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QMEMS打造高性能Photo AT组件
 

【作者: 林志遠】2011年10月13日 星期四

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传统制程面临加工瓶颈

石英晶体所具备的压电效应,让它可以透过晶体变形和振动来控制发生频率的快慢,并可产生循环的晶体振荡,对外提供电子系统所需的参考频率。做为频率参考的基准,石英晶体被要求提供高度的稳定性,而这个稳定性主要由切割角度、厚度及晶体Q值等参数决定。


在传统制程上是靠切割、研磨等方式的来制作石英晶体,这种机械加工的方式,即使再精密也有其限制,因此出厂前的石英芯片往往还得运用雷射来切削最关键的电极形状,透过精微调校来控制控制质量。除了一致性不易达到外,面对薄型化和小型化的需求,机械加工制程也显得力有未逮。


针对行动宽带的蓬勃发展,石英晶体的薄型化可提供更高的振荡频率,而小型化则能满足行动装置要求轻巧的设计目标。不过,传统制程方式已到达薄型切割的极限,虽可做得到小型化要求,但却又遭遇到晶体阻抗(Crystal Impedance, CI值)增大而造成的振荡稳定性下降。


我们发现,半导体业的制程技术及微机电(MEMS)的技术,都足以引进石英制程中,为上述的问题提出解决途径。透过对石英晶体进行光微影蚀刻制程,可以实现芯片形状的均一性,从而解决过去个别石英晶体CI值、频率精准度不一致的问题。此外,QMEMS制程也能做出薄型化及更复杂的晶体成形结构,以达到高频振荡或增加电极面积来降低CI值的目标。


AT型石英晶体的微型化挑战

目前我们运用QMEMS制程来生产的石英晶体组件包括音叉型晶体(Tuning-fork crystal)、Photo AT、TCXO/SPXO、基本波振荡(High Frequency Fundamental, HFF)晶体及陀螺仪感测组件(Gyro sensor)。


所谓AT型(AT-Cut)石英晶体即是采用AT角度切割(对石英晶棒Z轴向旋转约35度)的石英芯片,当施与电压时,其振荡片的上下平面会产生相反方向的振荡(属于厚度变形振荡),能产生数MHz到数百MHz的频率,而这个频率范围的应用领域相当广。


《图一 AT型晶体即是对石英晶棒Z轴向旋转约35度 》
《图一 AT型晶体即是对石英晶棒Z轴向旋转约35度 》

目前AT型晶体的应用主要是介于12 MHz到80 MHz之间。此频率范围主要由芯片的厚度来决定:芯片愈薄、频率愈高;芯片愈厚、频率愈低。对AT型晶体来说,薄型化的高频芯片还比较容易实现,加厚的低频芯片反而不易达成。主要的限制是当芯片厚度变大时,阻抗会升高,不易控制低频的输出。


随着小型化的发展,传统磨斜边(Beveling)的加工制程面临椭圆形芯片形状控制不易的问题,这也严重影响到晶体的稳定性。相较之下,采用QMEMS制程生产MESA结构的Photo AT,则可在微型条件下将振荡部(vibration part)和承接部(holding part)明显地分开,以降低因依附造成的应力影响。光蚀刻制程能对芯片尺寸精确掌控,使得每个石英芯片的特性都能达到非常稳定的一致性,而且对材料的损耗也低。此外,透过光蚀刻来形成电极,也可避免传统溅镀制程造成的铜污染问题。


《图二 采用QMEMS制程生产MESA结构的Photo AT石英芯片 》
《图二 采用QMEMS制程生产MESA结构的Photo AT石英芯片 》

打造高质量Photo AT

怎么才能生产出高质量的AT型石英晶体呢?影响AT型石英晶体特性有两大主要因素,一是频率对温度特性,一是等效电路参数。所谓频率对温度特性,就是石英晶体会随温度变化会出现频率偏差的现象。石英频率会随温度变化而改变,这是因为石英材料在各个坐标轴向的热膨胀系数不同,当温度改变时,各轴向晶格距会产生些许变化,造成频率的偏移。


虽然不同型态的晶态会有不同的频率对温度特性,但在定义上会以室温25℃为相对零点。相较于其他为二次曲线(即拋物线)的切割方式,AT Cut的频率对温度特性为三次曲线,能够在人类环境的温度范围内(25℃上下)具有较佳的温度特性,温度特性的管理也比较容易。


会影响AT型晶体温度特性的原因很多,包括:(1)切割角度;(2)石英芯片厚度;(3)电极的配置一致性;(4)电极的厚度;(5)芯片大小;(6)支撑应力。影响等效电路参数的原因,则包括:(1)电极的配置一致性;(2)石英芯片厚度;(3)电极尺寸的变异。透过QMEMS的光蚀刻制程,则有助于改善电极配置一致性和变异的问题,如此一来,温度特性能够更为稳定;透过精准的控制电极尺寸,等效电路参数的变异也会降低。


整体来看,影响石英晶体特性变异的因素,包括频率的稳定性和温度特性、电极配置、等效电路参数和敏感度等,透过QMEMS制程生产的Photo AT产品,不论在芯片尺寸与形状,或电极的尺寸与配置上,都能获得更精准的控制,进而改善这些变异情况的发生。此外,也能设计更大的电极面积,这对敏感度(sensitivity)的提升很有帮助。


石英振荡器的最佳选择

AT型晶体在今日的通讯设备中运用极广,使用它来为特定系统提供稳定的参考频率,有两种作法,一是配置振荡电路,一是选用主动式的石英振荡器。多数技术成熟或产量大的系统会采用石英晶体加振荡电路的作法;一些设计初期、少量上市或技术规格未成熟的产品,则会采用石英振荡器。


采用振荡电路的设计,必须在石英晶体与振荡电路之间取得最佳的设计匹配,才能得到可靠的参考频率输出。如果两者之间的匹配度不佳,可能造成各种问题,例如无法起振、频率误差太大而不符需求,或是频率不稳定的现象;此外,输出频率也可能因电源电压或温度的变化改变误差范围,或造成振荡动作的停止。


至于石英振荡器的作法,因只需供电即可提供稳定的频率,不需再做回路分析或优化的调整,因此可以有效缩短开发时间。这类的振荡器有多种类型,包括SPXO、VCXO、TCXO、OCXO等,分别可以满足产品对高精度、弹性、低EMI或高频的个别需求。


所谓石英振荡器,即是将石英晶体与负责驱动的振荡电路或IC芯片整合安装在同一个陶瓷基材的封装内,再透过焊接方式,在上方以金属制外盖(Lid)密封而成。此类振荡器具备待机功能,可透过控制端子来停止内部的回路动作及振荡输出。在对石英振荡器内部的石英晶体的选择上,新式的Photo AT拥有比传统AT型晶体更多的优势。


首先,AT型晶体有两个重要参数,一是动态电容C1,一是并联电容C0,由于Photo AT能降低这两者的变异状况,因此不需对频率做太大的调整,而且频率调整的速度加快;加上频率对温度特性更稳定,这意味着更佳的频率稳定性,以及更高的准确性;相较于同尺寸的传统芯片,Photo AT能获得较大的C1、较小的L1,这有助于改善起振时间,更广的频率调整能力则能获得更大的敏感度。


这些特性对于IC芯片的设计来说,可以降低内部的电容数组、内存及DAC的需求,设计上也更为容易。此外,石英振荡器内IC芯片,可以运用DAC组件来对石英晶体的温度特性进行补偿,也就是高/低于25℃的偏高及偏低的频率向中间拉。这就是TCXO的工作原理,而这样做时,石英组件的温度特性曲线、温度参数和调整敏感度会是影响温度补偿功能的重要因素。如果这些因素的变异性能够降低,振荡电路之频率稳定性对温度的变异也会获得改善。



《图三 采用Photo AT的石英振荡器,其内部电容数组需求可以降低》
《图三 采用Photo AT的石英振荡器,其内部电容数组需求可以降低》

《图四 石英振荡器内IC芯片,可以运用DAC组件来对石英晶体的温度特性进行补偿》
《图四 石英振荡器内IC芯片,可以运用DAC组件来对石英晶体的温度特性进行补偿》

结论

从本文的分析中可以得知,透过QMEMS的光蚀刻制程,可以获得性能一致性更佳、更精细的结构设计,以及实现微型化及薄型化的要求等优势。以Photo AT来说,因其芯片尺寸、形状及电极的设计都比传统AT型晶体更为精准,使得其频率对温度特性更为稳定,等效电路参数的变异也缩小。这些优势也让Photo AT成为石英振荡器内部的石英晶体振荡源的最佳选择。


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