全硅MEMS振蕩器的質量、可靠性和耐用性

　　石英振蕩器是一個石英晶體為主的機械振動結構，易碎，而且對外界環(huán)境敏感。很多因素會直接影響到石英的質量和可靠性。

　　原因之一在于，石英面臨一個被稱作“活性下降(Activity Dip)”的問題，可能直接造成振蕩器停振或輸出頻率偏差的現(xiàn)象。

　　圖7 Activity Dip 造成于溫度有關的振蕩器失效

　　圖 7為石英晶體具有的不同共振波模(resonant modes)，其中某些共振波模會因外界溫度變化而移動，但晶體主要共振波模又稱基本共振波模(main or fundamental mode)，靠設計及制造工藝來保持其不受溫度影響。但作為振蕩器成品，一旦受溫度影響的共振波模與基本共振波模重疊，就會引起嚴重頻率偏差，甚至完全停振。Activity Dip現(xiàn)象很難靠測試來篩選，這也是石英在可靠性和一致性方面比全硅MEMS產(chǎn)品較差的因素之一。

　　除Activity Dip外，晶體要保持良好的頻率穩(wěn)定性與石英封裝時用氮氣密封質量好壞有直接關系。石英振蕩器在運輸、SMD上線，或系統(tǒng)正常運作過程中受震動或老化影響，一旦漏氣，就會造成停振，導致整個系統(tǒng)失效。 所以石英漏氣是石英振蕩器最常見的質量問題之一。

　　相比之下，全硅MEMS振蕩器利用半導體標準制程和封裝，以IC的方式產(chǎn)生輸出信號。產(chǎn)品本身無需密封，在設計測試中也徹底排除了Activity Dip等問題，使之在不同外界環(huán)境(溫度、濕度、震動等)中保持良好的頻率性和質量上的一致性。

　　組件的可靠性一般是用平均無故障時間(MTTF或MTBF)作為衡量標準，衡量單位為百萬小時，數(shù)字越高表示產(chǎn)品越可靠。

　　受石英材料工藝限制，目前一線石英大廠也只能達到3千萬小時MTBF值。如表1所示，MEMS振蕩器基于全硅架構，在MTBF指標上優(yōu)于石英10多倍，這也使得振蕩器不再是系統(tǒng)產(chǎn)品質量問題的焦點之一。

　　表1 石英與全硅MEMS振蕩器可靠性和抗震能力比較

　　那MEMS振蕩器超越石英30倍的抗震優(yōu)勢在應用上又有何價值呢?現(xiàn)代移動產(chǎn)品如電子書、固體硬盤(SSD)等，不但體積越來越小，更在朝超薄型發(fā)展。但這些移動產(chǎn)品，卻恰恰有一個所謂的跌落測試(drop-test)，來驗證包括振蕩器在內的產(chǎn)品整體可靠性和穩(wěn)定性。

　　對于石英來說，體積越小、厚度越薄，就越易破裂也越易出現(xiàn)頻偏、精度降低的現(xiàn)象。跌落測試是石英振蕩器難跨越的門檻，同時也給了MEMS振蕩器大顯身手的機會。MEMS在可靠性和抗震效應上的優(yōu)勢，使之不但成為移動產(chǎn)品中振蕩器的理想選澤，更是軍工、汽車、醫(yī)療、網(wǎng)絡通信等高可靠性產(chǎn)品中的必用品。

　　通過以上對比大家可以看到，全硅MEMS時鐘產(chǎn)品取代石英已是既成的事實。接下來，如何加快采用全硅MEMS時鐘技術的步伐?是否可以一料通用，減少需管理料號，減低管理成本?是否可利用全硅MEMS時鐘產(chǎn)品的優(yōu)異可靠性來提升系統(tǒng)產(chǎn)品的質量等等，都是值得我們思考的地方。

　　全硅MEMS時脈產(chǎn)品的時代已經(jīng)到來了

　　全硅MEMS時脈產(chǎn)品的出現(xiàn)對石英在電子產(chǎn)品中已占據(jù)了60年的霸主地位起到了沖擊。時脈組件，在電子組件產(chǎn)業(yè)全面“硅“化的過程中以是最后一個前沿(last frontier), 因為今天的電子產(chǎn)品中除振蕩器，電阻，電容外以很少能找出非硅組件。如果說石英的技術經(jīng)過60年發(fā)展已達到極限，那末全硅MEMS技術則應該說正在進如高速成長期，根據(jù)”moore’s law, 在今后5年內MEMS時脈產(chǎn)品會更小，更薄，更可靠，更耐用，更多的功能，更短的供貨期和更靈活更快的克制化，其性價比也會將石英遠遠拋在后面。

　　即然全硅MEMS時脈產(chǎn)品取代石英以是既成事實，那末研發(fā)和物料管理人員是否也應用更有創(chuàng)新的思維去評估這種更型換代的產(chǎn)品可對公司帶來的價值?如果加快采用全硅MEMS時脈技術的步伐，是否可以一料通用，減少需管理料號，減低管理成本?是否可利用全硅MEMS時脈產(chǎn)品優(yōu)異可靠性來提升系統(tǒng)產(chǎn)品的質量?這些都是值得思考的地方。