石英和可編程全硅MEMS振蕩器大比拼

全硅MEMS振蕩器按需供貨，降低斷貨風(fēng)險(xiǎn)，壓縮備貨成本

即時(shí)生產(chǎn)(Just-in-time-manufacturign)在電子業(yè)的普及也為系統(tǒng)廠商采購(gòu)人員在供貨鏈管理帶來(lái)了巨大的壓力。系統(tǒng)廠商永遠(yuǎn)希望或要求下游供應(yīng)商長(zhǎng)期保證足夠純貨，以備急用。而下游供應(yīng)商應(yīng)利潤(rùn)壓力，卻會(huì)盡量減低庫(kù)存，而這個(gè)壓力，引復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和壟斷的原材料供貨鏈，在石英產(chǎn)業(yè)特為顯著。

如圖(5)顯示，石英生產(chǎn)流程包括切割，渡銀，封裝，測(cè)試，老化等幾十半自動(dòng)步驟，一般需8-16周的生產(chǎn)周期。加上石英振蕩器所需的基座和起振IC全部控制在二到三家日系供應(yīng)商，決定了石英在無(wú)備貨下至少8-16周供貨期，且無(wú)應(yīng)急供貨的能力。

對(duì)于石英廠商備貨更是艱巨的任務(wù)，因?yàn)槭⒁粋€(gè)頻率，一個(gè)料號(hào)的特性，使得石英廠商只能備常用料。一般來(lái)說(shuō)，只有5%左右的常用料會(huì)在石英銷售渠道中有長(zhǎng)期備料。而對(duì)于系統(tǒng)廠商來(lái)說(shuō)，因不同料號(hào)需求增減難測(cè)，經(jīng)常出現(xiàn)急用料長(zhǎng)期缺貨，卻又有大批不需要的死貨，無(wú)形中增加成本，并影響公司銷售。

于石英相比，全硅MEMS振蕩器，基于其可編程平臺(tái)，以按需供貨(Deliver-on-demand)的模式從根本上解決石英產(chǎn)業(yè)供貨上的低效能。

MEMS 振蕩器廠商一般以”die bank”的方式預(yù)先積累MEMS和CMOS空白芯片的半成品。再通過(guò)用半成品標(biāo)準(zhǔn)芯片塑料封裝，測(cè)試，編程和卷帶包裝出貨，無(wú)論任何頻率，任何工作電壓，任何精度，任何封裝的組合，整個(gè)MEMS振蕩器供貨期從收到客戶訂單到壓縮到2-4周，

全硅MEMS這種按需供貨(Deliver-on-demand)的模式不僅僅縮短比石英小了四倍的供貨期。 重要得是MEMS振蕩器以空白芯片模式備貨，可實(shí)時(shí)調(diào)整產(chǎn)品組合，滿足客戶無(wú)時(shí)無(wú)刻變化的需求，保證系統(tǒng)廠商生產(chǎn)物料供應(yīng)無(wú)短缺風(fēng)險(xiǎn)。

這種供貨上的靈活性不但簡(jiǎn)化了系統(tǒng)廠商供應(yīng)鏈的管理，也無(wú)形中減小了對(duì)備貨資金的要求，為系統(tǒng)廠商減低總成本，提高利潤(rùn)做出貢獻(xiàn)。

圖5 復(fù)雜的石英工藝

圖6 半導(dǎo)體高效能的生產(chǎn)供貨模式

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。