【導讀】MEMS振蕩器雖擁有尺寸微縮、精準度媲美石英振蕩器的優(yōu)勢，但內(nèi)部包含前端MEMS諧振器與后端補償電路，由于晶圓制程變異與MEMS元件特性，仍面臨單價高、溫度及電壓適應力弱等問題;同時，其驅(qū)動電壓仍在1.8～3.3伏特(V)之間，要縮減功耗滿足行動裝置需求，就須導入更多省電機制，影響系統(tǒng)效能與成本。因此，工研院提出MEMS諧振器整合超低電壓電路的解決方案，全力克服上述問題。
隨著傳統(tǒng)石英振蕩器逐漸難以滿足行動裝置輕薄、低功耗設(shè)計需求，業(yè)界已轉(zhuǎn)向運用標準化半導體制程研發(fā)微機電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器、超低電壓無石英(Crystal-less)時脈產(chǎn)生器;近期，工研院更積極融合兩種技術(shù)優(yōu)點，進一步打造高精準度、低耗電與小尺寸時脈元件，以滿足行動裝置日益嚴苛的設(shè)計要求。
工研院資通所低功耗混合訊號部技術(shù)副理李瑜表示，目前市面上有三種時脈元件解決方案，分別是石英振蕩器、MEMS振蕩器及無石英時脈產(chǎn)生器。在行動裝置嚴格要求低功耗、輕薄化的影響下，傳統(tǒng)石英振蕩器因須采用金屬或陶瓷封裝，不僅生產(chǎn)成本較高、交貨期間長，且難微縮封裝尺寸與高度，地位已漸漸式微;相較之下，MEMS振蕩器及無石英時脈產(chǎn)生器則快速崛起，開始瓜分行動裝置市場商機。
其中，MEMS振蕩器雖擁有尺寸微縮、精準度媲美石英振蕩器的優(yōu)勢，但內(nèi)部包含前端MEMS諧振器與后端補償電路，由于晶圓制程變異與MEMS元件特性，仍面臨單價高、溫度及電壓適應力弱等問題;同時，其驅(qū)動電壓仍在1.8～3.3伏特(V)之間，要縮減功耗滿足行動裝置需求，就須導入更多省電機制，影響系統(tǒng)效能與成本。因此，工研院提出MEMS諧振器整合超低電壓電路的解決方案，全力克服上述問題。
李瑜透露，工研院日前發(fā)布超低電壓晶片技術(shù)，將與MEMS振蕩器進一步結(jié)合，催生更高整合度、低耗電時脈元件。現(xiàn)階段，資通所與南分院正緊鑼密鼓展開新產(chǎn)品研發(fā)計畫，將整合MEMS諧振器，以及一顆基于0.3～0.5伏特(V)超低電壓補償電路製成的特定應用積體電路(ASIC)，兼容前者的高精準度、高頻率穩(wěn)定性，以及后者的低電壓驅(qū)動、適應溫度范圍等優(yōu)點。
李瑜分析，MEMS振蕩器相容半導體制程與封裝技術(shù)，極具尺寸微縮、晶片整合度、量產(chǎn)速度與成本等效益，且頻率精準度平均已達到10～20ppm以下，滿足中高階時脈應用產(chǎn)品規(guī)格;未來整合超低電壓補償電路后，更有助改善MEMS振蕩器操作環(huán)境變異、時脈穩(wěn)定度問題，提供更出色的效能修復機制，并降低50%以上功耗。
此外，利用經(jīng)驗證、優(yōu)化的超低電壓晶片技術(shù)，亦可減輕MEMS振蕩器在晶圓層級、功能性及溫度測試的復雜度，從而壓縮測試時間與成本，更快達成降價目的，以加速取代石英振蕩器。
不僅如此，MEMS廠也開始醞釀行動系統(tǒng)單晶片(SoC)內(nèi)建MEMS振蕩器的解決方案，以去除外部時脈電路，達到提升效能與降低成本的雙重功效。李瑜認為，這是MEMS振蕩器的獨特設(shè)計優(yōu)勢，有助其壓低單價并快速提高滲透率，進而擴大取代石英產(chǎn)品;反觀石英元件封裝形式與SoC則不相容，無法達成該設(shè)計需求。
至于無石英時脈產(chǎn)生器方面的進展，工研院亦已開發(fā)一款超低電壓時脈產(chǎn)生器，除尺寸非常微小外，亦將功耗控制在12微瓦(µW)以下，并達到±500ppm精準度水準，可望在中低階時脈應用領(lǐng)域快速擴張版圖。
顯而易見，傳統(tǒng)石英振蕩器正面臨左右夾攻的局面;為扳回一城，相關(guān)供應鏈業(yè)者已著手改良石英時脈元件的封裝技術(shù)，甚至進一步投入測試可匹配半導體制程的生產(chǎn)方案，期大幅縮減尺寸與成本，防堵MEMS、超低電壓時脈產(chǎn)生器的強力攻勢。
