Jotta voidaan vastata uuden teknologian vaatimuksiin ja pitää järjestelmät toimimassa ”kellon tavoin”, on aika harkita ajoitusratkaisuja uudelleen. Tässä kaksiosaisessa "Precision Timing" -artikkelissa opit, miksi mikroelektromekaanisiin järjestelmiin eli MEMS-komponentteihin perustuvat piiajoituslaitteet päihittävät kvartsin elektroniikkasuunnittelun uudella aikakaudella. 

Kun tekoäly ja koneoppiminen johdattavat meidät neljänteen teolliseen vallankumoukseen, insinöörit tarkastelevat uudelleen, kuinka datan siirto synkronoidaan elektronisten järjestelmien kautta. Yhä enemmän dataa kulkee nopeammin ja entistä monimutkaisempien järjestelmien läpi. Tarkat, alhaisen värinän vakaat ajoitussignaalit ovat kriittisiä datavirran synkronoimisessa.

Kvartsin ja MEMS-materiaalien ero ja miksi se on tärkeää

Piikiekko on MEMS-ajastuslaitteiden ydinmateriaali. Se valmistetaan erittäin puhtaasta yksikiteisestä eli monokiteisestä piistä. Yksikiteisellä piillä on selkeästi määritelty kiteinen rakenne, joka varmistaa johdonmukaisen ja luotettavan suorituskyvyn. Itse asiassa SiTimen piipohjaisilla MEMS-laitteilla on 50 kertaa parempi laatu ja luotettavuus kuin saman luokan kvartsikiteeseen pohjautuvilla piireillä, sillä niiden vikatiheys on alle 1 viallinen osa miljoonaa kohden (DPPM). Kvartsikiteissä vikataso on vähintään 50 DPPM.

Kvartsikide voi myös olla puhdasta materiaalia, mutta siihen sisältyy luonnostaan poikkeamia. Näitä vikoja ei esiinny yksikiteisessä piissä. Lisäksi kvartsikiteet tarvitsevat metallielektrodeja ja ne kiinnitetään epoksiliimalla. Näiden materiaalien toistettavuus ja hallittavuus eivät ole yhtä hyviä kuin yksikiteisen piin.

Toinen erottava tekijä on koko ja mekaaninen kestävyys. Kvartsista valmistetut kilpailevat laitteet ovat suurempia kuin MEMS-pohjaiset piilaitteet. Itse asiassa SiTimen 32 kHz:n MEMS-piiresonaattorit ovat jopa tuhat kertaa kevyempiä ja pienempiä kuin kilpailevat kvartsiresonaattorit. Kvartsilaitteiden suurempi koko tarkoittaa, että mekaanisilla g-voimilla on paljon suurempi vaikutus, mikä tekee kvartsilaitteista herkempiä iskuille ja tärinälle. Materiaalien lujuuden, siis massan ja rakenteen erot tekevät kvartsiajastuslaitteista alttiimpia halkeilulle tai rikkoutumiselle iskussa kuin MEMS-piilaitteet.

SiTimen MEMS-ajastuslaitteet hyödyntävät standardoituja puolijohdeprosesseja, jotka mahdollistavat miniatyrisoinnin ja helpomman integroinnin elektronisiin järjestelmiin. Piipohjainen MEMS-materiaali takaa paremman laadun, virtaviivaistaa valmistusta ja edistää mittakaavaetuja, joita ei aiemmin voitu saavuttaa kvartsilla.

Kestävyys: Selviytyminen vaativimmissa olosuhteissa

MEMS-resonaattorit ovat poikkeuksellisen kestäviä. Niiden kiinteä rakenne ja rakenteellinen suunnittelu tekevät niistä erittäin vastustuskykyisiä ympäristön rasitustekijöille, kuten tärinälle, iskuille, lämpötilanvaihteluille, korkealle paineelle ja kosteudelle.

MEMS-oskillaattorit kestävät paremmin lämpötilanvaihteluita. Koska resonaattori on valmistettu piistä, se voidaan kiinnittää suoraan oskillaattorin IC-piiriin tai yhdistää samaan alustaan lämpötila-anturilla. Tämä poistaa etäisyyden komponenttien välillä ja tekee lämpötilan kompensoinnista huomattavasti tehokkaampaa. Tämä kestävyys varmistaa, että MEMS-pohjaiset ajastusratkaisut säilyttävät tarkkuutensa ja luotettavuutensa olosuhteissa, jotka heikentäisivät kvartsioskillaattorien suorituskykyä, tarjoten kestävämmän ratkaisun kriittisiin sovelluksiin.

Epi-Seal-prosessi: Valmistuksen ihme

SiTimen MEMS-laitteiden valmistuksessa erottuva piirre on ainutlaatuinen Epi-Seal -prosessi, jossa MEMS-resonaattorit kapseloidaan puhtaaseen piihin vakuumiympäristössä. Tämä innovatiivinen kapselointimenetelmä suojaa resonaattoria ympäristön epäpuhtauksilta ja parantaa merkittävästi laitteen pitkän aikavälin luotettavuutta ja suorituskykyä. Kyky luoda hermeettinen tyhjiötiivistys kiekkotasolla eroaa perinteisestä kvartsikiteeseen pohjautuvien resonaattorien valmistuksesta, jossa resonaattori suljetaan pakkaustasolla, mikä voi johtaa vaihteluihin, epäpuhtauksiin, saastumiseen ja vikoihin.

Resonaattorin onkalon epäpuhtaudet vaikuttavat merkittävästi oskillaattorin taajuuden vakauteen, erityisesti pitkän aikavälin taajuuden poikkeamaan, jota kutsutaan taajuuden vanhenemiseksi tai ajautumiseksi. Epi-Seal-prosessi parantaa SiTimen MEMS-laitteiden luotettavuutta ja käyttöikää kilpaileviin ratkaisuihin verrattuna estäen taajuuden vanhenemisen.

SiT5501 MEMS Super-TCXO:n (punainen) ja pienikokoisen kvartsisen OCXO:n (sininen) pitkän aikavälin taajuuspoikkeama.

Skaalaus ja integrointi: Piin toimitusketjun synergia

Piikiekkojen tuotantolaitokset toimivat standardoiduilla prosesseilla, toisin kuin kvartsioskillaattorien valmistus, joka on erikoistuneempaa ja vähemmän joustavaa. Tämän ansiosta piipohjaiset MEMS-oskillaattorit voivat tehostaa toimitusketjuasi elektronisille järjestelmille, tarjoten ennakoitavampia ja lyhyempiä toimitusaikoja kuin kvartsilaitteiden valmistajat. Tämä parantaa toimitusketjun ketteryyttä hankintapäälliköille, mahdollistaen skaalautuvuuden ja nopeamman tuotteiden markkinoille tulon.

Kvartsioskillaattorit käyttävät erillistä kvartsipohjaista resonaattoria yhdistettynä oskillaattorisiruun, jotka pakataan yhteen keraamiseen tai metalliseen koteloon. MEMS-pohjaiset oskillaattorit yhdistävät piipohjaisen MEMS-sirun oskillaattorisiruun. Koska MEMS-resonaattori on suljettu piiympäristöön ja molemmat sirut ovat piitä, ne voidaan pakata yhteen standardiin puolijohdekoteloon, kuten muoviseen nelikulmaiseen juotospinnattomaan koteloon (QFN). Voidaan myös hyödyntää edistyneempiä puolijohdepakkaustekniikoita, kuten kiekon tasolla tehtäviä sirutason pakkauksia (WL-CSP), pienentääkseen kokonsa edelleen. Tämän ansiosta MEMS-ajoitussirujen integrointi suurempiin järjestelmiin on helpompaa, ja ne voivat vähentää piirilevyn tilankäyttöä, mikä tehostaa suunnittelua tehon, suorituskyvyn ja pinta-alan osalta.

Pyyhkäisyelektronimikroskoopin kuva WL-CSP-piipohjaisesta MEMS-oskillaattorista, jossa piipohjainen MEMS-resonaattori on asennettu suoraan oskillaattoripiirille.

Pyyhkäisyelektronimikroskoopin kuva SiTimen MEMS -resonaattorin poikkileikkauksesta.

Ajoituksen tulevaisuuden valmistaminen

Epi-Seal-prosessi kuvastaa SiTimen sitoutumista MEMS-tarkkuusaikauksen johtavana toimijana. Kapseloimalla MEMS-resonaattorit puhtaaseen piipohjaiseen tyhjiöön SiTime varmistaa laitteidensa ylivoimaisen luotettavuuden, vakauden ja pitkän käyttöiän, päihittäen perinteiset kvartsiratkaisut. Lisäksi piipohjaisten MEMS-oskillaattorien integrointi standardoituihin kiekkojen valmistusprosesseihin tarjoaa merkittäviä etuja toimitusketjun tehokkuudessa ja skaalautuvuudessa. Elektronisten järjestelmien kysynnän kasvaessa SiTimen innovaatiot tarjoavat vakuuttavan ratkaisun, joka vastaa modernin teknologian tarpeisiin ja tasoittaa tietä tuleville edistyksille.

Precision Timing -artikkelin toisessa osassa kerromme, miksi piipohjainen MEMS-teknologia hallitsee ajastuksen kvartsikiteitä paremman ohjelmoitavuutensa ansiosta.