中心議題：

• MEMS振蕩器內部設計
• 如何製造MEMS諧振器
• MEMS諧振器微型工藝封裝技術大要
• 可編程架構的全矽MEMS振蕩器特性
  

參考頻率信號係統設計

 

pinlvxinhaoduiyusuoyoudianzichanpinjiuxiangshixintiaoduisuoyoudongwudeshengmingyibanzhongyao，suoyoudianzidianludedongzuodouyicizhongfuxingqiewendingdepinlvxinhaozuoweicankaoxinhaoyuan。shejiyouliangdepinlvxinhao，jihushixitongshifounenggoudadaogaoxiaoneng

、持續性穩定工作的重要基礎。一般而言，係統設計的參考頻率信號可由不同的頻率組件來產生
，如諧振器（Resonator）、振蕩器（Oscillator）以及頻率產生器（Clock Generator），不同的係統設計會根據不同的設計考慮，選擇不同的組件來提供參考頻率。

 

諧(xie)振(zhen)器(qi)是(shi)利(li)用(yong)機(ji)械(xie)震(zhen)動(dong)原(yuan)理(li)，加(jia)上(shang)一(yi)個(ge)外(wai)部(bu)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)來(lai)產(chan)生(sheng)周(zhou)期(qi)性(xing)振(zhen)蕩(dang)信(xin)號(hao)，一(yi)般(ban)該(gai)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)會(hui)被(bei)整(zheng)合(he)在(zai)芯(xin)片(pian)之(zhi)中(zhong)。振(zhen)蕩(dang)器(qi)組(zu)件(jian)則(ze)是(shi)將(jiang)諧(xie)振(zhen)器(qi)以(yi)及(ji)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)整(zheng)合(he)於(yu)一(yi)4或6針zhen腳jiao的de封feng裝zhuang中zhong，用yong以yi輸shu出chu參can考kao頻pin率lv信xin號hao。而er頻pin率lv產chan生sheng器qi則ze是shi較jiao為wei複fu雜za的de頻pin率lv信xin號hao輸shu出chu組zu件jian，一yi般ban此ci類lei組zu件jian需xu要yao一yi個ge外wai部bu參can考kao諧xie振zhen器qi，內nei部bu則ze整zheng合he一yi個ge或huo多duo個ge鎖suo相xiang環huan（Phase Lock Loop
；PLL），來產生一個或數個參考頻率輸出的信號。

 

對(dui)於(yu)所(suo)有(you)的(de)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)而(er)言(yan)，無(wu)論(lun)使(shi)用(yong)何(he)種(zhong)頻(pin)率(lv)組(zu)件(jian)作(zuo)為(wei)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)時(shi)的(de)參(can)考(kao)信(xin)號(hao)，均(jun)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)且(qie)質(zhi)量(liang)良(liang)好(hao)的(de)周(zhou)期(qi)信(xin)號(hao)，包(bao)括(kuo)良(liang)好(hao)的(de)波(bo)形(xing)、duty cycle、較短的爬升時間及下降時間（rising time & falling time）、以及準確重複性的邊緣時間。

 

 

 

先前絕大部分的電子產品依靠石英晶體來提供可靠穩定的頻率信號，不過近幾年由於MEMS技術設計製造的電子零件，在許多應用領域不斷提供電子產品創新且質優的設計，其中包括MEMS諧振器零件在許多應用開始取代石英晶體：例如所謂MEMS振蕩器內部所采用的諧振器
，即是使用毫米級大小的MEMS諧振器，作為Mega Hertz級別的振蕩源。

 

 

除了創新諧振器的MEMS技ji術shu，振zhen蕩dang器qi內nei部bu的de振zhen蕩dang電dian路lu設she計ji亦yi開kai始shi進jin行xing中zhong。傳chuan統tong石shi英ying振zhen蕩dang器qi內nei部bu的de振zhen蕩dang電dian路lu，其qi輸shu出chu頻pin率lv一yi般ban與yu石shi英ying設she計ji切qie割ge的de頻pin率lv相xiang同tong，因yin此ci電dian路lu設she計ji上shang僅jin僅jin采cai用yong單dan純chun的de諧xie振zhen放fang大da電dian路lu或huo者zhe驅qu動dong電dian路lu。

 

在MEMS振蕩器內部
，采用嶄新的設計概念及線路設計
，使得MEMS振蕩器提供更多可設定的變動頻率參數，在出貨前通過量產程序設定不同參數，可提供不同應用領域的特殊需要。MEMS振蕩器已在許多應用領域包括計算機周邊相關產品、消費電子
、網通設備
、通訊裝置
、車用電子

、以及工業產品等，開始逐漸取代傳統固定頻率或可編程輸出的石英振蕩器。

 

zheyangdesheji，jianhualemuqianshiyingzhendangqiderongchanggongyinglian，suoduanchangshangdejiaohuoqi，tongshinengrangshiyongtongyidianlushejidelingjian，manzubutongyingyongshejidexuyao，jinyibuxiezhuxitongchangshangdadaobutongpinlvbutongcanshudezhendangqiyizhanshicaigou（One Stop Shopping）的目標。

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圖1為MEMS振蕩器的透視圖。以SiTime的MEMS振蕩器為例
，其是由兩個芯片堆棧起來
，下方是CMOS PLL驅動芯片，上方則是MEMS諧振器，以標準QFN IC封裝方式完成。封裝尺寸以及焊接管腳與傳統標準石英振蕩器的腳位完全兼容
，可直接替代原來石英產品，無須更動任何設計。MEMS振蕩器在許多方麵都超越石英振蕩器產品
，包括全自動化生產過程、穩定交貨期、穩定的產品質量、以及近期和長期的成本優勢等。

 
 

圖1 全矽MEMS振蕩器透視圖

 

 

有些廠商是用CMOS半導體代工廠的標準設備以及材料製造全矽MEMS諧振器。由於無須CMOS半導體廠的額外設備製及工藝投資，這可提升CMOS產業利用既有設備生產更多產品的經濟利基。另外MEMS振蕩器封裝方式亦使用目前半導體封裝廠通用設備以及標準IC後製封裝流程。

 

圖2展示一係列MEMS製造的剖麵圖。圖2a則顯示通過窄信道蝕刻方式，從表麵切割一空隙至矽晶氧化絕緣層（SOI），生成一諧振結構。這些諧振結構體在震動時
，以水平方向在矽晶麵上震動。

 

圖2a　從晶圓表麵開始蝕刻進入到氧化絕緣層產生的諧振器以及電極示意圖

 

如圖2b所示
，震動空隙上包覆著一層氧化層、矽晶層以及多晶矽層（Polysilicon）

，在多晶矽層以通過一些蝕刻的小細孔將氧化物取出後形成諧振體。

 

圖2b　氧化物層以及矽質排氣層形成後，製造氣孔以排放諧振器內部電極間距空間內的氣體形成真空

 

然後矽晶圓被置入1000oC的epitaxialfanyingluneiquchuzazhi，bingmifengzhiqiansuoshikedexiaoxikong，yijitongguochangjingshengchengjiaohoudeguijingheyicengduojingguidianrongceng。zhegegaowengongyiduixiezhentieryanyeshiyigetuihuo（anneal）的de過guo程cheng
，讓rang諧xie振zhen體ti表biao麵mian達da到dao光guang滑hua的de程cheng度du，並bing將jiang其qi永yong久jiu密mi封feng在zai完wan全quan真zhen空kong無wu汙wu染ran的de空kong間jian中zhong。上shang述shu所suo描miao述shu的de多duo晶jing矽gui電dian容rong層ceng結jie構gou非fei常chang堅jian硬ying
，可ke承cheng受shou接jie下xia來lai超chao過guo100個大氣壓壓力的塑模成型工藝（Plastic molding）。

 

圖2c 完全潔淨的諧振器被密封在極厚的一層保護用向外長晶的矽質層之下

 

圖2d則說明如何在多晶矽層上生成一導電接點，來連接至內部諧振器的驅動感應電極。而後進行鋁質導電層（Aluminum Layer）長晶過程、完成導線（metal trace）以及打線接點生成工藝，並被覆蓋上一層非導電材質鈍化層後（passivation layer）
，完成整個矽晶圓的生產。

 

圖2d 在矽質層上蝕刻一過孔，並通過鋁線及打線接點，將諧振器連接至CMOS驅動電路

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MEMS諧振器比一般石英晶體要小非常多。標準的矽工藝可輕易製造達微米級的產品。一個完成的MEMS諧振器大小約0.Xmm長寬

，相較於一般長寬約數mmdeshiyingjingti，liangzhemianjikexiangchabaibei。yuexiaodezujianbiaoshiyuenengdachengweixingfengzhuangdeyaoqiu
，tupoyiwangzaishuipingfangxiangdaxiaoyijihouduxianzhidefengzhuangsheji，yincichangshangkezhizaozuixiaodechafenzhendangqi、展頻震蕩器、壓控震蕩器以及薄型震蕩器等。

 

隨著CMOS工藝技術的微型化演進，MEMS諧振器在同一半導體代工廠，亦可持續使用先進的工藝技術來增進效能。廠商的諧振器目前利用次微米（sub-micron）電極間距，未來新一代更精細的工藝將可進一步縮小電極間距。此工藝演進可進一步改善諧振器輸出的信號噪聲比（Signal to Noise Ratio
；SNR）
，使得振蕩器亦得以取得更佳的相位噪聲（相噪）規格。石英晶體卻不具備這樣的工藝優勢，若石英晶體尺寸越小，反而在各方麵效能的表現越差，影響包括Q值、相位噪聲和activity dip較差、應力敏感度較大、以及頻率範圍更受局限等缺點。

 

利用標準CMOS工藝製造的MEMSxiezhenqiyuexiao，chengbenyeyuedi，danzhequebushiyongyushiyingjingti
，dangshiyingjingtiqiegeyuexiaozeyuenanshejijizhizao，lianglvyeyuelaiyuedi，chengbenyehuiyuelaiyuegao。yincidangdabufendianzichanpinshejidouquxiangweixinghuadetongshi，shiyingjiangyuelaiyuewufazhanxianyingyouxiaoneng
，quanguiMEMS諧振器將取而代之。

 

 

 

zaoqishiyingzhendangqibandaotichanpingongyijigui，shejiquxiangdanchunhua，tongguowaibuyixiejingtiguandianlusheji，shiyingzhendangqidianlukeyihenrongyibeizuchengbingrangshiyingjingtiqizhen，shuchuPC板需要的頻率信號，因此諧振器電路自然被排除在其它半導體電子電路之中。

 

振蕩器是根據一些在電子應用產品中的常用頻率來設計
、製zhi造zao並bing生sheng產chan。不bu過guo更geng多duo的de振zhen蕩dang器qi是shi製zhi造zao廠chang商shang為wei因yin應ying係xi統tong客ke戶hu不bu斷duan根gen據ju新xin的de應ying用yong需xu求qiu和he應ying用yong平ping台tai而er生sheng產chan。由you於yu振zhen蕩dang器qi的de規gui格ge繁fan雜za
，包bao括kuo不bu同tong的de頻pin率lv、工作電壓
、精準度、封(feng)裝(zhuang)尺(chi)寸(cun)的(de)要(yao)求(qiu)
，使(shi)得(de)產(chan)品(pin)料(liao)號(hao)的(de)複(fu)雜(za)度(du)以(yi)及(ji)數(shu)量(liang)都(dou)非(fei)常(chang)繁(fan)雜(za)。況(kuang)且(qie)所(suo)有(you)石(shi)英(ying)振(zhen)蕩(dang)器(qi)廠(chang)商(shang)不(bu)可(ke)能(neng)備(bei)足(zu)庫(ku)存(cun)所(suo)有(you)規(gui)格(ge)的(de)振(zhen)蕩(dang)器(qi)，因(yin)為(wei)每(mei)一(yi)種(zhong)頻(pin)率(lv)的(de)石(shi)英(ying)振(zhen)蕩(dang)器(qi)
，都(dou)是(shi)根(gen)據(ju)內(nei)部(bu)的(de)石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)所(suo)切(qie)割(ge)的(de)厚(hou)度(du)決(jue)定(ding)其(qi)輸(shu)出(chu)的(de)頻(pin)率(lv)。石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)切(qie)割(ge)過(guo)程(cheng)幾(ji)乎(hu)是(shi)所(suo)有(you)振(zhen)蕩(dang)器(qi)生(sheng)產(chan)必(bi)須(xu)曆(li)經(jing)的(de)第(di)一(yi)步(bu)，也(ye)因(yin)此(ci)係(xi)統(tong)客(ke)戶(hu)必(bi)須(xu)容(rong)忍(ren)較(jiao)長(chang)的(de)產(chan)品(pin)交(jiao)付(fu)期(qi)限(xian)。

 

 

MEMS振蕩器則與傳統石英產品不同。無論輸出頻率為何
，MEMS振蕩器均使用同一個MEMS諧振器。輸出頻率並不是使用不同的MEMS諧振器來達成頻率的變化
，而是根據編程並儲存在內部非揮發性內存（Non- Volatile Memory；NVM）的數值，與MEMS諧振器的輸出頻率相乘倍數後而決定。

 

這樣的設計方式
，可快速地把庫存的MEMS振蕩器，按照客戶需要的電壓以及其它參數編程後，輸出客戶所需要的頻率。因此
，客戶可在較短交貨期限內、約在2～3周而無須3～4個月
，便可取得所需的頻率組件。此外提供給工程設計人員 的樣品
，則可通過可攜式編程器立即直接編寫提供，或由產線在一天之內提供給全球工程人員滿足其設計需求。

 

 

此外，石英可編程振蕩器內部使用環震蕩鎖相環（Ring Oscillator PLL）作為其倍頻電路的設計。這樣的設計容易造成輸出具高抖動（jitter）特性的頻率信號，因此這類振蕩器僅適合精準度無須太高的應用。MEMS振蕩器廠商在架構設計上采用所謂Sigma-Delta Fran-N PLL鎖相環作為倍頻電路，此電路設計能夠將MEMS諧振器的輸出頻率任意倍頻到所需的頻率，頻率信號的抖動特性與一般石英振蕩器相較則更優。

 

 

集成電路的穩定性一般是用平均無故障時間（Mean Time Between Failure；MTBF）作為衡量標準

，該標準的衡量單位為小時，數字越高表示產品越可靠。一般半導體產品的典型數值約為500個百萬小時MTBF，即便是一線大廠的石英振蕩器產品，其MTBF值也僅僅是30百萬小時。

 

 

經過標準的晶圓減薄以及晶圓切片，MEMS諧振器以及CMOS倍頻驅動芯片被塑模封裝到標準芯片塑料封裝之中。廠商會使用穩定性高、低引線電感以及高熱性能的QFN塑料注塑成型的封裝工藝
，因此也具備高穩定性、低成本、以及彈性焊盤設計的優點，產品封裝也需滿足潮氣敏感等級1的標準（Moisture Sensitivity Level 1；MSL/1）
，滿足無限期儲存、無須任何幹濕度條件限製的環境。這些封裝產品可替代石英振蕩器，並直接置入原來PCB電路板上為石英振蕩器所設計的焊盤位置。另外，這些不同封裝組件的厚度也從0.75～0.90mm不等。

 

由於MEMS諧振器較所有石英晶體更薄
，因此廠商得以利用相關技術製造厚度僅達0.25mm的精準振蕩器。高度整合MEMS技術

、低功耗電路設計和電路模塊，超小超薄封裝的MEMS振蕩器對於可攜式產品的設計特具吸引力


，其可編程功能更可滿足消費電子產品快速開發周期、短期內大量交貨的發展特性。

 

圖3 超薄MEMS振蕩器與一般石英振蕩器的厚度比較示意圖

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MEMS振蕩器用一個塑料封裝整合了MEMS諧振器以及一個諧振倍頻電路。這樣的振蕩器可用在任何使用傳統石英振蕩器的應用電路之中，包括PCI-Express
、SATA、SAS
、PCI
、USB、Gigabit Ethernet、MPEG Video
、Cable Modem等領域。

 

 

手持式產品應用一般在設計上需要考慮低功耗、快速啟動以及微型化尺寸等。 MEMS振蕩器整合使用矽晶元來設計的MEMSxiezhenqiyijiduiyingdexiezhenbeipinxinpian，kemanzuxiangguanchanpinshejixuqiu。zheleichanpinhuishidabufenxuyaoyilaidianchigongdiandeshouchishizhuangzhidezuijiaxuanzefangan，nenggouzaishuimianmoshihequangongnenggongzuomoshizhijianxunsuqiehuan。

 

 

薄型振蕩器可應用在諸如如HC-SIM（High-Capacity SIM）卡、智能卡
、SIP模塊、數碼相機、手機以及其它手持式裝置內。一般SIM卡的厚度約為0.76mm

，約相當於典型石英晶體振蕩器的厚度，這會限製傳統石英振蕩器無法應用於該類產品。相對於石英振蕩器，厚度僅達0.25mm的薄型振蕩器
，提供足夠的產品封裝以及其它材料如基板等所需空間，完全符合該類產品設計所需，可參閱圖3所示。

 

 

任何電子產品都需要通過EMI測試，例如FCC Class A或Class B
，以確保產品不會因為電磁輻射幹擾其它室內或辦公室內的電子產品。一般而言通常是在產品開發階段完成後進入量產階段前

，進行EMI測試。改善EMI問題的方式是修改電路板的布板方式，或者使用外蓋屏閉，二者的時間成本或材料成本均耗費不貲。

 

另一種可行解決方案是使用展頻振蕩器（Spread Spectrum Oscillator），來降低係統輻射出來的EMI電磁輻射幹擾。圖4則顯示一個單頻信號的頻譜圖以及對該信號展頻後的頻譜圖。從圖中可知展頻後的頻率信號如何降低原來在接近100MHz的峰值。

 

圖4 單(dan)一(yi)頻(pin)率(lv)頻(pin)率(lv)與(yu)展(zhan)頻(pin)後(hou)頻(pin)率(lv)的(de)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)比(bi)較(jiao)圖(tu)。圖(tu)中(zhong)顯(xian)示(shi)
，展(zhan)頻(pin)後(hou)的(de)頻(pin)率(lv)信(xin)號(hao)頻(pin)譜(pu)較(jiao)原(yuan)來(lai)單(dan)頻(pin)信(xin)號(hao)有(you)較(jiao)低(di)的(de)平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)，因(yin)此(ci)可(ke)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)幹(gan)擾(rao)

 

廠(chang)商(shang)在(zai)設(she)計(ji)展(zhan)頻(pin)振(zhen)蕩(dang)器(qi)時(shi)，將(jiang)焊(han)盤(pan)設(she)計(ji)完(wan)全(quan)兼(jian)容(rong)一(yi)般(ban)標(biao)準(zhun)振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)焊(han)盤(pan)設(she)計(ji)。這(zhe)樣(yang)的(de)考(kao)慮(lv)使(shi)得(de)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)得(de)以(yi)在(zai)設(she)計(ji)初(chu)期(qi)階(jie)段(duan)使(shi)用(yong)一(yi)般(ban)標(biao)準(zhun)振(zhen)蕩(dang)器(qi)；而在設計完成階段，如需利用展頻技巧通過EMI測試，則可選擇展頻振蕩器直接置入原PCB布板設計之振蕩器焊盤位置
，無須更改任何線路，可節省工程設計時間和成本
，縮短上市時程。

 

 

頻率產生器是將多個振蕩器置入單一封裝的組件。對於需要多組頻率頻率信號的複雜係統非常有效。廠商設計包括有多個CMOSshuchuyijiduogechafenshuchudepinlvchanshengqi，neijianduliqiewubeipinguanxidepinlvxinhaoshuchusheji，yikefenbiekongzhishifoushuchu，yijibutonggongzuodianyazhisheji。

 

 

MEMS振蕩器已進入量產階段，並已出貨超過數百萬顆產品

，這些振蕩器具備易用、焊盤結構、功能兼容的優點，可直接取代舊式生產的石英組件。提供更小、更薄的MEMS振蕩器應用在手持式裝置內，一直是廠商設計關注的焦點。MEMS技術也正在藉由各種方式，對傳統石英產業進行“矽化工程”。