MEMS硅晶振替代石英六大優勢解決電子工程師問題痛點

發布時間：2022-03-18作者來源：薩科微瀏覽：2114

導讀：在不斷拓展的計時場景應用中，電子系統對計時元件提出了更高、更復雜的技術要求，而傳統的石英晶振無法克服其固有限制，如怕摔怕振，易斷裂，易溫漂，有限的頻率等缺點。其已經不能滿足所有應用領域需求。與石英晶振相比，MEMS硅晶振憑借有不停振、不跑偏、不怕摔，無溫漂，體積小可編程等優勢將有機會替代傳統石英晶振，解決電子工程師設計的痛點。我愛方案商原創MEMS應用專題，匯聚六大MEMS工程優勢，幫助工程師深度認識MEMS晶振產品、技術、替代案例，推薦的應用領域。本專題得到原廠和代理商支持，我們對有項目導入需求的工程師提供免費樣片，讓工程師隨看即用。
隨著MEMS優勢逐漸被工程師了解和在汽車、通信、網絡設備、工業領域的應用快速增加，其成本和可編程易用性不斷改善，應用不斷向可穿戴和智能家居等消費領域滲透。我愛方案網通過比對石英晶振與MEMS晶振來幫助工程師選型和提高導入新產品的能力。除了成本因素，與傳統石英晶振相比，MEMS硅晶振憑借能簡化系統設計、擁有高質量高可靠性、對EMI和振動敏感性低、占用板間距空間少、抗沖更強等優勢正在改變電子計時市場。我們相信更多電子工程師正在導入更大優勢的MEMS硅晶振。

Sitime是主流MEMS晶振原廠，針對MEMS硅晶振場景應用，SiTime公司已經在主流MCU時鐘應用、自動控制、IoT與移動設備、安防與監控、5G/通信、汽車、音頻和流媒體等場景快速落地應用。截至目前，SiTime已經向超過10，000家客戶交付了數十億顆元件，其中包括蘋果、FitBit、Garmin、海康威視、三星電子、谷歌、微軟、戴爾和華美等。
另外，據相關市場研究機構預計，由于5G、物聯網（IoT）及自動駕駛驅動，到2024年MEMS振蕩器市場規模將達到100億美元。SiTime已經開始將戰略目標重心瞄向拓展汽車、物聯網及5G/通信等市場。與傳統的石英晶振相比，新型MEMS振蕩器正憑借以下六大優勢強勢入駐各大應用市場。

1、MEMS振蕩器簡化了系統設計

從表面上看，使用石英晶體的振蕩器設計似乎是直接的，特別是考慮到這項技術的成熟。但是，在將晶體與振蕩器電路匹配時，需要考慮無數的設計參數。這些參數包括晶體運動阻抗、諧振模式、驅動電平和振蕩器負電阻，它們是衡量振蕩器增益的指標。
此外，并聯諧振模式晶體必須考慮負載電容，它應考慮PCB寄生電容，以及可能包含在振蕩器電路中的片上集成電容。必須仔細考慮所有這些參數，以確保電路的可靠啟動和運行。由于振蕩器電路需要諧振器與振蕩器電路的緊密匹配，晶體供應商不能保證晶體的啟動。

相反，MEMS振蕩器是一個完整的解決方案。振蕩器制造商將石英諧振器與振蕩器電路相匹配，從而減輕了電路板設計者的負擔。由于消除了匹配誤差，SiTime保證了振蕩器的啟動。簡而言之，MEMS振蕩器是一種即插即用的解決方案，大大簡化了系統設計。

2、提供了高質量和高可靠性

相對于石英晶體的專門制造工藝，MEMS振蕩器制造商采用標準的半導體封裝工藝，這包括硅片級的諧振器和振蕩器集成電路的生產，以及與標準引線框架的塑料封裝的模具結合。
SiTime的MEMS First工藝采用標準的硅制造技術，在非常高溫，清潔，真空的環境中密封MEMS。這為MEMS創造了一個非常干凈，無濕氣的環境，并且消除了污染或水分引起的Activity Dip的可能性。
所有SiTime產品均采用強大的6-Sigma工藝設計并投入生產。產品按照適當的JEDEC和AEC標準進行充分表征和鑒定。為了確保[敏感詞]質量，SiTime在每個生產批次的樣品上對溫度范圍進行批次驗收測試（LAT）。SiTime的超高質量已經在成千上萬的裝置上得到了驗證。其實際的現場報廢率低于2 DPPM，在半導體行業中名列前茅。經過六年多的出貨，SiTime已經沒有MEMS領域的故障。

3、MESM振蕩器EMI敏感性低

電磁能量，在大多數系統中是常見的，可以通過暴露的PCB痕跡，連接晶體諧振器和包含振蕩器電路的集成電路。這種噪聲可以耦合到振蕩器電路中并傳遞到輸出端，從而增加系統的抖動和噪聲。然而，集成振蕩器在諧振器和振蕩器IC之間沒有暴露的PCB連接，連接MEMS諧振器和IC的鍵合線或球非常短。這使得MEMS振蕩器對電磁干擾不太敏感。如下表和圖所示，SiTime硅晶振比晶體諧振器低11.3dBm(線性尺度上的134倍)。

4、MEMS振蕩器占用板空間少

MEMS振蕩器是一個完全集成的解決方案，不需要外部組件，如電源去耦蓋。SiTime的1.5毫米x0.8毫米(1508)足跡小于最小的石英晶體足跡1.6毫米x1.2毫米。當考慮到32kHz石英晶體所需的負載電容時，總板面積或Xtal溶液的體積是原來的3倍以上。

5、振動敏感度更低，抗沖更強

SiTime MEMS振蕩器與類似的石英晶振器件相比，電路設計的振動敏感度更低，抗沖擊能力更強。一些需要非常穩定頻率的系統，如無線基站和小小區，可能會因振動而發生系統故障和服務中斷。SiTime MEMS振蕩器具有抗振動能力，因為MEMS諧振器的質量比石英諧振器的質量低大約1,000到3,000倍。這意味著在MEMS結構上施加一定的加速度，例如沖擊或振動，將導致比其石英等效力低得多的力，從而導致更低的頻移。

圖5顯示，SiTime MEMS振蕩器的振動靈敏度比石英振蕩器低10倍以上。請注意，這個數字是基于測量石英振蕩器，而不是被動晶體諧振器，但類似的結果是預期的石英晶體諧振器。

6、MEMS硅振蕩器任何頻率都易獲得

與晶體諧振器相比，MEMS諧振器是基于標準諧振器結構的。MEMS振蕩器的輸出頻率是通過對不同乘法值的鎖相環編程產生的。這使得頻率范圍非常寬，精度達到六位數。此外，MEMS硅振蕩器是用標準半導體工藝和封裝。由于MEMS振蕩器廠商利用非常大的半導體工業基礎設施，容量實際上是無限的。
MEMS振蕩器樣品可以編程并在一天內獲得，甚至對非標準頻率也是如此。通過使用SiTime的低成本時間機器II程序員和現場可編程振蕩器，設計者可以在他們的實驗室中立即編程振蕩器，以創造一個設備的任何頻率，任何供電電壓和任何穩定的設備在設備的操作范圍內。

二、MEMS硅晶振場景應用

2.1、汽車MEMS計時解決方案

針對汽車計時系統的應用，SiTime公司憑借突破性技術和快速創新，其MEMS振蕩器業務已經覆蓋了汽車攝像頭、ADAS計算機、以太網、雷達與激光雷達、高精度全球導航衛星系統、信息娛樂系統、引擎與動力系統、無線充電器等。其汽車MEMS振蕩器產品的魯棒性提高了30倍，并AEC-Q100兼容，是為符合ASIL（汽車安全完整性等級）的汽車應用而設計，如先進的驅動輔助系統(ADAS)、車載以太網、動力總成和電子控制單元(ECU)。
其次，根據SiTime的數據顯示，每臺車有20-70個振蕩器機會，每臺車MEMS成本為3到10美元，而在這些[敏感詞]溫度和振動惡劣環境中的MEMS振蕩器的優勢具有：1、[敏感詞]穩定性±20ppm，延長溫度從-55oC到125o耐沖擊，振動和噪音比石英振蕩器好50倍；2、[敏感詞]可制造性。SOT23[敏感詞]焊點可靠性和易于視覺檢測；EMI控制，無需PCB更改，可配置上升/下降時間控制。

簡而言之，SiTime擁有強大的SiT2024、SIT8925和SiT8924、SIT8925等振蕩器，它們是汽車應用的[敏感詞]解決方案，因為它們符合高級駕駛輔助系統（ADAS）的ASIL（汽車安全完整性）車輛以太網，動力總成和電子控制單元（ECU）。

2.2、MEMS硅晶振5G應用

在5G/通信領域，SiTime與英特爾等行業領先企業合作，推動5G的計時創新。

據SiTime首席執行官Rajesh Vashist表示，“由于多種原因，5G技術將給定時解決方案帶來的壓力遠遠超過過去。5G無線電使用毫米波技術，覆蓋范圍為幾百米，而不是4G的千米距離。因此，5G網絡將更加密集。更密集的網絡使設備更貼近客戶，進入更嚴苛，更少控制的環境，例如在交通信號燈，路燈，建筑物，屋頂和停車場上部署。
這些位置具有許多環境壓力因素，例如振動，沖擊，高溫和快速溫度變化。這些壓力因素導致石英器件失效，我們認為這可能是5G中單個[敏感詞]的失效點。祖母綠產品對這些環境壓力因素的免疫力提高20倍，并確保網絡以及在網絡上運行的關鍵任務服務運行良好。
考慮到5G的更密集的部署配置，更高的帶寬以及關鍵任務服務的部署，標準機構正在使無線電到無線電時間精度規格更加嚴格10倍。在4G中，它是1.5微秒。在5G中，它是130納秒（ns）。”為了滿足這一嚴格的規范，SiTime推出了Emerald產品。
這是[敏感詞]款基于MEMS的恒溫晶振（OCXO）。它們旨在解決與夸脫OCXO相關的問題，這些夸脫對高溫，熱斜坡和振動非常敏感。設計人員通常需要進行3到5次電路板迭代才能正確放置石英OCXO，如果設計仍然顯示靈敏度，他們必須使用塑料或金屬蓋來安裝石英OCXO，以將其與周圍環境隔離。RajeshVashist表示，Emerald Platform消除了這個問題。其強大的OCXO可放置在電路板上的任何位置。客戶[敏感詞]次獲得正確的位置，可以更快地推出產品并加快收入時間。
除了解決電路板設計問題外，Emerald Platform還在動態穩定性（系統中，存在振動，沖擊，溫度斜坡）方面設定了新的性能基準，比石英高出20倍-新5G必備基礎架構部署Emerald產品是可編程的，始終可提供1至220MHz的任何頻率，以及一系列頻率穩定性，工作溫度，輸出類型和封裝，包括比類似石英OCXO小75％的解決方案。
對于客戶而言，SiTime公司已經為客戶消除了一長串令人頭疼的問題，并有中國本地代理商提供編程服務，解決工程樣品和批量訂貨的及時交貨難題。對于SiTime，Emerald Platform使之能夠擴展到價值15億美元的電信和網絡時序市場的更高端。

三、MEMS硅晶振替代案例

硅晶振替代石英晶振的場景正在快速提升，特別在缺貨潮中，替代將更加迫切。我愛方案網聯合硅晶振原廠Sitime推薦通信設備、工業控制、電源和FPGA配套時鐘應用案例，幫助方案商和終端設備制造商做好選型替代，并提供免費研發樣片。硅晶振的頻點有四大優勢，不停振、不跑偏、無溫漂，不怕摔，能有效提升產品穩定性和可靠性，特別適合溫差大，震動大和頻率點多的開發項目。

案例一：SIT8008低功耗可編程振蕩器

兼容性：無需PCB改動，直接替代石英晶振；

頻率精度：1-110MHZ任一頻點，精確小數點后6位；

電壓范圍：1.8V--3.3V全電壓范圍；

封裝規格：7050、5032、3225、2520、2016全封裝范圍支持；

樣片交貨：任一頻點，24小時樣品供應。

應用場景：以太網設備、服務器、SSD、光通訊、音視頻、工業控制、電源等行業應用

產品承諾：立即交付，綠色環保，全程品質保證

案例二：SIT9121高性能差分晶振

頻率精度：1-220MHZ任一頻點，精確小數點后6位；

電壓范圍：2.5V-3.3V電壓范圍；

封裝規格：7050、5032、3225封裝；

輸出信號：LVDS\LVPECL信號模式；

應用場景：PCI-E時鐘、SONET設備、FPGA時鐘和系統時鐘，存儲設備、數據中心設備

硅晶振比較石英晶振的老化參數

案例三：SIT535X溫補晶振（TCXO）

溫補范圍：±100ppbupto±220ppb全溫度范圍內高精度穩定（無溫漂）；

頻率精度：1-220MHZ任一頻點，精確小數點后6位；

電壓范圍：2.5V2.8V3.3V電壓；

封裝規格：503210-Pin封裝；

輸出信號：LVCMOS&正弦波輸出；

應用場景：小基站、IEEE1588、GPS/GNSS、同步以太網設備、測試儀器、雷達等產品。

總體而言，隨著MEMS硅晶振技術的擴展，傳統石英晶振將有機會被替代。與石英晶振相比，MEMS硅晶振突破了多重技術限制，為電子設計工程師解決了時鐘電路方案的難點和痛點。

四、MEMS硅晶振產品選型

SiTime公司是硅MEMS時鐘市場的領導者。SiTime的可編程解決方案提供了豐富的特性，通過幫助客戶提高產品的性能、縮小尺寸、降低功耗并提升可靠性來提高產品的市場競爭力。憑借著80%的市場份額和超過20億顆MEMS時鐘器件的出貨量，SiTime正在變革時鐘行業。SiTime產品采用標準半導體制造工藝和高量產塑料封裝技術的生產流程，提供業界最強的供貨能力和最短的交貨時間。
為了加速MEMS硅晶振產品的應用普及及對電子工程師的認知和產品選型替代，使得國內電子方案商和設計工程師快速體驗MEMS硅晶振產品帶來的高穩定度、超小封裝、超低功耗、超低抖動帶來的產品體驗升級。MEMS硅晶振計時市場的領導者SiTime已經聯合我愛方案網推出免費送樣活動（詳情請點擊：https://activity.52solution.com/sitime/或點擊“閱讀原文”進入專題頁面申請），并可通過現金券進行產品批量訂貨。