耐冲击与震动表现出色　MEMS时脉可靠度跃进

以石英晶体为基础的时脉元件，易因尺寸微缩而造成品质疑虑。相形之下，以MEMS技术生产的时脉元件，则可依循一般半导体技术演进的轨迹，持续缩减尺寸，且具有较佳的耐冲击和震动性能，有助提升系统运作的稳定性。

以石英晶片为基础的振荡器、频率产生器及谐振器等，一直是电子产品中主要的时钟参考元件，由于没有替代品，所有原始设备制造商(OEM)和原始设计自造商(ODM)均须接受石英产品的局限性。然而，随着微机电系统(MEMS)技术进入到时钟产品后，这些利用MEMS技术生产的元件已提供许多独特优势，正加速取代传统石英元件。

力压传统石英元件　MEMS时钟产品效能吸睛

目前已有上千家厂商在各种应用领域使用MEMS时钟产品，其中以网通、消费性电子、PC相关及储存装置为大宗；产品方面包括伺服器、被动光纤网路(PON)的光纤网路单元(ONU)及光纤线路终端(OLT)、固态硬碟(SSD)、磁碟阵列(RAID)、主汇流排变压器(Host Bus Adapter, HBA)、数位相机(DSC)、平板装置和电子书等。  

平板、电子书制造商属于早期采用MEMS振荡器的用户，藉以提高规格弹性、降低系统功耗，同时也受益于MEMS元件较短的交期，加速产品上市。由于MEMS振荡器效能近期已达到三级钟(Stratum 3)等级，MEMS时钟元件的应用，将开始拓展至电信、无线及高阶工业应用领域。  

矽半导体MEMS时钟产品不仅具备功能优势，供应链也较传统石英产业健全。不同于石英元器件，MEMS时钟元件不需特殊封装技术，可使用成本低廉，且广泛运用于标准半导体元件的塑料封装。另外，MEMS谐振器在半导体晶圆代工厂生产制造，拥有高品质、高稳定性及大量生产优势，交货时间也较短。  

根据摩尔定律(Moore’s Law)，MEMS时钟产品可依循一般半导体技术演进的轨迹，持续改善性能。举例而言，晶圆代工厂利用奈米(nm)级制程的MEMS谐振器，将做得更小、更好，由于矽MEMS谐振器具有亚微米级(Sub-Micron)的电极间距，随着每个制程世代演进到更小的几何尺寸时，将大幅提高讯噪比(SNR)。  

相反的，石英晶体谐振器做得愈小，品质因子(Q Factor)值愈低，效能和相位噪声也愈差，甚至会造成应力性能降低，更严重的活性下降(Activity Dips)效应(频率相对温度不连续性的特性)，以及更受局限的频率范围。此外，随着石英晶体被切割得愈薄愈小，亦将影响良率，导致制造成本上扬。  

改善相位噪声与抖动　MEMS振荡器威力升级

振荡器对日益复杂的电子系统效能将带来关键性的影响，主要跟振荡器性能相关的规格有频率稳定性、抖动及相位噪声。在频率稳定性方面，典型石英振荡器仅能提供20?100ppm的规格，而MEMS元件则带来更好的ppm值，目前已量产MEMS温度补偿振荡器(TCXO)的SiTime，已达成10?50ppm的频率稳定性。  

此外，MEMS振荡器均内建温度补偿功能，即使处在工业标准温度范围内，也能呈现非常出色的频率稳定性，满足高阶应用所需。这些频率稳定性的比较，包含因温度变化、电压变化、制程偏差及焊接过程所造成的所有频率偏差。  

相位噪声系另一个影响系统性能非常重要的指标。串行通讯应用如10Gigabit乙太网路(10GbE)、串列式先进附加介面(SATA)、SAS、光纤、PCIe及通用序列汇流排(USB)等，都有针对所使用的12K?20MHz范围载波，设定均方根值(RMS)相位抖动规格要求。无线或全球卫星定位系统(GPS)等应用，则相较应用载波低于10KHz以下的近端相位噪声(Close-in Phase Noise)有严格要求。  

MEMS振荡器在过去3年针对相位噪声及相位抖动已有巨幅改善。最新MEMS振荡器已可提供典型RMS相位抖动达到500飞秒(fs)及12K?20MHz间最大抖动值小于1皮秒(图1)。  

图1 最新MEMS振荡器相位噪声图

减轻环境影响　MEMS振荡器可靠又稳定

由于电子系统须仰赖时钟讯号才得以稳定工作，因此时钟元件须在不同的条件跟环境中均达成一致的可靠性。然而，时钟元件在实验室环境下所测试的结果不意味能百分百适用于实际工作状况中，根据供应商提供的产品规格，一些时钟元件将无法持续满足可靠性需求。  

部分零件对于外来的电磁耐受性(EMS)、电源杂讯(PSRR)、机械震动及撞击等外在环境因素的干扰较为敏感。一个设计良好的MEMS谐振器加上先进类比设计电路，能使MEMS振荡器在许多外在环境干扰存在时，依然能够保持高效能、高可靠性的表现。这是另一个系统厂商持续并不断扩大使用MEMS时钟元件的原因。  

由于外在环境因素对频率稳定性及相位抖动影响重大，包括暴露在不同温度、电源、负载及老化等环境影响因子下，一个精准振荡器的频率稳定性将随着时间而改变。一些石英元件对这些影响因子尤其敏感，导致稳定性、抖动及相位噪声严重恶化。  

另一方面，外部设备或电路产生的电磁干扰(EMI)杂讯，亦将加重频率讯号抖动和噪声耦合现象。图2显示，当不同的振荡器暴露在EMI干扰环境中工作时，所产生的相位噪声杂讯，此一测试可用来说明金属上盖封装的石英产品，由于其金属上盖并没有实际接地，故无法提供任何EMS防护。而当中表现最好的MEMS振荡器，使用所谓In-plane Bulk Mode MEMS谐振器。  

图2 外在EMI对MEMS、石英、SAW等振荡器相位噪声杂讯的影响

图3是一个MEMS振荡器跟SAW振荡器对输入不同频率杂讯时，累计的相位抖动对比数值。几乎在所有测试的杂讯频率中，MEMS振荡器均明显测出较低的抖动数值。较低的抖动数值系由于MEMS振荡器内部供电及偏压电路，隔绝由供电电源导致的杂讯。  

图3 MEMS振荡器(2号线)及SAW振荡器(1号线)在供电电源上，面对50mV弦波杂讯时相位抖动数值的比较。

 MEMS谐振器耐冲击与震动表现出色

使用一般工业设备或可携式消费性电子产品，通常都会经历一定程度的冲击及震动，不论使用石英晶体或MEMS谐振器这类机械式谐振的振荡器，均对震动颇为敏感。因此，谐振器的质量及刚度，将是决定谐振体能否抑制因震动所引起的性能衰减两大因素。  [!--empirenews.page--]

MEMS谐振体刚度非常高，并能减轻因震动引起的移位问题；相较于块状石英晶片谐振器，MEMS谐振器具较小质量，降低由重力加速度所加负在谐振器上的施力(表1)。当测试50g重力加速度时，MEMS谐振器展现出较低的震动灵敏性，并且可承受超过50,000g的重力加速度测试。 

平均不良时间(MTBF)是一种对时钟元件可靠性的标准量测方式，MTBF数值愈高表示产品有较长的可运作生命周期及更高可靠度。图4显示来自不同厂商的石英和MEMS振荡器的MTBF数值，可发现MEMS振荡器具有较佳的抗震性、抗冲击性。 

图4 石英及MEMS时钟产品可靠性(MTBF)比较

灵活设计架构加分　MEMS振荡器大受青睐

MEMS振荡器基础零件系由一个MEMS谐振单元和独立谐振IC封装而成。由于该可编程IC的灵活设计，得以在工厂端依照客户设计需求，快速配置完成。相较之下，石英产品根据特定参数做最佳化及客制化，无法提供类似MEMS产品的设计弹性。这种具备大范围功能可配置的产品平台及能力，也是造就MEMS时钟产品强劲成长的主要因素之一。 

如图5典型MEMS振荡器架构左方所示，针对不同应用，可搭配各种设计型式的MEMS谐振器。由于MEMS元件本身固有的温度系数(随温度变化的稳定性)，可透过温度补偿电路满足精准的时脉规格。温度补偿电路系由温度感应器、温度数位转换器及分数锁相环(Frac-N PLL)所组成，并透过这些电路使整个时钟元件满足10?50ppm的全工作温度范围内的频率稳定性。 

PLL透过编程还可输出频率讯号的范围扩展至200k?800MHz，晶片上的一次性可编程(OTP)熔断器是用来存储温度补偿和配置参数。输出驱动器(Output Driver)提供可配置的驱动强度，以获得最佳化的传输线阻抗匹配，并降低系统EMI。 

由于本身巨大的尺寸及其他封装问题，石英谐振器在电子系统中是唯一尚未被整合进入IC的元件。一些为蓝牙(Bluetooth)、无线区域网路(Wi-Fi)应用等所设计的模组，由于石英元件的限制也阻碍模组尺寸小型化，然而，由于MEMS谐振器跟一般半导体晶元的特性相似，因此可透过多晶片封装或者系统级封装(SiP)方式，被整进处理器或特定应用积体电路(ASIC)晶片组。 

目前，业界正致力将MEMS谐振器导入系统单晶片(SoC)，此设计趋势使所有外部时钟电路得已去除，从而增加系统效能并降低成本，为系统制造商带来更多获利。 

MEMS时钟元件需求俏　2017年后产值暴增十倍

凭藉强大的MEMS谐振器与高性能的模拟电路，MEMS时钟方案迅速克服许多石英技术的限制。在性能方面，MEMS技术仅利用不到6年时间，就达成石英用超过60年时间所开发完成的技术水平。在MEMS元件性能与稳定性持续精进同时，市场渗透率将不断扩大。 

MEMS时钟元件由SiTime在5年前率先量产，市场快速扩张也让SiTime每年出货量均以倍数成长。预估到2017年，总体市场产值将有十倍成长。 

至于不同的MEMS时钟方案供应商间的区别，主要在于MEMS谐振器采用不同的设计、制程，以及在先进类比设计技术的差异性。这些差异导致MEMS谐振器有性能及可靠性差异。预料目前占主导地位的MEMS开发商将继续利用其专业技术知识和市场领导，强化战略合作夥伴关系，主宰市场。 

(本文作者Mehdi Behnami为SiTime产品市场协理，谢鸿泉为SiTime亚太区业务副总裁)