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更多>>MEMS晶振在制造和裝配中的應(yīng)用
來源：http://www.jqhs.com.cn 作者：康比電子 2019年07月27
康比電子本應(yīng)用筆記探討了MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)在精確實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)中優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)晶體技術(shù)的優(yōu)勢(shì).最明顯的優(yōu)勢(shì)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.MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)已經(jīng)在精確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)中實(shí)現(xiàn),使其非常堅(jiān)固,在時(shí)間和溫度上都非常精確,并且比使用標(biāo)準(zhǔn)圓柱形晶體技術(shù)構(gòu)建的時(shí)鐘小得多.本應(yīng)用筆記探討了這種新的令人興奮的技術(shù)在精確RTC應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的顯著性能增強(qiáng).
MEMS的基本優(yōu)勢(shì)才剛剛開始
與32.768KHZ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),MaximIntegrated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(xiàng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)今天.
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圖1.單個(gè)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(dòng)和沖擊環(huán)境中提供顯著增強(qiáng)的堅(jiān)固性,并且在設(shè)備的整個(gè)壽命期間幾乎沒有老化(總共<±1ppm).
然而,MEMS為這項(xiàng)技術(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)并不僅限于尺寸.有三個(gè)不同的領(lǐng)域,MEMS晶振特性提供增強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì).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(bǔ)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(duì)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(shí)達(dá)到的制造溫度可超過+700°C.隨后,在處理期間,MEMS諧振器可以經(jīng)受+260℃的多個(gè)回流溫度而不需要任何性能下降.(我們將在下面更詳細(xì)地討論這個(gè)問題.)這種耐久性可歸因于其材料構(gòu)成,設(shè)計(jì)和晶圓加工流程.
相比之下(并且很好理解),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(shí)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,石英晶體諧振器就會(huì)振動(dòng).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°C)回流操作中存活.盡管如此,還是有一個(gè)警告.對(duì)晶體進(jìn)行多次高溫回流焊時(shí)必須小心.頻移可歸因于“晶體附著”材料的老化,
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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(gè)重要因素使基于MEMS的RTC具有優(yōu)于晶體同類產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì).
首先,MEMS實(shí)際上是集成電路(IC).因此,當(dāng)MEMS與控制芯片/RTC結(jié)合時(shí),標(biāo)準(zhǔn)IC封裝技術(shù)適用并可以使用.這與貼片晶振組件形成鮮明對(duì)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.
其次,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.
第三,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.
第四,MEMS和晶體之間的巨大差異提供了更小尺寸的封裝選擇,包括晶體不可能的芯片級(jí)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.DS3231MZ+RTC采用8引腳150milSO封裝,而上一代基于晶體的DS3231SRTC采用16引腳300milSO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(cuò)過,較小的包裝降低了成本.
MEMS在環(huán)境方面非常堅(jiān)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(shì).
在復(fù)制客戶附件的回流操作(3倍+260°C)下,MEMS器件的頻率偏移小于±1ppm(圖2a和2b).面對(duì)同一回流溫度暴露方案的晶振基產(chǎn)品表現(xiàn)出高達(dá)±5ppm的變化(圖3a和3b).
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性能數(shù)據(jù)和處理經(jīng)驗(yàn)證明,基于MEMS晶振的RTC與傳統(tǒng)的基于晶體的RTC相比具有明顯的優(yōu)勢(shì).我們談到了工藝和開發(fā),制造和裝配以及環(huán)境堅(jiān)固性方面的具體優(yōu)勢(shì).此外,MEMS時(shí)鐘的頻率精度隨時(shí)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.對(duì)于使用基于MEMS的精確RTC產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì),肯定很難爭論.
MEMS的基本優(yōu)勢(shì)才剛剛開始
與32.768KHZ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),MaximIntegrated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(xiàng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)今天.
然而,MEMS為這項(xiàng)技術(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)并不僅限于尺寸.有三個(gè)不同的領(lǐng)域,MEMS晶振特性提供增強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì).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(bǔ)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(duì)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(shí)達(dá)到的制造溫度可超過+700°C.隨后,在處理期間,MEMS諧振器可以經(jīng)受+260℃的多個(gè)回流溫度而不需要任何性能下降.(我們將在下面更詳細(xì)地討論這個(gè)問題.)這種耐久性可歸因于其材料構(gòu)成,設(shè)計(jì)和晶圓加工流程.
相比之下(并且很好理解),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(shí)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,石英晶體諧振器就會(huì)振動(dòng).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°C)回流操作中存活.盡管如此,還是有一個(gè)警告.對(duì)晶體進(jìn)行多次高溫回流焊時(shí)必須小心.頻移可歸因于“晶體附著”材料的老化,
在RTC的最終制造和裝配流程中,四個(gè)重要因素使基于MEMS的RTC具有優(yōu)于晶體同類產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì).
首先,MEMS實(shí)際上是集成電路(IC).因此,當(dāng)MEMS與控制芯片/RTC結(jié)合時(shí),標(biāo)準(zhǔn)IC封裝技術(shù)適用并可以使用.這與貼片晶振組件形成鮮明對(duì)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.
其次,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.
第三,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.
第四,MEMS和晶體之間的巨大差異提供了更小尺寸的封裝選擇,包括晶體不可能的芯片級(jí)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.DS3231MZ+RTC采用8引腳150milSO封裝,而上一代基于晶體的DS3231SRTC采用16引腳300milSO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(cuò)過,較小的包裝降低了成本.
MEMS在環(huán)境方面非常堅(jiān)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(shì).
在復(fù)制客戶附件的回流操作(3倍+260°C)下,MEMS器件的頻率偏移小于±1ppm(圖2a和2b).面對(duì)同一回流溫度暴露方案的晶振基產(chǎn)品表現(xiàn)出高達(dá)±5ppm的變化(圖3a和3b).
圖2a和2b.DS3231MRTC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(dá)±5ppm.
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(dá)±5ppm.
基于MEMS的RTC已通過AEC-Q100認(rèn)證進(jìn)行沖擊和振動(dòng)測(cè)試.它們可以承受超過2900g(x5)的機(jī)械沖擊(JESD22-B104CCondition-H)和超過20g的變頻振動(dòng)(JESD22-B103BCondition-1).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(dá)±5ppm.
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(dá)±5ppm.
性能數(shù)據(jù)和處理經(jīng)驗(yàn)證明,基于MEMS晶振的RTC與傳統(tǒng)的基于晶體的RTC相比具有明顯的優(yōu)勢(shì).我們談到了工藝和開發(fā),制造和裝配以及環(huán)境堅(jiān)固性方面的具體優(yōu)勢(shì).此外,MEMS時(shí)鐘的頻率精度隨時(shí)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.對(duì)于使用基于MEMS的精確RTC產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì),肯定很難爭論.
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