可編程特性彰顯　MEMS振盪器優化平板開發

然而，除了iPad的成功之外，平板電腦市場仍處於眾多製造商想盡各種方法吸引消費者付費購買該產品的初期階段。由於該市場處於萌芽階段與高度競爭的環境，其所帶給平板電腦設計和供應鏈管理等從業人員諸多不可忽視的挑戰，諸如：

‧	新設計快速量產是該產品是否成功關鍵
	因此該產品設計時所採用的元件，是否具備符合產品設計變更、解決設計問題的彈性至關重要。

‧	可攜式產品對於外觀設計要求越薄越小
	取決於使用元件是否能持續在封裝的尺寸和厚度實現更小與更薄。

‧	裝置銷售量與季節性需求關連甚大
	因此，所採用元件在供貨彈性上的能力，將成為廠商是否能盡量避免物料短缺或降低庫存壓力及風險，同時滿足市場需求變化的關鍵因素。

許多人認為微處理器與系統單晶片(SoC)是平板電腦大腦，而時脈或頻率元件則可被視為該產品心臟。平板電腦設計上，通常會用到數個頻率元件。

傳統設計上，以石英製造的產品，長久以來扮演主要的頻率元件。然而，已有眾多的平板電腦與電子書閱讀器，在產品設計上已經或正在考慮使用以微機電系統(MEMS)為核心的頻率元件來取代傳統的石英元件，以因應在平板電腦市場內，快速變化所帶來的各項設計和經營上的挑戰。

本文提供了基於MEMS所設計製造的時脈技術簡單描述，並進一步剖析MEMS時脈產品的優點及特性。在加快產品上市、更輕薄產品設計、降低庫存開銷、確保時脈元件供應滿足市場需求變動等方面，如何協助如平板電腦、電子書閱讀器等製造商達到更佳設計和管理目標。

全矽MEMS振盪器嶄露頭角

MEMS元件涵蓋諧振器、振盪器及頻率產生器(Clock Generator)，而MEMS振盪器在電路應用中可作為單一頻率元件或頻率參考源。典型的電子電路系統，一般可能使用到五顆時脈元件，該類元件所使用數量會隨系統設計的複雜度增加。

直至今日，頻率振盪器仍以石英為核心材料。然而，由於石英材料本身在技術受到限制，其關鍵元件如基座(Substrate)、起振晶片、石英晶片均已達到效能改善和降低成本的臨界點。因此，由於以石英為核心生產技術的產品漸漸無法達到系統廠商的需求，電子產業正開始逐步採用以MEMS為核心技術的時脈產品。

圖1　將MEMS諧振體晶片以及類比CMOS振盪IC堆疊封裝而成的典型全矽MEMS振盪器。

如圖1所示，典型的MEMS振盪器為一內含單晶矽MEMS諧振體的全矽晶片，利用堆疊封裝方式，安裝在一高效能的類比互補式金屬氧化物半導體(CMOS)振盪IC之上。

兩顆IC被塑封進四方形扁平無接腳封裝(QFN)，封裝尺寸、焊接點與傳統標準石英振盪器100%完全相容一致。在設計和生產方面，系統設計人員無須變更任何印刷電路板(PCB)設計，直接採用MEMS振盪器取代傳統石英。

與傳統石英振盪器相比，由於其平台的可編程功能(圖2)，MEMS振盪器可支援各種工作電壓、頻率、精度及尺寸的規格組合，且保持最佳工作效能，避免過去因石英僅提供有限的頻率元件規格組合，而局限設計人員的在系統設計最佳化方面的設計能力。這個可編程特性使得MEMS振盪器可快速為平板電腦設計人員與生產系統廠商提供需要的正確規格產品(圖3)，並協助其產品整體設計達到最佳優化程度，而不須犧牲交貨週期、品質及可靠性。

圖2　MEMS振盪器功能方塊圖

圖3　MEMS振盪器在平板電腦內的應用

藉由為數可觀的半導體製造和封裝產業的供應鏈，MEMS時脈元件供應商可持續並快速的創新其技術及產品。目前這些MEMS時脈元件已可支持通訊技術及所需要的效能和功能，如符合SONET與無線網路應用要求<1ps RMS的相位抖動指標；±1PPM頻率在整個工作溫度範圍內保持穩定；滿足涵蓋全部工作溫度範圍內，在±1PPM的頻率穩定性指標；提供中心頻率達六位小數點精度，並高達800MHz的頻率訊號輸出。

MEMS時脈元件目前幾乎涵蓋絕大多數不同類別的振盪器，包括單端低壓CMOS(LVCMOS)標準訊號輸出振盪器、差分訊號振盪器、低功耗振盪器、壓控振盪器(VCXO)、壓控溫補振盪器(VCTCXO)、溫補振盪器(TCXO)及降低電磁干擾(EMI)的展頻振盪器等。

完整的MEMS時脈產品組合使得MEMS時脈供應廠商能提供平板電腦、電子書閱讀器在內的大部分系統製造商最佳化的一站到位(One-Stop-Shopping)服務。

更重要的是，因其完整的產品組合，加速不同應用領域採用MEMS時脈技術的進程，如業界已有領導廠商，截至2011年5月為止，已有五千萬顆MEMS振盪器的出貨記錄，並涵蓋從消費類電子產品、計算機到需要高穩定性如儲存伺服器、網路交換機、路由器等應用。

可編程功能達成產品快速上市

MEMS振盪器主要以可編程平台為設計基礎，使得系統設計者可依其實際真實需求來客製化準確的規格，並解決一些設計上的問題，讓產品快速進入市場。其中一個例子的應用是利用可編程功能改變振盪器輸出訊號的上升緣及下降緣，來改善或解決系統所隱含的EMI問題。

平板電腦或電子書閱讀器包含無線傳輸的子系統和一些類比數位混合電路設計。一般情況下，若PCB布線未能設計最佳化，這類電路所衍生的諧波通常在設計中成為未可預期EMI干擾來源或主因，並對無線射頻訊號及無線資料傳輸子系統造成嚴重干擾。這些干擾將使得射頻訊號品質變得較為惡劣，並降低透過無線方式傳遞的資料傳輸量，甚至導致無法透過無線方式連結。

傳統上，設計人員為降低對於此類由頻率訊號諧波所產生的EMI干擾，通常採用重新設計系統板子布線，或外加屏蔽金屬殼，兩種方式均頗為昂貴，並容易導致產品上市延遲。現藉由可編程MEMS振盪器，設計者極可能僅採用調整頻率訊號的上升與下降緣的參數，而完全解決這類EMI所造成的問題。

平板電腦一般採用單端CMOS輸出振盪器。一般這類產品有的EMI問題，通常來自於時脈頻率訊號，以及該訊號的諧波。而降低該頻率訊號的上升/下降緣通常為一個可行且有效的方法，且該方法也不至於帶來像是增加功耗或周邊更多元件等負面影響。

圖4　三種不同上升/下降緣時間的50MHz頻率訊號波形

圖4顯示三種不同上升/下降緣速度的時脈頻率訊號波形。圖5則顯示以50MHz為中心頻率時，該頻率的諧波訊號與上升/下降緣時間之間的函數關係(假設上升緣與下降緣時間一致)。所有上升緣時間是以訊號峰對峰值時的最大值做定義。

如圖5所示，當時脈訊號維持峰對峰值時，相較於1奈秒(ns)上升/下降緣速度，若該速度調整為9奈秒，則絕大多數的諧波訊號被降低20dB或更多。這種因為調整上升/下降緣速度，而降低因諧波所導致的EMI，並足夠讓平板電腦設計人員去除因EMI因素所導致對無線傳輸子系統的干擾，而毋須重新設計系統，或增加昂貴的屏蔽元件。

圖5　當上升/下降時間放緩時，時脈訊號的諧波強度相對降低的程度。

相反的，石英振盪器則不具備這種提供較緩上升/下降緣時間的可編程特性。使用這類缺乏設計彈性的固定頻率石英頻率元件時，設計人員一般須要尋求一些其他較為昂貴且耗時的方案，以解決這類型EMI干擾問題。這是一般傳統石英元件在本質上所存在的限制。

輕薄/時髦產品大行其道

可攜式產品如平板電腦等，由於其朝向超薄且整合更多功能的設計趨勢，其對於元件供應商在縮小元件尺寸和高度方面的要求也持續不斷增加。

而在降低元件厚度要求這方面，對石英振盪器的供應商而言，成為一特別困難的挑戰，因為在一些頻率上，石英必須具備一定的厚度，特別是越低頻率的石英，其所須被切割研磨的厚度越厚，而因成本方面的考量，絕大部分平板電腦系統設計上均使用較低頻率的元件，這使得設計人員在採用石英這類元件時，將面臨兩難抉擇。

圖6　超薄、僅0.25毫米的MEMS振盪器與一般石英振盪器之比較。

典型的MEMS振盪器一般僅為石英振盪器厚度的一半。然而，在MEMS振盪器內部，若將MEMS諧振器IC採用平面方式與搭配的高效能類比CMOS起振IC封裝，而不採用堆疊方式，則該MEMS振盪器能達到僅0.25毫米的超薄厚度(圖6)。

這種超薄振盪器不僅可使得系統設計人員實現各類不同的超薄終端產品，如無線支付卡，這類支付卡一般亦可應用於像平板電腦之類便攜式產品的擴充卡，進而免除因傳統石英等頻率元件造成系統設計人員設計產品時的高度限制。

庫存管理實現最短交貨期

當設計人員集中大部分精力在元件的效能和功能同時，供應鏈管理者則更關心會影響該公司營業額和產品成本，以及是否元件商能順利交貨這些因素。

相較於其他消費類電子產品，平板電腦則更加與季節性需求相關，而其變動性亦受消費者喜好及外在經濟環境好壞影響甚大。由於平板電腦仍在萌芽階段，更導致廠商對於市場需求和銷售數字預估的不確定性。

因此，一般平板電腦系統製造商的供應鏈管理人員面臨兩難狀況。一方面，為極大化公司營業額，必須保證公司有足夠的庫存以因應可能突然出現的需求顛峰；另一方面，亦須小心翼翼地管理可能過多的庫存及那些會直接影響公司利潤的庫存品成本。舉例而言，傳統石英振盪器通常僅著重於一些標準頻率和一些標準品的製造跟販售，這樣的經營特性限制石英振盪器供應商僅針對標準品準備庫存並對非標準品採接單生產(Build-to-order)運作模式。由於石英產品產業採近似俘虜式供應鏈(Captive Downstream Supply Chain)模式，石英振盪器內部分關鍵性元件由少數幾家供應商提供，這使得石英振盪器的交貨期受這些關鍵元件的影響甚巨。因此，當無現貨或者庫存品時，一般石英振盪器供應商通常僅能提供標準產品6～8週交貨週期；而非標準品的交貨週期則須延長至8～16週的承諾。

這樣長的交貨週期，使得平板電腦製造商在處理持續進行的市場需求變動時面臨嚴峻的挑戰。這些廠商經常性的，或者須面對突如其來量產需求上的石英頻率元件短缺，或須處理可能因需求突然下降而導致的大量庫存，並處理可能過時卻無法使用的石英振盪器。這兩種狀況都會影響該公司在營業額與利潤雙方面的營運績效，因此適當管理庫存水位、控管成本及確保公司有能力對於突如其來的需求高峰提供服務等，對於平板電腦的供應鏈管理人員而言都是一持續挑戰性的工作。

相對而言，MEMS振盪器主要藉用半導體產業供應鏈及其高品質的量產流程(圖7)，因此可大幅度減短頻率元件的供貨週期。

圖7　單晶矽MEMS振盪器量產流程

在半導體量產流程中，MEMS振盪器供應商可利用晶圓庫存(Die Bank)方式，儲存大量可編程的空白半成品元件，作為縮短交貨週期的手段。由於這些空白半成品元件在最後出廠前利用編程方式完成各種規格組合，供應商完全無須擔心庫存呆料的風險。

利用這種量產方式流程，供應商可根據實際客戶採購訂單立即客製化其產線生產計畫，並將不論任何頻率、工作電壓、精度、封裝尺寸等不同規格組合的產品之交貨週期縮短，甚至到2週之內。

可編程MEMS振盪器不僅提供平板電腦原始設備製造商(OEM)相較於石英廠商僅四分之一的短交貨週期，由於MEMS振盪器廠商一般維持一定量的空白元件庫存，因此能夠隨時調整產線計畫以因應持續且快速變化的平板電腦市場需求，並讓本身及協助系統廠商降低元件短缺的風險。這些透過MEMS振盪器技術帶來的優點，不僅簡化平板電腦製造商在供應鏈方面的管理，更重要的是降低其儲備庫存和管理成本，使得平板電腦廠商得以優化其成本結構並增加產品利潤率。

作為防止供應鏈中斷之風險多元化戰略的MEMS振盪器對平板電腦OEM來說，採用MEMS振盪器的好處不僅在於縮減交貨週期和優化供應鏈管理，更重要的是，在目前脆弱的全球供應鏈中，其代表一種重要的風險分散的策略應用。

平板用MEMS振盪器優勢突顯

對於平板電腦生產廠商，MEMS振盪器相對石英振盪器會帶來許多的優勢。這些優勢包括較短的交貨週期、更佳的庫存管理能力、因應市場需求變動的持續可供貨能力，以滿足廠商新品設計更輕、薄、小的需求，同時提供能快速量產的服務。此外，平板電腦廠商同時使用石英與MEMS技術的時脈元件時，亦可分散因不同產品短缺時的風險。

(本文作者Jeff Gao為SiTime產品市場行銷總監、David Hsieh為亞太區銷售副總裁、Sassan Tabatabaei為戰略應用總監)