如何区分MEMS硅晶振与石英晶振

2024-01-19 16:02:095400

 晶振,一个我们都熟知的元件,是当之无愧的电路“心脏”。正是有了它的稳定输出,我们的处理器、存储器、模数转换器等芯片才能精确地工作,保证系统的稳定运行。

  长久以来,我们习惯于石英晶振。也同时承受着石英晶振的温漂、品质不统一、抗震性差、交货周期长等问题。而这一切,我们需要从石英晶振的生产制程上说明。我们先把石英晶振剖开来看一看。

  大体上石英晶振分为上盖、基座、导电胶、晶片,如果是有源的话,还需要一颗起振IC。而这里面石英工厂要做的只是切割石英晶片,购买上盖、基座、导电胶、起振IC,然后组装在一起。



  整个过程包括切割、打磨、镀银、组装、测试等,大概需要23步流程,其中包括关键的开盖组装部分,存在高污染的可能。复杂的流程工艺,而且存在大量的人工参与,所以石英晶振的不良率(DPPM)在百万分之50-150之间(此数字SiTime MEMS硅晶振小于百万分之0.1)。


  下面我们来讲一下石英晶振切割。石英晶片的切割与频点是一一对应的关系,也就是说不同的频点,对应的石英晶片的大小、厚薄都是不一样的。而且采用不同的切割方式,石英晶片所表现出的高低温特性是不一样的。比如常用的AT切,可提供相对较好的温度特性,但对机械应力较为敏感。(如下图为AT切石英晶片温度特性)



  采用AT切,温度在+27度以上、-10度以下会产生比较大的漂移。这也是为什么石英晶振都会有温漂这个参数。而MEMS硅晶振则在全温范围内无温漂问题。


±10ppm


  综上,石英晶振最早产生于1920年代,近百年的发展历史,但依然存在如下问题:
  1、温漂(高低温与常温频率特性漂移)
  2、品质不一致(半自动化半人工生产,品质与管理有最直接的关系)
  3、抗震性差
  4、生产周期长,紧急交付不灵活


  在半导体技术日新月异的今天,微电子技术取得了显著的进步。晶振作为需要机械震动体的组件,其压电效应产生的机械震动频率稳定性优于RC振荡。正因如此,MEMS技术(微机电技术)的不断发展为MEMS硅晶振的诞生创造了条件,使其得以实现半导体化。



  MEMS硅晶振的核心一个是MEMS谐振子技术,直白些说就是以硅(SI)为原材料,采用MEMS工艺的一个微机械振动结构,可以产生稳定的振动频率。

  还有一个是CMOS晶圆,半导体技术。对频率进行保持、编程、驱动、补偿等,以确保得到我们想要的1-725MHZ且精确到小数点后面6位的任一频点。


  其工艺采用标准的半导体生产工艺,采用德国BOSCH的MEMS Wafer及台湾TSMC的CMOS Wafer, 封测在台湾ASE及马来西亚的Carsem。

  最后值得一提的是,SiTime 产品可通过专用的编程设备对CMOS内部的PLL进行编程.SiTime中国区样品中心通过备全系列空白片库存,可24小时内提供符合客户需求的MEMS硅晶振,并可支持研发前期的小批量试产供货。



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