從嵌入CMOS MEMS振蕩器展望IC設計的潛在變革

摘要： 隨著(zhù)CMOS MEMS振蕩器大規模制造技術(shù)的成熟，應用將涉及汽車(chē)、電視、攝像機、個(gè)人電腦、便攜式設備等等幾乎一切電子設備，本文向中國工程師概要介紹CMOS MEMS諧振器主流技術(shù)及行業(yè)動(dòng)態(tài)、在IC中嵌入CMOS MEMS振蕩器的設計流程以及相關(guān)支持工具的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： MEMS，振蕩器，CMOS MEMS，IC設計，EDA

MEMS技術(shù)將會(huì )給幾乎所有種類(lèi)的電子產(chǎn)品帶來(lái)一場(chǎng)革命，特別是隨著(zhù)CMOS MEMS振蕩器大規模制造技術(shù)的成熟，消費電子產(chǎn)品制造商、硬盤(pán)制造商以及其它產(chǎn)品制造商都將會(huì )從中受益，其中包括減少必需材料的使用量、縮短設計時(shí)間、提高結構的穩固性及降低能耗等等。

據Sitime公司提供的數據，目前全球石英晶體振蕩器市場(chǎng)年規模為30億美元，每年生產(chǎn)90億顆石英晶體振蕩器，應用涉及汽車(chē)、電視、攝像機、個(gè)人電腦、便攜式設備等等幾乎一切電子設備，如圖1所示為電子設備中所需振蕩器的數量。因此，CMOS MEMS諧振器的推廣應用具有真正意義上的顛覆性。本文概要介紹CMOS MEMS諧振器主流技術(shù)及行業(yè)動(dòng)態(tài)、在IC中嵌入CMOS MEMS振蕩器的設計流程以及相關(guān)支持工具的發(fā)展趨勢。

圖1  電子設備中所需振蕩器的數量
來(lái)源：Sitime公司

CMOS MEMS振蕩器技術(shù)：兩大領(lǐng)先公司對決

MEMS振蕩器是未來(lái)頻率控制市場(chǎng)上一個(gè)非常重要的產(chǎn)品領(lǐng)域。CMOS MEMS諧振器技術(shù)領(lǐng)域里的全球領(lǐng)導者及下一代定時(shí)解決方案提供商主要有美國SiTime、Discera和Silicon Clocks等三家公司。目前，Sitime與臺積電及JAZZ半導體合作、Discera公司與Vectron International公司合作為電子產(chǎn)品制造商生產(chǎn)MEMS振蕩器。它們代表的主流CMOS MEMS振蕩器技術(shù)分別是：

SiTime的MEMS First和EpiSeal CMOS技術(shù)

MEMS First制造工藝技術(shù)是在8英寸的SOI(硅絕緣層)晶圓上，以深度離子蝕刻技術(shù)，產(chǎn)生出極細小且堅硬的機械結構，作為諧振器。在實(shí)際工作時(shí)，這些硅諧振器會(huì )受到電子信號的引導，而在與晶圓表面水平的方向產(chǎn)生振動(dòng)。然后，利用EpiSeal CMOS技術(shù)，將硅諧振器在高溫情況下封裝于CMOS硅晶層之下。由于高溫處理能夠排除蝕刻時(shí)產(chǎn)生的空氣和污染，因此被封裝在硅晶層下的硅諧振器便可處于近乎真空無(wú)塵的環(huán)境內工作，確保振蕩的可靠度與準確度。

據Sitime公司介紹，一片8英寸晶圓可以制作出高達5萬(wàn)顆的硅晶振蕩器，以體積來(lái)看，比同類(lèi)型石英組件的體積小1,000倍。此外，就性能相比，不管是就長(cháng)期穩定性、老化程度和溫度補償特性來(lái)看，新產(chǎn)品均不遜于石英裝置，反而具備更佳的CMOS集成能力與抗沖擊特性。 此外， EpiSeal CMOS技術(shù)容許SiTime振蕩器舍棄傳統的陶瓷封裝，改使用任何標準的IC封裝技術(shù)。

Discera公司的PureSilicon諧振器技術(shù)

它是一項擁有專(zhuān)利的基礎性技術(shù)，基于PureSilicon的CMOS振蕩器能夠集成進(jìn)其它基于CMOS的電路中。此外，Discera公司的封裝技術(shù)容許利用工業(yè)標準的、低成本塑模封裝技術(shù)來(lái)提供最小的振蕩器器件。

在基于CMOS工藝的MEMS振蕩器技術(shù)取得重大突破即將轉入大規模商業(yè)化應用之時(shí)，如何加快MEMS振蕩器的商用化應用是一個(gè)重要課題，為此Discera公司提出了一種業(yè)務(wù)合作伙伴商業(yè)模式，對中國電子行業(yè)或許是重大的機會(huì )，特別值得關(guān)注。

從2006年8月開(kāi)始，Discera公司旋風(fēng)般地分別與亞太地區的一流分銷(xiāo)商世健科技有限公司、韓國領(lǐng)先的半導體和IT方案提供商MJL Technology有限公司、歐洲的高科技半導體及系統產(chǎn)品供應商Azzurri Technology有限公司、日本的微波器件、組件及子系統主要分銷(xiāo)商M-RF公司宣布結成合作伙伴關(guān)系，分銷(xiāo)Discera公司基于CMOS MEMS振蕩器的定時(shí)產(chǎn)品。

Discera公司表示，加入其業(yè)務(wù)合作伙伴(Business Partner)之后，就可以接觸其現有的以及快速演變之中的技術(shù)和產(chǎn)品，包括Discera獨特的、經(jīng)過(guò)驗證的基于CMOS工藝的MEMS振蕩器技術(shù)。通過(guò)這種合作伙伴關(guān)系，合作雙方可以利用Discera的設計規則共同開(kāi)發(fā)具有高集成度的產(chǎn)品，從而滿(mǎn)足制造商合作伙伴以及最終數字消費電子及移動(dòng)應用用戶(hù)的特殊需要。

從消息面看，Sitime在全球布局方面顯得不如Discera主動(dòng)，后續情況如何，尚要拭目以待。但是，至少有一點(diǎn)是清楚的：CMOS MEMS振蕩器入市的時(shí)間可能會(huì )比人們想象的要快。競爭涉及設計、制造、分銷(xiāo)等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，國際頂級制造商的商業(yè)模式創(chuàng )新尤其值得關(guān)注。

嵌入MEMS振蕩器模塊：混合信號設計流程是關(guān)鍵

據市場(chǎng)研究機構WTC預測，從2007年起第一代MEMS振蕩器開(kāi)始大規模商用，其典型的技術(shù)指標是：溫度穩定性20到100ppm，-40℃ 到85℃；典型的應用為數碼相機和數碼攝像機以及便攜式音頻播放器，主要取代傳統的晶體振蕩器(XO)。第二代MEMS振蕩器將針對需要溫度補償的TCXO市場(chǎng)，大約在2008到2009年間上市。MEMS振蕩器市場(chǎng)的新玩家Silicon Clocks、NXP和VTI將針對這個(gè)市場(chǎng)。第三代MEMS振蕩器有望與多個(gè)鎖相環(huán)路集成，實(shí)現一個(gè)裸片輸出多個(gè)頻率。如圖2所示為WTC提供的MEMS振蕩器技術(shù)發(fā)展的路線(xiàn)圖。

圖2  MEMS振蕩器技術(shù)發(fā)展的路線(xiàn)圖

對于即將來(lái)臨的MEMS應用大潮，中國設計工程師除了采用Sitime和Discera等公司提供的已集成并封裝好的MEMS振蕩器之外，如何才能把MEMS振蕩器模塊嵌入到IC之中實(shí)現電子系統設計的升級呢？可能是目前值得探討并關(guān)注的重要課題。

對此，美國密歇根州大學(xué)的研究人員認為，集成CMOS MEMS振蕩器涉及模擬、數字以及微機電系統三大領(lǐng)域，目前，業(yè)界尚沒(méi)有滿(mǎn)足所有設計要求的單一設計框架和工具。他們在文獻中[3]指出，要綜合采用多種EDA工具，其中，Cadence AMS環(huán)境用于對微系統技術(shù)的系統級開(kāi)發(fā)。此外，在這個(gè)過(guò)程中，還要采用Spectre工具來(lái)進(jìn)行模擬子系統和晶體管級的設計，用Coventorware對MEMS元器件做有限元分析(FEA)，用Synopsys Design Compiler實(shí)現數字綜合，用Cadence Silicon Ensemble進(jìn)行自動(dòng)布局和布線(xiàn)(APR)，以及采用Mentor Graphics Calibre的工具進(jìn)行設計規則檢查(DRC)和電路與版圖一致性驗證(LVS)。掌握如此多的工具，對設計工程師來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一大挑戰，EDA行業(yè)有望在這里尋求新的發(fā)展機會(huì )。

如圖3所示為文獻[3]詳細介紹的一種集成CMOS MEMS時(shí)鐘參考源的設計流程。它采用的是自頂向下的設計方法，模擬、數字、MEMS三個(gè)部分采取并行設計的流程，設計出來(lái)的16位混合信號微系統已經(jīng)在TSMC成功實(shí)現流片。

圖3  集成CMOS MEMS時(shí)鐘參考源的混合信號IC設計流程

另一方面，據來(lái)自芯片代工廠(chǎng)TSMC的消息， TSMC承諾于2006年提供基于CMOS工藝的MEMS工藝模塊；而意法半導體已經(jīng)投資大約4000萬(wàn)美元改建最先進(jìn)的MEMS生產(chǎn)線(xiàn)。因此，從密歇根州大學(xué)的設計案例以及MEMS器件可制造性?xún)煞矫媾袛?，隨著(zhù)各方面條件的不斷完善，嵌入MEMS振蕩器或時(shí)鐘參考源不久必將成為IC設計行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。

應對可制造性挑戰：先進(jìn)EDA工具的發(fā)展機會(huì )

從MEMS器件設計工具領(lǐng)域來(lái)看，Coventor公司和Tanner EDA公司是業(yè)界的領(lǐng)先公司，目前相關(guān)EDA工具的焦點(diǎn)在于解決上千種MEMS工藝所帶來(lái)的可制造性問(wèn)題。

Coventor公司針對業(yè)界存在的數百個(gè)代工廠(chǎng)和上千種MEMS工藝的問(wèn)題，提供的SEMulator3-D工具方便工藝工程師之間的交流。SEMulator 3-D工具的三維可視性有助于良率分析以及進(jìn)行優(yōu)化。用戶(hù)可以觀(guān)察到復雜的數據結構和電氣/機械連接，觀(guān)看動(dòng)態(tài)或交互式橫截面，測量距離，控制橫截面的層屬性，導入內部使用的各種CAD格式，操縱三維圖像并且保存屏幕畫(huà)面。SEMulator 3-D工具的輸入是GDSII版圖文檔和工藝庫描述。此外，還支持UNV、DXF、Ansys或TCAD等數據格式。據Coventor公司透露，SEMulator 3-D運行在Windows平臺上，未來(lái)將支持Linux，起價(jià)約為25,000美元。

Tanner EDA公司已在其L-Edit微機電系統(MEMS)設計工具中增加設計規則檢查(DRC)功能，針對IC設計工程師需要能同時(shí)處理MEMS和模擬、數字部分設計的難題，L-Edit MEMS設計工具能夠提供一種立即驗證功能。據稱(chēng)L-Edit MEMS設計工具起價(jià)為1,1995美元。

除了工具方面的支持之外，Coventor公司和劍橋大學(xué)的研究人員指出[4]，為了實(shí)現低成本和高效率地制造MEMS器件，設計和工藝工程師團隊需要采用自頂向下的設計方法，以設計參變量可重用的MEMS元器件，設計過(guò)程中包含的工藝特征和材料特性必須經(jīng)過(guò)質(zhì)量認證和可重用設計，這樣才能提高設計效率并最大限度地提供一次流片成功的概率，從而減少開(kāi)發(fā)成本并縮短設計周期。據稱(chēng)，其可制造性(DFM)方法已經(jīng)被用于兩種MEMS制造工藝(金屬-氮化物表面和SOI顯微機械加工)。

結語(yǔ)

據市場(chǎng)預測，MEMS市場(chǎng)從2005年到2010年五年內將會(huì )增長(cháng)50%左右，預計全球MEMS產(chǎn)品市場(chǎng)到2010年前將達到100億美元，因此是世界上半導體行業(yè)增長(cháng)最快的市場(chǎng)之一。

隨著(zhù)可制造性技術(shù)的成熟，在具有微控制器(MCU)的控制集成電路中嵌入MEMS振蕩器或時(shí)鐘參考源，取代傳統的MCU所需要的外圍石英晶體振蕩器和電容，并集成MEMS傳感器及相關(guān)模擬電路，以構成智能化的、具備MEMS傳感功能的混合信號專(zhuān)用IC，有希望成為IC設計行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一，其潛在應用領(lǐng)域廣闊，值得業(yè)界關(guān)注。

參考文獻：

1. Has the time come for MEMS oscillators
2. CMOS MEMS Integration—The Springboard for MEMS Proliferation
3. A 16-Bit Mixed-Signal Microsystem with Integrated CMOS-MEMS Clock Reference
4. Designing Manufacturable MEMS in CMOS Compatible- Methodology and Case Studies
5. MEMS振蕩器供應商網(wǎng)站：www.sitime.com www.discera.com