1、引言

在特定应用或系统结构中，频率稳定性被视为本地时钟的核心参数。然而，长期存在的频率偏差，即所谓的频率老化，会对本地时钟造成影响。即便是最为稳定的OCXO（恒温晶体振荡器），也难免带有老化特性。提升或降低时钟频率，进而对系统频率稳定性造成损害。本篇文章将阐述为什么SiTime的MEMS硅晶振在老化性能上优于传统的石英晶振，以及为什么SiTime能够提供更稳健的老化补偿解决方案。首先，我们将深入探讨影响基于石英晶振和基于MEMS振荡器频率偏差的关键因素。随后，通过数学老化模型来对比MEMS振荡器和石英晶振在预测长期老化性能方面的表现，并辅以实际老化测量结果进行验证。最后，通过数学老化模型的推演，我们对长期性能进行了预测。

2、老化理论

老化，即频率随时间产生的变化，这一效应在系统设计中需根据具体应用加以考量。国际无线电咨询委员会（CCIR）已将老化和漂移纳入晶体振荡器的军用规范MIL-0-55310中。[1] 本文详细阐述了老化行为，并重点探讨了基于石英晶振和基于MEMS硅晶振的谐振器结构。

2.1、石英谐振器

压电效应是材料中机械能与电能之间能量转换的物理现象，同时它也是石英谐振器的振荡机制。石英谐振器包含多种材料，如图2.1.1所示，其中一层金属薄膜（金或银）提供了电场。导电环氧胶固定结构并连接电信号，而盖板和陶瓷封装保护设备免受外部环境影响。石英谐振器的性能可通过不同的切割角度（如AT或SC切割）进行优化，以适应各种应用需求。

图2.1.1：基于石英的谐振器结构

老化效应中包括随时间产生的频率负变化或正变化，这些变化在老化曲线图2.1.2中有所体现。[2]老化的主要原因有两个：一是质量负载，二是应力释放。若老化性能主要受应力影响，老化曲线将趋向于A(t)；若主要受质量负载影响，则老化曲线将趋向于B(t)。在开机后的前10天里，由于热效应和应力效应的影响，频率随时间变化的曲线呈现出正斜率。然而，随着时间的推移，质量负载效应的比例逐渐增加，老化行为逐渐变得单调，并在10天后转变为负斜率。最终，由于应力释放的正向贡献逐渐减小，老化速率将持续下降。

图2.1.2：典型的老化行为

图2.1.3：基于石英振荡器老化行为

在石英谐振器的制造过程中，可能会出现潜在的残余应力状况，如机械加工中的表面裂纹、抛光磨损，以及石英晶振与电极膜之间的粘合力。此外，由于材料之间热膨胀系数的差异，在固化或回流等热处理后，材料界面处会产生热应力。另一个风险是石英谐振器在频率微调过程中会刮擦用于此目的的Au膜。粗糙的Au膜表面会产生悬挂键，这是影响频率稳定性的另一不稳定因素。

石英谐振器生产过程中所使用的材料另一个脆弱之处在于硅胶（硅氧烷），在热处理过程中会发生热解，产生SiO2、CO2和H2O。这些气体会与Au膜的悬挂键反应，在电极膜表面积累质量，导致频率下降。

2.2、MEMS谐振器

图2.2.1：基于MEMS的谐振器结构

图2.2.2：A-A截面视图

MEMS谐振器采用半导体制造中使用的技术和材料制造而成。与传统石英晶振制造相比，MEMS硅晶振制造过程不包括可能引入潜在污染风险的步骤，如切割锯或抛光。与MEMS结构振荡相关的所有参数均在半导体工厂内受到严格控制。SiTime的MEMS结构采用SiTime专有的EpiSeal®工艺制造，这是形成极低老化稳定谐振器的关键。SiTime的MEMS谐振器由硅材料制成，采用高温（超过1000°C）下的晶圆级硅/多晶硅封装工艺，创造出一个洁净的真空环境。[3]随着MEMS冷却至室温，会发生退火过程，晶体晶格中的原子迁移会释放内部残余应力。

MEMS谐振器具有高可靠性和稳定性，其老化效应通过严格的半导体工艺控制、产品结构设计和材料特性得以最小化。相比之下，石英谐振器采用传统的低温封装技术（如陶瓷封装或晶圆键合），这些技术会在封装内留下挥发性有机物和水残留物，同时，这些残留物会引发质量负载现象，从而导致频率老化。

3、OCXO与超级TCXO的老化性能

OCXO常用于网络基础设施和高精度测量设备中，以提供高度稳定的备份频率源。在这些应用中，如果失去如GPS等高精度外部源，OCXO（在某些情况下为TCXO）将作为本地备份时钟。在系统暂时失去与外部参考信号的连接并切换到本地源时，这种操作模式称为“保持模式”。网络保持模式的性能受到OCXO/TCXO的老化、温度变化和时间偏差的影响。根据中国移动、AT&T、T-Mobile等网络结构或运营商的要求，保持模式持续时间可能从数小时到数天不等，此时老化成为主要影响因素。

本节将对比不同Stratum 3E本地时钟的老化性能。我们将研究Elite X™ SiT5501超级TCXO（SiTime的MEMS温度补偿振荡器，提供Stratum 3E精度）、Emerald™ SiT5711（SiTime的MEMS OCXO）以及基于石英的OCXO的长期老化测量数据。

3.1、石英OCXO、MEMS OCXO与MEMS超级TCXO的老化性能对比

相较于4G基础设施，5G设备的运行环境更为恶劣。随着5G技术的发展，OCXOs的应用已经从受保护的室内环境转移到了需要宽工作温度范围的室外环境。此外，5G网络的密集化对定时元件的尺寸提出了更高要求。为在不同应用中更精确地比较特性，我们将石英OCXO细分为传统的DIP类型和微型化的表面贴装类型。

随着5G应用的功耗增长，工作温度也随之升高。因此，当环境温度上升时，内部恒温槽的温度也必须相应提高。例如，若环境温度升至95°C，根据晶体温度曲线，恒温槽的温度需设定在105°C或以上。但正如前文所述，高工作温度会加速石英OCXO的出气现象，导致频率先下降后逐渐上升。

图3.1.1展示了MEMS和石英两种类型在长期老化测量数据中的变化情况（以第一天为基准进行归一化处理）。在此图表中，我们将SiT5501超级TCXO与微型石英OCXO进行了比较。开机时，石英OCXO和SiT5501均呈现正老化趋势。然而，在长期运行过程中，石英OCXO的负老化因子逐渐大于正老化因子。频率偏差现象最终呈现出愈发陡峭的负斜率。与此相反，SiT5501在短时间内便显示出卓越的稳定性，其运行30天内的偏移量不足20ppb。进一步观察，由于传统石英技术的限制，石英OCXO群组之间的老化率变异性显著高于SiT5501。石英OCXO设备群组中的显著性能差异是潜在故障风险的重要因素。一般而言，老化率规格会在设备连续运行30天后进行明确。

图3.1.1：SiT5501超级TCXO（红色）与微型石英OCXO（蓝色）的长期频率偏差对比

通过第30天和第31天的测量数据，本文计算了日老化率。如图3.1.2所示，SiT5501超级TCXO在老化率和稳定性方面均展现出明显优于微型石英OCXO的性能。

图3.1.2：老化率对比——SiT5501超级TCXO（红色）与微型石英OCXO（蓝色）

除了低矮型设计且尺寸仅为7.0mm x 5.0mm的SiT5501超级TCXO外，我们还有SiT5711 OCXO，其尺寸为9.0mm x 7.0mm，比传统DIP型OCXO缩小了60%。如图3.1.3所示，在稳态条件下，SiT5711 OCXO能够提供稳定可靠的信号源，并展现出卓越的保持特性。SiT5711的老化性能集中可靠，其保持时间长达4小时，误差仅为1.5微秒。因此，SiT5711 OCXO在DU、小型基站和边缘服务器等高精度应用领域表现出色，是您理想的选择。

图3.1.3：SiT5711 OCXO老化与保持性能图

长期老化问题探讨，在图3.2.1中，我们以SiT5501超级TCXO作为老化实验对象，拟合老化过程，预测其发展趋势，并将实际频率输出与预测结果进行对比。通过输入7天的测量数据至老化预测模型，我们精准地预测了30天的老化结果，并与30天的实际测量数据进行了细致对比。数据分析显示，测量数据（黄色实线）与预测数据（绿色虚线）几乎完美吻合，决定系数R²高达99%以上。进一步地，我们利用这一模型对一年内的老化现象进行了预测，结果显示年老化率低于60ppb，详见图3.2.1。

图3.2.1：SiT5501超级TCXO的老化性能及预测结果

随着5G基础设施的扩张，对本地时钟的要求愈发严格。5G需要能够抵御严苛环境条件的精准时钟。MEMS定时产品长时间提供稳定信号，更为重要的是，在极高环境温度下也能保持良好的性能，如图3.2.2所示。

图3.2.2：高温工作环境下，MEMS超级TCXO（左）与OCXO（右）的老化性能对比

4. 未来工作建议

随着未来5G网络的不断演进，无SyncE功能支持（ITU-T G.8273.4）的高精度时间同步和保持要求愈发严苛。SiTime产品致力于在保证出色的老化性能的同时，实现大规模生产的能力。我们的补偿方法基于上一章节讨论的预测模型，在短暂的训练期后生成具有优异老化特性的产品。在本例中，我们让产品在连续运行24小时后进行10小时的训练（蓝色）。训练期间，通过线性曲线拟合计算出老化斜率（黑色实线）。为消除老化斜率带来的影响，特地设定了一个补偿曲线，如图4.1中的棕色虚线所示。

接下来，我们深入对比了是否应用老化补偿算法后产品的保持特性表现。我们设定了±1.5微秒的时间误差作为6小时保持特性的达标标准，并在四个被测设备（DUTs）上实施了共计100次的均匀时间间隔的保持特性测试。结果表明，在未采用老化补偿算法的情况下，仅有52%的测试结果能满足预设的规格要求。引入SiTime的老化补偿算法后，我们的产品表现得到了显著提升，满足规格要求的测试结果比例跃升至92%。如图4.2所示，这一优化使保持特性提升了40%，再次证明了SiTime技术的卓越性能。

图4.2：老化补偿前后总时间误差直方图

5. 结论

OOCXO 的频率老化特性就像叶子随时间凋零。这是一个不可避免且不可逆的过程。本文从老化理论出发，介绍了 MEMS 和石英 OCXO 的老化性能。接下来，我们转向实际老化数据的比较，并通过预测模型，讨论了长期老化性能和拟合结果的准确性。最后，我们提出了一种老化补偿算法来改善老化特性。

老化补偿的成功在于准确的预测模型和稳定的频率输出。MEMS 谐振器老化曲线的变化非常小。与石英谐振器不同，SiTime MEMS 谐振器没有导致时间误差增加的异常漂移或跳跃点。这种 MEMS 谐振器特性降低了曲线拟合的复杂性，并将过补偿误差降至最低。使用基于 MEMS 的 OCXO 允许使用简单的老化补偿方法来增加保持时间。