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为什么 Precision Timing 比 Quartz 更重要
随着 AI 和机器学习将我们带入第四次工业革命，工程师们正在重新审视数据传输如何通过电子系统进行同步。更多的数据以更快的速度传输，系统复杂性更高。准确、低抖动和稳定的时序信号对于同步数据流至关重要。为了满足新兴技术的需求并保持系统像钟表一样运行，是时候重新考虑您的计时设备了。在这个由两部分组成的精密定时系列中，您将了解为什么微机电系统 （MEMS） 硅定时器件在电子设计的新时代占据了制高点。
一、石英和 MEMS 材料之间的区别以及为什么您应该关心
硅是 MEMS 定时器件中使用的核心材料。它由超纯单晶硅或单晶硅制成。单晶硅具有明确定义的晶体结构，可实现一致且可靠的性能。事实上，与 50 DPPM 或更高的石英故障率相比，SiTime 硅 MEMS 器件的质量和可靠性是同类石英晶体器件的 50 倍，缺陷品低于百万分之一 （DPPM）。
石英晶体也可以是一种纯材料，但它天然包含像差，即单晶硅中不会出现的缺陷。此外，石英晶体需要金属电极并用环氧树脂胶连接。这些材料的可重复性和控制性不如单晶硅。
另一个区别点是尺寸和机械弹性：由石英制成的竞争器件比 MEMS 硅器件大。事实上，32 kHz 的 SiTime 硅 MEMS 谐振器比竞争对手的石英谐振器轻 1,000 倍，体积更小。由于石英器件的尺寸较大，机械 g 力的影响要大得多，使石英器件对冲击和振动更敏感。材料强度（质量和结构）的差异使得石英定时器件在冲击下比 MEMS 硅更容易开裂或断裂。
SiTime MEMS时钟器件使用标准半导体工艺，有助于实现小型化并更轻松地集成到电子系统中。硅 MEMS 材料可实现更好的质量，简化制造，并促进以前石英无法实现的规模经济。
二、韧性：承受最恶劣的条件
MEMS谐振器具有卓越的弹性。它们的固态特性和结构设计使其对环境压力源（如振动、冲击、温度变化、高压和湿度）具有很强的抵抗力。
MEMS 振荡器对温度变化的适应性更强。由于谐振器由硅制成，因此可以直接安装在振荡器 IC 上，也可以与温度传感器配对在同一基板上，从而消除了元件之间的距离，使温度补偿更加有效。这种耐用性确保基于 MEMS 的时序解决方案在会降低 quartz 振荡器性能的条件下保持其准确性和可靠性，从而为关键应用提供更强大的解决方案。
三、Epi-Seal 工艺：制造奇迹
SiTime MEMS 器件制造的一个突出特点是 Epi-Seal® 工艺，这是一种专有的制造方法，将 MEMS 谐振器封装在纯硅、清洁的真空环境中。这种创新的密封方法可以保护谐振器免受环境污染物的影响，并显著提高器件的长期可靠性和性能。在晶圆级创建气密真空密封的能力与传统的石英晶体谐振器制造不同，在传统的石英晶体谐振器制造中，谐振器的封闭是在封装级别进行的，这引入了潜在的可变性、杂质、污染和缺陷。
谐振腔内的污染物对振荡器的频率稳定性有重大影响，尤其是随时间推移的长期频率偏差，称为频率老化或漂移。与竞争解决方案相比，Epi-Seal 工艺提高了 SiTime MEMS 器件的可靠性和使用寿命，防止了频率老化。
四、扩展和集成：Silicon 的供应链协同效应
硅晶片晶圆厂（制造设施）按照标准化流程运行，这与石英振荡器所需的更专业、更不灵活的制造操作不同。正因为如此，硅基 MEMS 振荡器可以帮助您简化电子系统的供应链，提供比石英器件制造商更可预测和更短的交货时间。这转化为采购经理的供应链敏捷性，实现新产品的可扩展性并缩短上市时间。
石英晶体振荡器使用独特的基于石英的谐振器与振荡器芯片相结合，它们一起封装在陶瓷或金属封装中。基于 MEMS 的振荡器将硅 MEMS 芯片与振荡器芯片相结合。但是，由于 MEMS 谐振器密封在硅中，并且两个芯片都是硅，因此它们可以一起封装在标准半导体封装中，例如塑料四方扁平无铅 （QFN），或者使用更先进的半导体封装技术，例如晶圆级芯片级封装 （WL-CSP），以进一步减少占用空间。因此，MEMS 时序芯片更容易集成到更大的系统中，并且可以减少电路板空间，从而提高功耗、性能和面积 （PPA） 的设计效率。
五、制造时序的未来
Epi-Seal 工艺体现了 SiTime 成为 MEMS 精密计时领导者的承诺。通过将 MEMS 谐振器封装在纯硅、清洁的真空环境中，SiTime 确保了其器件的卓越可靠性、稳定性和使用寿命，性能优于传统的石英解决方案。此外，将硅基 MEMS 振荡器集成到标准化晶圆制造工艺中，在供应链效率和可扩展性方面具有显著优势。随着对先进电子系统的需求不断增长，SiTime 的创新提供了一种引人注目的解决方案，既满足了现代技术的需求，又为未来的进步铺平了道路。
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