為堅(jiān)固，在時(shí)間和溫度上都非常精確，并且比使用標(biāo)準(zhǔn)圓柱晶體技術(shù)制造的時(shí)鐘要小得多。本應(yīng)用筆記探討了這項(xiàng)令人興奮的新技術(shù)在準(zhǔn)確的RTC應(yīng)用中所實(shí)現(xiàn)的顯著性能增強(qiáng)。

MEMS的基本優(yōu)勢(shì)只是個(gè)開(kāi)始。
與32.768kHz音叉圓柱形晶體相比，其面積小47倍，體積小182倍（見(jiàn)圖1），Maxim Integrated精確RTC產(chǎn)品系列中使用的MEMs諧振器技術(shù)提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)今RTC的尺寸和包裝選擇方面的優(yōu)勢(shì)。

但是，MEMS帶給這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有隨尺寸而定。MEMS特性可在三個(gè)不同的領(lǐng)域提供增強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這些領(lǐng)域包括但不限于過(guò)程和開(kāi)發(fā)，制造和組裝以及環(huán)境堅(jiān)固性。

CMOS工藝和開(kāi)發(fā)中
的MEMS讓我們快速比較一下MEMS工藝和晶體組裝工藝。

此處討論的MEMS諧振器技術(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）晶圓廠中開(kāi)發(fā)的。CMOS的制造對(duì)于滿足基于在開(kāi)發(fā)的光刻階段建立的設(shè)備元件的形狀和尺寸的目標(biāo)頻率響應(yīng)特別有利。由于MEMS是一種硅技術(shù)，因此可重復(fù)性和可持續(xù)性的好處適用于MEMS晶圓的制造。處理MEMS晶圓時(shí)達(dá)到的制造溫度可能超過(guò)+ 700°C。隨后，在加工過(guò)程中，MEMS諧振器可以承受+ 260°C的多個(gè)回流溫度，而性能不會(huì)降低。（我們將在下面更詳細(xì)地討論這一點(diǎn)。）這種耐用性可以歸因于其材料組成，設(shè)計(jì)和晶圓加工流程。

相比之下（眾所周知），晶體組裝的過(guò)程不太牢固，并且容易在產(chǎn)品間產(chǎn)生很大的差異。頻率調(diào)諧和修整通常需要從晶體電極上沉積或去除材料以達(dá)到所需的頻率。另外，一旦在裝置上施加電壓，就必須在圓柱形載體中建立真空，以使晶體諧振器振動(dòng)。因此，為了生產(chǎn)高質(zhì)量的器件，需要特殊的材料將晶體連接到其引線上。這些材料可幫助晶體在高溫（約260°C）的回流焊操作中幸存下來(lái)。但是，有一個(gè)警告。使晶體經(jīng)受多個(gè)高溫回流循環(huán)時(shí)必須小心。頻移可歸因于“晶體附著”材料的老化，

MEMS在制造和組裝中的作用
在RTC的最終制造和組裝流程中，有四個(gè)重要因素使基于MEMS的RTC具有優(yōu)于晶體的優(yōu)勢(shì)。

首先，MEMS實(shí)際上是集成電路（IC）。因此，當(dāng)將MEMS與控制芯片/ RTC結(jié)合使用時(shí)，就會(huì)應(yīng)用并可以使用標(biāo)準(zhǔn)的IC封裝技術(shù)。這與晶體組件形成鮮明對(duì)比，晶體組件需要定制的制造流程才能將晶體和RTC芯片固定在同一封裝中。
其次，引線鍵合操作用于將控制管芯電連接到MEMS諧振器。晶體組件必須使用更復(fù)雜且強(qiáng)度較小的焊料，或者焊接晶體引線以將控制管芯連接至晶體諧振器。

第三，高效的引線鍵合操作和標(biāo)準(zhǔn)的包裝組裝流程非常適合大批量，低成本的制造和組裝操作。

第四，MEMS和晶體之間的巨大差異提供了更小尺寸的封裝選擇，包括晶體無(wú)法實(shí)現(xiàn)的芯片級(jí)封裝。圖1展示了巨大的尺寸差異以及由此產(chǎn)生的晶體包裝要求。為了實(shí)現(xiàn)可比的功能和性能，DS3231MZ + RTC封裝在8引腳150 mil SO中，而上一代基于晶體的DS3231S RTC封裝在16引腳300 mil SO中。8引腳SO封裝的尺寸小于16引腳300 mil封裝的尺寸的一半。

最后，不容錯(cuò)過(guò)的是，較小的包裝可以降低成本。

MEMS
具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)根據(jù)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和觀察，基于MEMS的RTC已證明具有可證明的性能優(yōu)勢(shì)。

在復(fù)制客戶附著的回流操作（在+ 260°C時(shí)為3倍）中，MEMS器件顯示出小于±1ppm的頻移（圖2a和2b）。面對(duì)相同的回流溫度暴露的基于晶體的產(chǎn)品表現(xiàn)出高達(dá)±5ppm的偏移（圖3a和3b）。

基于MEMS的RTC已通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證進(jìn)行了沖擊和振動(dòng)測(cè)試。它們可以承受超過(guò)2900g（x5）的機(jī)械沖擊（JESD22-B104C Condition-H）和超過(guò)20g的變頻振動(dòng)（JESD22-B103B Condition-1）。

總結(jié)
性能數(shù)據(jù)和處理經(jīng)驗(yàn)證明，與傳統(tǒng)的基于晶體的RTC相比，基于MEMS的RTC具有明顯的優(yōu)勢(shì)。我們談到了在工藝和開(kāi)發(fā)，制造和組裝以及環(huán)保方面的特殊優(yōu)勢(shì)。此外，MEMS時(shí)鐘隨時(shí)間的頻率精度（壽命）小于±5ppm。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)以及回流后的頻率精度仍低于±5ppm。MEMS在更高的溫度下運(yùn)行。它們采用較小的包裝，并最終降低了成本。毫無(wú)疑問(wèn)，要反對(duì)使用基于MEMS的精確RTC產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)是不容易的。

編輯：hfy