Si50x CMEMS振荡器架构

简介

CMEMS 技术是由领先的时序解决方案供应商Silicon Labs开发的一种创新的CMOS+MEMS制造工艺。CMEMS是CMOS首字母和MEMS（微机电系统）的缩写。CMEMS技术提供了许多超越传统振荡器制造方法的好处，包括可扩展性、客户可编程性、0天样品生成以及长期的可靠性和性能。本白皮书将主要介绍CMEMS工艺技术、目前的混合振荡器架构和Si501/2/3/4（Si50x）CMEMS振荡器架构。其它相关的主题白皮书，可浏览网站：www.silabs.com/cmems。

晶体振荡器简介

每年30亿美元的频率控制市场已经由石英晶体和基于石英的振荡器占据了几十年，几乎所有类型的电子设备都依赖一小片由机器加工的石英岩的发挥作用去生成至少一种可能的操作频率。图1显示了传统的基于石英的振荡器及其组成。

晶体振荡器组成

图1. 晶体振荡器组成

在过去的几十年里，石英制造业已经达到了新的成熟水平，它能够提供更小、更薄和更高频率的解决方案。虽然这些制造进步是重要且显而易见的，但是就所需的工艺步骤来说，整个过程没有发生太大变化。

制造工艺从一片空白的石英开始，它被切割、研磨、抛光、电镀，然后进一步处理以获得其所需的输出频率。在这一系列初始的大致步骤之后，工艺流程不断改进石英晶体以满足所需的规格。在每一个步骤中，各组成部件的产出都有可能受到影响。当石英晶体与硅放大器一起被密封在陶瓷封装时，整个系统直到最终封装完成后才能进行产量评估和性能测试。图2展示了极其复杂的石英晶体制造工艺的顶层流程概况，它支持即使没有上千种也有上百种针对目标系统特定频率的独特晶体形状和切片。

晶体振荡器生产步骤

图2.晶体振荡器生产步骤

2004年，Silicon Labs公司推出了石英振荡器（XO）系列产品，这些XO利用创新和专利的混合信号专业技术，从单一基于晶体的参考频率中生成任意的频率输出。这种革命性的技术称为DSPLL®，可获得与最高性能晶体振荡器类似的性能，但它不需要不同频率所需的特定晶体，因此最小化了大部分晶体制造工艺流程，包括特定的切片和电镀。这种方法把从接收订单到交付样片所需的时间从几周缩短到两周内。通过使用批量生产的单一晶体频率，它也消除了供应链风险。基于DSPLL的XO已经被广泛用于电子行业，并且成为Silicon Labs公司的主营业务。

随着CMEMS的出现，Silicon Labs又一次为频率控制市场带来重要的技术进步。CMEMS采用微机械半导体谐振器取代XO中的晶体谐振元件。CMEMS是一种经过验证的技术，它能够把高性能MEMS直接构建在标准的具有先进工艺节点的CMOS晶圆（180nm）上。结合Silicon Labs混合信号的专业知识，CMEMS技术可以采用单一参考频率生成几乎所有频率输出，并且输出频率与大批量生产的晶体振荡器一样稳定。

Si50x CMEMS振荡器系列产品是首款采用CMEMS技术的产品。它针对关注功耗和尺寸的大批量、低成本应用而优化，例如在工业、嵌入式和消费类电子市场。更多即将到来的CMEMS产品也将支持其它有特殊需求的高性能市场，例如超低功耗和多同步频率。

频率控制中的MEMS和CMEMS

在过去的十年中，MEMS振荡器已经进入基于石英晶体的频率控制市场。类似于石英振荡器设计，这些MEMS振荡器采用双组件“混合”架构，包括两种物理差异明显的组件：谐振器和放大器，还有相关电路。图3显示了MEMS振荡器和XO —— 这种混合架构的两个示例。

双组件振荡器架构对比

图3. 双组件振荡器架构对比

这些结构之间的相似性是显而易见的：每一个都有两个组件，一个是振荡器裸片（Die），一个是谐振器。另一个不太明显的相似性是：和晶体一样，混合振荡器中的MEMS结构是在专业化的高端晶圆厂中加工制造而成。这些工厂聚焦于特殊的材料和工艺制造，包括磨蚀化学品和极端高温。然而，不像晶体，这些代工厂的规模经济效应才刚刚开始，这可能导致对供应持续性的担忧。

不同于标准的XO，基于MEMS的器件使用基板裸片内的温度补偿去抵消全温度范围内谐振器的频率偏移，也称为它的温度系数。使用两个分离的组件在谐振器和基板CMOS IC中的CMOS温度传感器和相关补偿电路之间产生了一个重要的热迟延。当CMOS老化后，温度传感器测量上的错误以及它的热迟延能够导致较大的频率补偿误差，并最终反映到频率输出。CMEMS技术采用它的集成化设计和谐振器材料构成和分布克服了这个弱点，这将在后面的文中进行讨论。

另一个可以改善混合MEMS+IC架构的地方就是复杂的封装，如图3所示，以及提升它在加工复杂度、成本、CMOS设计和总体性能上的性能。首先最为明显的是封装和成本差异，晶体振荡器和其它MEMS解决方案需要使用环氧树脂和/或封装接合线以物理方式把谐振器连接到放大器。例如，在图3中，MEMS需要六条封装接合线连接谐振器到它的基板。这种方法增加了成本、故障点和复杂度。混合MEMS成本也受到谐振器和CMOS基板晶圆代工厂的影响，它们每一家都有自己的利润需求和晶圆工艺步骤。总之，双组件架构和封装的复杂性带来成本、可靠性、供给和加工上的挑战。

CMEMS工艺概述

CMEMS晶圆级的工艺流程顶层视图如图4所示。它以标准的钝化和平整后的CMOS为开始（如图4（a）所示），多晶锗硅（Poly-SiGe）和纯锗（Ge）的表面是采用微机械化的，以便在CMOS电路和互连结构上创建完整的MEMS设备（如图4（b）所示）。Silicon Labs专利的CMEMS工艺技术能够使用这些材料创建微机械结构，而不会破坏底层的CMOS IC。

顶层CMEMS工艺概述

图4. 顶层CMEMS工艺概述

MEMS结构在创建完整振荡器系统的CMOS晶圆上完成生长后，CMEMS振荡器就可以在真空中使用易熔的晶圆级绑定进行封装（如图4（c）所示）。这种方法为谐振器创建了一个超洁净和高质量的气密性真空环境。那时在晶圆上就包含了完整的可工作的振荡器系统，能够在生产线上进行工艺探测和质量监控。CMEMS方法的独特之处是为基于MEMS的振荡器在大规模测试、成本和工艺改善上迈出了重要的一大步。

晶圆探测之后，裸片可以被分割，再用标准模塑复合物封装，塑料封装可来自不同的顶级供应商（如图4（d）所示）。同样，这是CMEMS的一个重要优点，因为与混合架构所需的多芯片模组或密封陶瓷封装相比，这种封装工艺更简单、更可靠和具有成本效益。

Si50x CMEMS振荡器架构概述