下面億金電子與大家一起探討MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)在精確實時時鐘(RTC)中優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)晶體技術(shù)的優(yōu)勢.最明顯的優(yōu)勢是尺寸.還討論了MEMS技術(shù)優(yōu)越的其他領(lǐng)域--CMOS工藝和開發(fā),制造和組裝以及環(huán)境耐用性.

介紹

MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)已經(jīng)在精確的實時時鐘(RTC)中實現(xiàn),使其非常堅固,在時間和溫度上都非常精確,并且比使用標(biāo)準(zhǔn)圓柱晶振技術(shù)構(gòu)建的時鐘小得多.文中探討了這種新的令人興奮的技術(shù)在精確RTC應(yīng)用中實現(xiàn)的顯著性能增強.

MEMS的基本優(yōu)勢才剛剛開始

與32.768K音叉圓柱形晶體相比,面積減少了47倍,體積減少了182倍(參見圖1),Maxim Integrated精確RTC產(chǎn)品系列中使用的MEMS諧振器技術(shù)在RTC的尺寸和封裝選項方面具有顯著優(yōu)勢.

圖1.單個MEMS諧振器占據(jù)的面積比圓柱形晶體少47倍,體積小182倍.

這種尺寸差異允許更小的封裝選擇,在高振動和沖擊環(huán)境中提供顯著增強的堅固性,并且在設(shè)備的整個壽命期間幾乎沒有老化(總共<±1ppm).

然而,MEMS為這項技術(shù)帶來的優(yōu)勢并不僅限于尺寸.有三個不同的領(lǐng)域,MEMS特性提供增強的技術(shù)優(yōu)勢.這些領(lǐng)域包括但不限于工藝和開發(fā),制造和組裝以及環(huán)境耐用性.

MEMS在CMOS工藝和開發(fā)中的應(yīng)用

讓我們快速比較MEMS工藝和晶體組裝工藝.

這里討論的MEMS諧振器技術(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工廠中開發(fā)的.基于在光刻的顯影階段建立的器件元件的形狀和尺寸,CMOS制造對于滿足目標(biāo)頻率響應(yīng)特別有利.由于MEMS是硅技術(shù),重復(fù)性和可持續(xù)性的好處適用于MEMS晶圓的制造.處理MEMS晶圓時達到的制造溫度可超過+700℃.隨后,在處理期間,MEMS諧振器可以經(jīng)受+260℃的多個回流溫度而不需要任何性能下降.(我們將在下面更詳細地討論這個問題.)這種耐久性可歸因于其材料構(gòu)成,設(shè)計和晶圓加工流程.

相比之下(并且很好理解),石英晶體組裝是一種不太穩(wěn)健的工藝,并且在產(chǎn)品到產(chǎn)品輸出方面容易發(fā)生相當(dāng)大的變化.頻率調(diào)諧和修整通常需要從晶體電極沉積或去除材料以實現(xiàn)期望的頻率.另外,必須在圓柱形載體中建立真空,以便一旦向器件施加電壓,晶體諧振器就會振動.因此,為了生產(chǎn)高質(zhì)量的器件,需要特殊材料將晶體附著到其引線上.這些材料有助于晶體在高溫(約260℃)回流操作中存活.盡管如此,需要注意的是對晶體進行多次高溫回流焊時必須小心.頻移可歸因于“晶體附著”材料的老化.

MEMS在制造和裝配中的應(yīng)用

在RTC的最終制造和裝配流程中,四個重要因素使基于MEMS的RTC具有優(yōu)于石英晶振晶體同類產(chǎn)品的優(yōu)勢.

1、MEMS實際上是集成電路(IC).因此,當(dāng)MEMS與控制芯片/RTC結(jié)合時,標(biāo)準(zhǔn)IC封裝技術(shù)適用并可以使用.這與晶體組件形成鮮明對比,晶體組件需要定制制造流程以將晶體和RTC管芯連接并固定在同一封裝中.

2、引線鍵合操作用于將控制管芯電連接到MEMS諧振器.晶體組件必須使用更復(fù)雜且不太穩(wěn)固的焊料附件或焊接晶體引線以將控制管芯連接到晶體諧振器.

3、高效的引線鍵合操作和標(biāo)準(zhǔn)封裝組件流程非常適合于大批量,低成本的制造和組裝操作.

4、MEMS和晶體之間的巨大差異提供了更小尺寸的SMD晶振封裝選擇,包括晶體不可能的芯片級組件.

圖1展示了晶體的巨大尺寸差異以及由此產(chǎn)生的封裝要求.DS323 1MZ+RTC采用8引腳150mil SO 封裝,而上一代基于晶體的DS3231S RTC采用16引腳300mil SO封裝,具有相似的功能和性能.8引腳SO封裝尺寸不到16引腳300密耳封裝尺寸的一半.最后,不要錯過,較小的包裝降低了成本.

MEMS在環(huán)境方面非常堅固

基于MEMS的RTC基于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和觀察已經(jīng)證明并證明了性能優(yōu)勢.在復(fù)制客戶附件的回流操作(3倍+260℃)下,MEMS器件的頻率偏移小于±1ppm(圖2a和2b).面對同一回流溫度暴露方案的石英晶體基產(chǎn)品表現(xiàn)出高達±5ppm的變化(圖3a和3b).

圖2a和2b.DS3231M RTC的數(shù)據(jù)顯示在回流焊(2a,頂部)和回流焊(2b,底部)之前.頻移小于±1ppm.

圖3a和3b.回流之前(3a,頂部)和之后(3b,底部)的基于晶體的RTC的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)顯示回流后的轉(zhuǎn)換率高達±5ppm.

基于MEMS的RTC已通過AEC-Q100認(rèn)證進行沖擊和振動測試.它們可以承受超過2900g(x5)的機械沖擊(JESD22-B104C Condition-H)和超過20g的變頻振動(JESD22-B103B Condition-1).

摘要

性能數(shù)據(jù)和處理經(jīng)驗證明,基于MEMS的RTC與傳統(tǒng)的基于晶體晶振的RTC相比具有明顯的優(yōu)勢.我們談到了工藝和開發(fā),制造和裝配以及環(huán)境堅固性方面的具體優(yōu)勢.此外,MEMS時鐘的頻率精度隨時間(壽命)小于±5ppm.溫度和回流后的頻率精度仍小于±5ppm.MEMS在更高的溫度下工作.它們采用較小的包裝,最終成本更低.