下面億金電子與大家一起探討MEMS(微機電系統)技術在精確實時時鐘(RTC)中優于標準晶體技術的優勢.最明顯的優勢是尺寸.還討論了MEMS技術優越的其他領域--CMOS工藝和開發,制造和組裝以及環境耐用性.

介紹

MEMS(微機電系統)技術已經在精確的實時時鐘(RTC)中實現,使其非常堅固,在時間和溫度上都非常精確,并且比使用標準圓柱晶振技術構建的時鐘小得多.文中探討了這種新的令人興奮的技術在精確RTC應用中實現的顯著性能增強.

MEMS的基本優勢才剛剛開始

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產品系列中使用的MEMS諧振器技術在RTC的尺寸和封裝選項方面具有顯著優勢.

圖1.單個MEMS諧振器占據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,在高振動和沖擊環境中提供顯著增強的堅固性,并且在設備的整個壽命期間幾乎沒有老化(總共<±1ppm).

然而,MEMS為這項技術帶來的優勢并不僅限于尺寸.有三個不同的領域,MEMS特性提供增強的技術優勢.這些領域包括但不限于工藝和開發,制造和組裝以及環境耐用性.

MEMS在CMOS工藝和開發中的應用

讓我們快速比較MEMS工藝和晶體組裝工藝.

這里討論的MEMS諧振器技術是在標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)工廠中開發的.基于在光刻的顯影階段建立的器件元件的形狀和尺寸,CMOS制造對于滿足目標頻率響應特別有利.由于MEMS是硅技術,重復性和可持續性的好處適用于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成,設計和晶圓加工流程.

相比之下(并且很好理解),石英晶體組裝是一種不太穩健的工藝,并且在產品到產品輸出方面容易發生相當大的變化.頻率調諧和修整通常需要從晶體電極沉積或去除材料以實現期望的頻率.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,為了生產高質量的器件,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具有優于石英晶振晶體同類產品的優勢.

1、MEMS實際上是集成電路(IC).因此,當MEMS與控制芯片/RTC結合時,標準IC封裝技術適用并可以使用.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雜且不太穩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準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在環境方面非常堅固

基于MEMS的RTC基于環境標準和觀察已經證明并證明了性能優勢.在復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品表現出高達±5ppm的變化(圖3a和3b).

圖2a和2b.DS3231M RTC的數據顯示在回流焊(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的數據.數據顯示回流后的轉換率高達±5ppm.

基于MEMS的RTC已通過AEC-Q100認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

性能數據和處理經驗證明,基于MEMS的RTC與傳統的基于晶體晶振的RTC相比具有明顯的優勢.我們談到了工藝和開發,制造和裝配以及環境堅固性方面的具體優勢.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.