實現諧振器與CMOS電路堆疊設計　MEMS振盪器穩定性大躍進

從1900年代中期以來，頻率控制的市場就是由石英晶體諧振器和石英振盪器所主導。甚至到今天，幾乎所有電子設備，在某方面仍是仰賴機器加工的石英晶體，以產生運作頻率，從吉他擴音器到手表、從智慧型手機到堆高機等，絕大多數都使用石英晶體或晶體振盪器(XO)。

運用電子市場每年要用到無數晶體的龐大規模經濟，石英晶體和石英振盪器的製造精密度已達到新高，供應商也可提供更小、更薄、頻率更高的解決方案；而可行的替代方案在過去則是屈指可數，因石英壓電諧振器的特性和穩定性眾所皆知，因此容易做出具備可靠性能的晶體振盪器。

不過，仿效晶體振盪器架構的微機電系統(MEMS)振盪器已開始打進時脈頻率控制市場。這些MEMS振盪器具有絕佳的可靠性，並且可提供各種封裝尺寸的成本效益，尤其是在晶體振盪器上屬於高成本結構的小巧型封裝。

輕薄設計掀革　晶體振盪器備受挑戰

晶體振盪器所設計的運作頻率範圍很廣，從數千Hz到GHz都有，其在金屬蓋密封陶瓷封裝中結合石英諧振器及擴大器電路，透過陶瓷封裝和金屬蓋可為非常脆弱的晶體提供強大的防護罩，使組裝好的元件不致於受損。

擴大器電路會充分運用晶體的壓電性，以電反饋來創造特定頻率的共振或振盪，並由晶體諧振器的大小、切割和電鍍來控制。為支援電子業所需要範圍很廣的頻率，所以頻率控制供應商須設計、存放和製造數百、甚至數千種不同的特製晶體諧振器。

除特製晶體諧振器外，石英振盪器的開發還面臨製造上的挑戰。在整個晶體市場上，可攜式裝置占很大比重，更加輕薄短小的可攜式裝置使所有的供應商須供應體積愈來愈小的元件；而隨著所有需求頻率的石英諧振器縮減尺寸，更小、更脆弱的晶體為製造複雜度與可靠性都帶來挑戰，這項要求也導致晶體振盪器的未來發展問題叢生。

此外，晶體式解決方案在每個市場上都面臨一大難題，那就是它們先天上對環境因素很敏感，像震動、搖晃、熱應力和不同批次在製造上的變化，都會造成啟動問題和後續的運作失效。

擺脫特殊製程限制　MEMS振盪器搶出頭

過去幾年來，MEMS振盪器已躍居石英的可行替代方案，原因有幾點。第一，MEMS振盪器是在矽製程中製造，所受到的品管十分嚴格，因此只要供應商設計、保固和賦予特性得當，所產出的眾多元件都具備非常可靠的性能。

第二，運用矽流程的直接結果就是能符合摩爾定律(Moore's Law)，亦即處理能力會愈來愈強大，成本愈來愈低。換句話說，更小、更先進的矽式裝置在成本上勢必會逐漸降低。遺憾的是，晶體解決方案則是和這項定律背道而馳，亦即材料會隨著體積縮小而變得更貴，原因就在於上述的製造難題。此外，隨著晶體的製造變得更難與更貴，晶體的產量也會因為裝置愈來愈脆弱與小巧而下降。

第三個優點同樣是奠基在矽流程上。屬於矽方案的MEMS振盪器天生就對環境因素較有抵抗力，儘管這並不表示所有的MEMS解決方案在這方面都一樣理想，因產品設計會影響不同的MEMS振盪器運作能力；不過，矽方案可比晶體更能抵抗震動與搖晃，這是不爭的事實。 第一代MEMS振盪器跟石英振盪器架構相當類似，都是把兩個截然不同的元件結合起來，一是諧振器，一是把諧振器頻率的任何漂移(Drift)加以補償的擴大器IC/基座晶粒。採用MEMS使振盪器的製造大為改善，因為它免除石英振盪器所需的複雜材料處理技術，並且把石英振盪器所使用成本較高的陶瓷封裝和金屬蓋換成比較經濟的塑膠封裝。

不過，初期MEMS振盪器做法在先天上還是受到石英振盪器也在使用的雙重元件架構所限制。這些限制首先是兩個元件的封裝複雜，同時電路數量至少是類似的單晶式組裝所需要的兩倍，這會造成封裝比較昂貴，潛在失效點也會比類似的單晶/組裝流程要多。

另一層限制是，雙重元件方案缺乏有效補償所有溫度變化的能力，而這也是晶體式解決方案所面臨的問題，這點是導因於雙重元件(諧振器和擴大器/基座)所組成的系統須同步行動。基座則是在補償溫度使諧振器產生的頻率變化，由於兩種裝置沒有整合，而靠多條銲線相連，當溫度變化時，它們並不會同步行動。這種缺乏直接聯繫的情形將造成系統在溫度變化時產生偏移。

事實上，在這些溫度變動的情況下，晶體振盪器的表現仍比多晶片組合的MEMS裝置更佳，因此第一代MEMS振盪器仍無法有效取代石英方案。

堆疊CMOS晶圓　MEMS振盪器製程大躍進

圖1　溫度驟冷對晶體振盪器、第一代MEMS和CMEMS的影響比較

MEMS近期在流程技術上的新進展，使MEMS振盪器得以直接製造在CMOS基座晶粒的上方。這是很顯著的進步，原因有幾點。第一，在標準代工廠裡製造單晶片時，成本會低於用多家代工廠的元件來製作雙晶粒解決方案，或是製造晶體式解決方案。

第二，在單晶片的架構中，諧振器是直接整合基座補償與擴大器晶粒，等於是單一的統合系統，穩定性佳，能克服晶體和第一代MEMS所應付不了的震動、搖晃、老化和溫度的波動。最後，一如摩爾定律所示，單晶片解決方案比以往的解決方案提供更大的彈性與作用，其價位一般來說也比較低。

CMEMS技術(CMOS和MEMS縮寫的簡稱)的問世更進一步實現MEMS和CMOS單晶片整合(圖1)。這項獨特技術是由芯科實驗室(Silicon Labs)與其他晶圓代工廠合作開發，能把MEMS層直接建構於CMOS技術之上，而成為單晶片，並保證10年可靠性，且不受震動與搖晃所影響，可為許多目標應用廣泛編程，在溫度變化的環境中展現出色的性能。

不畏溫度變化　單晶片MEMS振盪器更精準

第一代雙重晶粒MEMS振盪器架構須把諧振器晶粒和振盪器晶粒線銲起來，所以會增加成本、複雜度及多晶片模組(MCM)設計中的許多失效點。再者，在第一代雙重晶粒方案中，MEMS諧振器由位在歐洲的專門MEMS代工廠打造，製造成本多半比在亞洲要高。這些MEMS諧振器晶圓會經過單一化，再跟位在遠東的代工廠產出之標準CMOS晶粒共同封裝。

CMEMS振盪器是由標準CMOS代工廠中芯國際協力打造，採用被廣為運用因此很便宜的矽鍺(SiGe)材料直接建構於CMOS之上，這種製程創新使CMEMS解決方案得以受惠於單一來源的較低晶圓成本，而免除多晶粒和大量銲線所導致的餘裕堆疊(Margin Stacking)與複雜封裝。

圖2　單晶片CMEMS諧振器電路圖

跟雙重晶粒的架構比起來，單晶片CMEMS振盪器在性能上還有別的好處。基於上述種種原因，雙重晶粒的架構所提供的輸出頻率可能會受到溫度變化的負面影響。如圖2所示，以石英晶體振盪器、第一代MEMS振盪器和CMEMS方案三者暴露在溫度快速變化的情形中，所測量輸出頻率的穩定性，理想的結果是Y軸的零值沒有產生變化，這代表溫度的變化並沒有使輸出頻率改變。

其中，晶體振盪器所產生的頻率偏移為理想範圍20ppm兩倍，第一代MEMS方案所產生的頻率偏移則是20ppm規格的八倍，這兩種解決方案跟CMEMS形成強烈的對比，因CMEMS和目標頻率差不到1ppm。CMEMS振盪器可支援32k~100MHz之間任何解析度達六位數頻率，並可依供電電壓、輸出升降時間、頻率穩定性、溫度支援等條件來充分組構。這些元件在功能上與很多晶體振盪器和第一代MEMS解決方案相容，並以接腳相容的四接腳封裝實現。

(本文作者為芯科實驗室時序產品行銷總監)