MEMS硅晶振VS石英晶振-基础电子

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一、认识石英晶振

二、石英晶振的工艺

三、石英晶振的危机

四、STIMEMEMS硅晶振

五、STIMEMEMS硅晶振的十二大优势

六、SITIMEMEMS硅晶振的七大种类产品

七、SITIMEMEMS硅晶振的机会

八、SITIMEMEMS硅晶振代理深圳扬兴有限公司简介

九、后记

一、认识石英晶振

其实石英晶振这种说法本身并不十分准确，但长久以来大家已经形成了习惯，那就这样写呵。石英晶振大体可以分为有源与无源两大种类，我们分别介绍一下：

首先是无源晶振，无源晶振也叫晶体、谐振器。英文名称是：crystal或Xtal.无源晶振是大陆的叫法，其主要由石英晶片、基座、外壳、银胶、银等成分组成。根据引线状况可分为直插（有引线）与表面贴装（无引线）两种类型。现在常见的主要封装型号有HC-49U、HC-49S、UM-1、UM-4、UM-5与SMD.其工作时，自身不能产生振荡，需借外围电路（电容）配合才可产生振荡。常见的形状如下图所示：

同样，有源晶振也是大陆的叫法，又叫钟振、晶振、振荡器。英文名称是：oscillator.

其除了石英晶片、基座、金属外壳、银胶、银等成分组成之外，还需要起振芯片（也叫线路）。

正是因为将振荡电路嵌入了产品之内，所以只要给其所需要的电压，便可以产生振荡。基中压控振荡器（VCXO）、温补振荡器（TCXO）等也属于有源晶振的范畴。

一般普通的有源晶振都是四脚表贴的，常见的主要封装型号有7050、5032、3225、2520.

如下图所示：

目前国内很少有能生产2520封装尺寸的振荡器厂商。

无论有源晶振还是无源晶振，都是为系统提供稳定时钟信号的器件。那我们在实际应用中，是选择有源晶振还是无源晶振呢？一般无源晶振由于成本低廉，被广泛用于电视、电话、电子玩具等消费产品中，而一些对稳定性或其它方面有要求的，如通信、监控等产品，一般会选择使用有源晶振。

二、石英晶振的工艺

尽管石英晶体振荡器的应用已有几十年的历史，但因其具有频率稳定度高、成本相对较低这一特点，故在电子技术领域中一直占有重要的地位。

尤其是信息技术（IT）产业的高速发展，更使这种晶体振荡器焕发出勃勃生机。石英晶体振荡器目前广泛应用于远程通信、卫星通信、移动电话系统、定位系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中。小型化、片式化、低噪声化、低成本、超薄、低功耗、频率高精度化与高稳定度及高频化，是现代电子工业对石英晶体振荡器提出的新的要求。

事实上石英晶体振荡器在发展过程中，也面临着自身技术发展无法满足飞速发展的电子工业对其性能要求的潜在威胁和挑战。从石英晶振的制作工艺看，这些需求对石英晶振来讲，确实是一个无法克服的障碍。

上图显示了石英晶振的生产工艺流程，石英晶振的生产要包括切割、披银、点胶、微调、起振芯片（有源）、密封等数十道工序，而且需要大量的人工参与。这就好比一条铁链，其结实程度取决于拉力差的那条环节。

下面我们看一下石英晶振的大体生产工艺流程：

首先，切割：我们要在石英晶棒上面进行打磨、切割。切割出该频点相对应的石英晶片，（这里面要注意的是，石英晶片与频点是一一对应的关系。）这时候的切割角度决定了石英晶振的基本频率偏差。

其次，披银：为了提高工作精度，所以要在切割好的石英晶片上面镀一层纯银。

第三步：点胶：要在基座上面用银胶（导电胶）固定，这个时候的固定角度再决定了石英晶振的基本频率偏差。

第四步：微调：这时候配合测试设备，就可以测量石英晶振的输出频率了，在测试的时候可以再次补银做微调，以提高工作精度。

第五步：如果是无源晶振的话，就可以充满氮气密封了。而有源晶振，则还需加起振芯片，然后氮气密封。

整个个工序都需要严格的环境下制作，对工作环境的管控不严，或生产人员的稍不注意都会对石英晶振的质量产生直接的影响。

我们再返过头来看一下，现代电子工业对石英晶振的要求：

1、片式化、薄型化：石英晶振不同的频点需切割不同的晶片，而对于小体积、薄型的工艺，是非常复杂的，就算能做到，也将会导致性能的降低。

2、高精度、高稳定度：石英晶振内部的石英晶片需渡一层纯银，所以石英晶振需用惰性气体氮气密封在金属壳与基座形成的空腔内。长时间工作后，会由于老化、震动等因素，造成"漏气"现象。直接将石英晶片上面的银氧化，这就是为什么石英晶振会有停振、不起振现象。另外由于石英的"温漂"特性，也将使其在全温工作环境中的稳定度大大降低。

3、低成本：石英晶振生产厂商都需购买基座与外壳，由于下游原材料成本无法降低，使得石英晶振，经过了几十年后，价格一直在这个水平，而以后的价格下降空间，更是少之又少。

三、石英晶振的危机

不管石英厂商愿不愿意承认，石英振荡器的危机正在慢慢来临。石英振荡器的应用已有几十年的历史，如果说在这几十年里，石英振荡器的技术与应用得到了很大的提升。

那么，当今的石英振荡器则在高稳定度、更低成本、片式化、薄型化等各方面面临着极大的挑战。

要了解当今消费电子、通信技术的发展趋势，我们来看看新上市的iPad2:

1.高度集成-就图中的这些器件实现了iPad2几乎所有的计算、通信功能，所有的元器件都要体积超小、高度集成，普通的双脚晶体和四脚石英晶振在这里肯定不予考虑。

2.高速-1GHz的双核处理器，200MHz的总线速度，每颗数字芯片都需要时钟，有的还需要高速的、多组的、相位相关的时钟。时钟的频率稳定度也决定了系统的性能。

3.低功耗-芯片的低电压工作、电源管理、时序控制等都是当今电子产品、系统中非常关键的课题，时钟也要满足这方面的要求。

系统的发展推动了半导体技术向高速、高集成度方向演进，作为系统心脏的时钟发生器也必须：

■体积要大大缩小并便于集成-可以和其它电路一起集成在芯片内部，能够支持多种功能。

■性能不能折衷-要保证系统的性能，必须能够达到晶振所保证的频率稳定度、低相位噪声。

■高度灵活、可编程，能够方便产生各种频率的时钟信号，并具有驱动其它电路的能力。

■低电压工作-同其它数字芯片一样可以工作在较低的电压，比如1.8V.

■低价格-要能够实现晶振一样的价格。

由于石英振荡器的制作工艺需要经过：切割、打磨、点胶、微调等工序，所以小体积不仅意味着成本的提高、更意味着性能的降低。这已远远不能满足现代电子工业的需求。

其次是成本问题：

石英振荡器采用SIO2（石英）做为原材料，并需陶瓷基座与起震晶片（也叫线路）配合才可生产。受下游原材料基座与线路的影响，石英晶振的成本在近期与未来都不可能会有太大的下降空间。尤其是质量好一点的晶振，基座与线路的采购98%以上是由日系厂商提供，而受这次日本大地震的影响，更多的厂商将基座与线路的采购转向了国内市场，而这无疑对高性能是个极大的考验。

作用一个众所周知，而且有几十年历史的产品。石英晶振近期内仍占据着市场的主导地位，但石英晶振的危机已经到来！不仅仅是自身的本质缺陷，还有更多新型替代产品的出现。

如SITIME公司的MEMS硅晶振。

四、MEMS硅晶振

（一）、何为MEMS

何为MEMS?对于很多人来讲，这并不是个陌生的词语，MEMS现在已被广泛的用于传感器、陀螺仪、麦克风等产品中。但对于大部分人来讲，MEMS还是一个比较陌生的词语。MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。

微电子机械系统（MEMS）技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。

它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。

如果我们用一个人做比喻的话，那么人的头就控制部分（电子部分）、而人的身体则是机械与传感部分。下图则形像的说明了，什么是MEMS技术？

（二）、MEMS硅晶振

SiTimeMEMS硅晶振采用全硅的MEMS技术，由两个芯片堆栈起来（如下图所示），下方是CMOSPLL驱动芯片，上方则是MEMS谐振器，以标准QFNIC封装方式完成。封装尺寸以及焊接管脚与传统标准石英振荡器的脚位完全兼容，可直接替代原来石英产品，无须更改任何设计。SiTimeMEMS硅晶振具有无温飘、稳定性高、低成本等优势，从本质上克服了石英的诸多缺点，更符合现代电子的发展方向。SITIME公司依托德国BOSH公司经30年验证的MEMS时脉技术，率先推出了MEMS全硅晶振，目前其已经成功开发出了包括TCXO、OCXO在内的三代产品，产品开发速度与性能远远高于同行业厂商。

其实，就是相当于SITIME公司将石英晶振全面硅化，将其变成一颗芯片了。SITIME公司的MEMS硅晶振采用全自动化的半导体生产工艺流程。以自然界中储量仅次于氧元素，位居第二的硅元素为生产材料。让高性能与低成本变成了，"鱼与熊掌，可兼得！"

上面六幅图揭示了整个SITIMEMEMS硅晶振的工艺流程，SITIMEMEMS硅晶振采用上下两个晶圆叠加的方式，外部用IC通用的塑料做为封装。不仅大大减少的石英晶振的工序，而且更全面提升了产品性能。

讲到这里，我们再回顾一下现代电子工业，对时钟组件的三大要求：

1、片式化、薄型化：石英晶振不同的频点需切割不同的晶片，而对于小体积、薄型的工艺，是非常复杂的，就算能做到，也将会导致性能的降低。

SITIMEMEMS硅晶振目前可以提供薄的封装，仅为0.25mm.（与手机卡相差无几）。另SITIMEMEMS硅晶振，任一频点均可提供7050、5032、3225、2520四种封装形式。

2、高精度、高稳定度：石英晶振内部的石英晶片需渡一层纯银，所以石英晶振需用惰性气体氮气密封在金属壳与基座形成的空腔内。长时间工作后，会由于老化、震动等因素，造成"漏气"现象。直接将石英晶片上面的银氧化，这就是为什么石英晶振会有停振、不起振现象。另外由于石英的"温漂"特性，也将使其在全温工作环境中的稳定度大大降低。

SITIME采用全自动化半导体技术，无"气密"性问题；平均无故障工作时间间5亿小时，（石英仅为2千万小时）；SITIMEMEMS硅晶振内部均含有温补电路，工作温度内全温保证（温漂为零）；SITIMEMEMS硅晶振的抗震性能是石英的10倍以上；3、低成本：石英晶振生产厂商都需购买基座与外壳，由于下游原材料成本无法降低，使得石英晶振，经过了几十年后，价格一直在这个水平，而以后的价格下降空间，更是少之又少。

SITIMEMEMS硅晶振采用全自动化半导体工艺，塑封。采用MEMS硅晶圆与CMOS晶圆叠加的技术。这就使得SITIMEMEMS硅晶振可以在任一大的晶圆厂代工生产，而不像石英晶振似的，增加产能就必须建厂。这就使得SITIMEMEMS硅晶振的成本在未来将会有很大的下降空间。（目前与石英价格一样。）五、SITIMEMEMS硅晶振的十大优势。

与石英振荡器相较，SITIME的MEMS振荡器具有以下优势：

1、全自动化半导体工艺，无气密性问题，永不停振！

这个不用多讲了呵，从工艺上就决定了。

2、内部包含温补电路，无温漂，-40-85℃全温保证！

SITIMEMEMS硅晶振是由MEMS硅晶圆与CMOS晶圆上下叠加而成，而CMOS晶圆则包括了NONMemory、PLL锁相环电路、起振电路与温补电路，如下图所示：

透过温补电路我们可以实时对MEMS硅晶振的输出频点进行监控，如果输出频率超出范围，电路会自动调整以确保输出频率符合要求。所以，SITIMEMEMS硅晶振可以在-40-85℃全温保证！

3、平均无故障工作时间5亿小时，10倍于石英晶振。

对于一般的半导体芯片，平均无故障工作时间（MTBF）都可在500M小时。而石英晶振一般会在20M-33M小时。

4、抗震性能25倍于石英振荡器！

SITIMEMEMS硅晶振拥有50KG的防摔抗震性；而石英晶振此系数仅在2KG左右（怕摔）。

5、支持1-800MHZ任一频点，致小数点后5位输出。

SITIMEMEMS硅晶振可支持800MHZ的频率输出，到小数点后面5位。

比如：可输出123.45678MHZ.

6、支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多种工作电压匹配！

7、支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各种精度匹配！

8、支持7050、5032、3225、2520所有标准尺寸封装。

9、标准四脚、六脚封装，无需任何设计改动，直接替代石英振荡器。

您只需将石英晶振吹下来，然后将SITIMEMEMS硅晶振焊上去就OK了。

10、支持差分输出、单端输出、压控（VCXO）、温补（TCXO）等产品种类。

100%的市场增长率，三年内有望替代80%以上的石英振荡器市场。

SITIME的策略就是将石英振荡器全面硅化，相信在不久的将来，SITIMEMEMS硅晶振将成为您时钟器件的首先产品。

11、提供短交货周期，24-48小时内提供样品，2-4周量产交货周期。

SITIMEMEMS硅晶振，可实现编程输出1-800MHZ客户需求的任意频点，并且可对上升/下降沿时间调整，整体降低产品的EMI特性，样品可实现24-48小时内提供。而且由于可在任一大的晶圆厂内代工，所以可实现石英晶振无法比拟的2-4周交货周期。

六、SITIMEMEMS硅晶振的七类产品

SITIM公司是目前世界一家可为客户提供所有所需钟组件的公司，产品全、种类多。而且常用时钟产品，已推出第三代。（同类产品还处在代产品阶段）。

目前，SITIME公司的MEMS硅晶振系列包括普通单端振荡器、差分振荡器、压控振荡器（VCXO）、低功耗振荡器、温补振荡器（TCXO）、扩频振荡器、时钟发生器七类产品：

（一）、四脚普通单端晶振：

推荐型号：SIT8103\SIT8102.

输出频点：1-200MHZ

工作电压：1.8V、2.5V、2.8V、3.3V

工作精度：10PPM、15PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM、100PPM

封装体积：7050、5032、3235、2520

工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃

（二）、差分输出晶振（DXO）：

推荐型号：SIT9102、SIT9107

输出频点：1-800MHZ

输出信号：LVDS、LVPECL、HCSL、CML

工作电压：1.8V、2.5V、3.3V

工作精度：10PPM、15PPM、20PPM、25PPM、50PPM

封装体积：7050、5032

工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃

（三）、低功耗单端输出：

推荐型号：SIT8003、

输出频点：1-110MHZ

工作电压：1.8V、2.5V、3.3V

工作电流：3.2mA\0.4Ua（静态）

工作精度：20PPM、25PPM、30PPM、50PPM

封装体积：7050、5032、3225、2520

工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃

（四）、压控振荡器（VCXO）：

推荐型号：SIT3701、SIT3702

输出频点：1-110MHZ（单端）、1-220MHZ（差分）

工作电压：1.8V、2.5V、3.3V

控制电压：0-1.8V（典型值0.8V）

控制范围：±60PPM、±120PPM、±240PPM

工作精度：10PPM、15PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM

封装体积：7050、5032、3225（单端）、2520（单端）

工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃

（五）、时钟发生器：

有些应用场合，我们需要多个相位相关的时钟输出，一般我们会选择一款时钟芯片来输出，除此之外您还需要一款晶振来为时钟芯片提供时钟源，SITIME的MEMS时钟发生器内部集成了MEMS时钟源，因此仅需一款时钟发生器便可输出多路相位相关的时钟信号。

推荐型号：SIT9103、SIT9104、SIT9105

输出频点：1-220MHZ（单端）、1-800MHZ（差分）

输出通道：3路单端（SIT9103）、6路差分（SIT9104）

工作电压：1.8V、2.5V、3.3V

工作精度：25PPM、50PPM

封装体积：7050（22PIN）、

工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃

（六）、温控振荡器（TCXO）：

推荐型号：SIT9103、SIT9104、SIT9105

输出频点：1-220MHZ（单端）、1-800MHZ（差分）

输出通道：3路单端（SIT9103）、6路差分（SIT9104）

工作电压：1.8V、2.5V、3.3V

工作精度：25PPM、50PPM

封装体积：7050（22PIN）、

工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃

七、SITIMEMEMS硅晶振的机会

可以说SITIMEMEMS硅晶振是对石英晶振的革命，如果说石英产品经过几十年的发展，技术已经到了一定的瓶颈了，如现在的金属封装将会向陶瓷封装发展。而SITIMEMEMS硅晶振的技术发展空间很大，比如前几代的产品在近端相噪方面表现有待提高，前不久SITIME推出的四代产品已经很好的解决了这个问题。

SITIMEMEMS硅晶振是未来时钟组件发展的一个方向，相信在不久之后，金属封装的晶振将像晶体管、蜂窝电话、软盘等器件一样，被历史淘汰。不过，目前SITIME需要更好的解决以下三个问题：

1、扩大产品度与影响度：

由于采购与设计人员固有的采购与设计习惯，更大一部分人对SITIMEMEMS硅晶振还不太了解，使用方面还存在一定的疑虑。但只要使用过SITIMEMEM