康比电子本应用笔记探讨了MEMS(微机电系统)技术在精确实时时钟(RTC)中优于标准晶体技术的优势.最明显的优势是尺寸.还讨论了MEMS技术优越的其他领域--CMOS工艺和开发,制造和组装以及环境耐用性.MEMS(微机电系统)技术已经在精确的实时时钟(RTC)中实现,使其非常坚固,在时间和温度上都非常精确,并且比使用标准圆柱形晶体技术构建的时钟小得多.本应用笔记探讨了这种新的令人兴奋的技术在精确RTC应用中实现的显着性能增强.
MEMS的基本优势才刚刚开始
与32.768KHZ音叉圆柱形晶体相比,面积减少了47倍,体积减少了182倍(参见图1),MaximIntegrated精确RTC产品系列中使用的MEMs谐振器技术在RTC的尺寸和封装选项方面具有显着优势今天.

图1.单个MEMS谐振器占据的面积比圆柱形晶体少47倍,体积小182倍.这种尺寸差异允许更小的封装选择,在高振动和冲击环境中提供显着增强的坚固性,并且在设备的整个寿命期间几乎没有老化(总共<±1ppm).
然而,MEMS为这项技术带来的优势并不仅限于尺寸.有三个不同的领域,MEMS晶振特性提供增强的技术优势.这些领域包括但不限于工艺和开发,制造和组装以及环境耐用性.
MEMS在CMOS工艺和开发中的应用
让我们快速比较MEMS工艺和晶体组装工艺.
这里讨论的MEMS谐振器技术是在标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工厂中开发的.基于在光刻的显影阶段建立的器件元件的形状和尺寸,CMOS制造对于满足目标频率响应特别有利.由于MEMS是硅技术,重复性和可持续性的好处适用于MEMS晶圆的制造.处理MEMS晶圆时达到的制造温度可超过+700°C.随后,在处理期间,MEMS谐振器可以经受+260℃的多个回流温度而不需要任何性能下降.(我们将在下面更详细地讨论这个问题.)这种耐久性可归因于其材料构成,设计和晶圆加工流程.
相比之下(并且很好理解),晶体组装是一种不太稳健的工艺,并且在产品到产品输出方面容易发生相当大的变化.频率调谐和修整通常需要从晶体电极沉积或去除材料以实现期望的频率.另外,必须在圆柱形载体中建立真空,以便一旦向器件施加电压,石英晶体谐振器就会振动.因此,为了生产高质量的器件,需要特殊材料将晶体附着到其引线上.这些材料有助于晶体在高温(约260°C)回流操作中存活.尽管如此,还是有一个警告.对晶体进行多次高温回流焊时必须小心.频移可归因于“晶体附着”材料的老化,

MEMS在制造和装配中的应用
在RTC的最终制造和装配流程中,四个重要因素使基于MEMS的RTC具有优于晶体同类产品的优势.
首先,MEMS实际上是集成电路(IC).因此,当MEMS与控制芯片/RTC结合时,标准IC封装技术适用并可以使用.这与贴片晶振组件形成鲜明对比,晶体组件需要定制制造流程以将晶体和RTC管芯连接并固定在同一封装中.
其次,引线键合操作用于将控制管芯电连接到MEMS谐振器.晶体组件必须使用更复杂且不太稳固的焊料附件或焊接晶体引线以将控制管芯连接到晶体谐振器.
第三,高效的引线键合操作和标准封装组件流程非常适合于大批量,低成本的制造和组装操作.
第四,MEMS和晶体之间的巨大差异提供了更小尺寸的封装选择,包括晶体不可能的芯片级组件.图1展示了晶体的巨大尺寸差异以及由此产生的封装要求.DS3231MZ+RTC采用8引脚150milSO封装,而上一代基于晶体的DS3231SRTC采用16引脚300milSO封装,具有相似的功能和性能.8引脚SO封装尺寸不到16引脚300密耳封装尺寸的一半.最后,不要错过,较小的包装降低了成本.
MEMS在环境方面非常坚固
基于MEMS的RTC基于环境标准和观察已经证明并证明了性能优势.
在复制客户附件的回流操作(3倍+260°C)下,MEMS器件的频率偏移小于±1ppm(图2a和2b).面对同一回流温度暴露方案的晶振基产品表现出高达±5ppm的变化(图3a和3b).

图2a和2b.DS3231MRTC的数据显示在回流焊(2a,顶部)和回流焊(2b,底部)之前.频移小于±1ppm.
图3a和3b.回流之前(3a,顶部)和之后(3b,底部)的基于晶体的RTC的数据.数据显示回流后的转换率高达±5ppm.
图3a和3b.回流之前(3a,顶部)和之后(3b,底部)的基于晶体的RTC的数据.数据显示回流后的转换率高达±5ppm.

基于MEMS的RTC已通过AEC-Q100认证进行冲击和振动测试.它们可以承受超过2900g(x5)的机械冲击(JESD22-B104CCondition-H)和超过20g的变频振动(JESD22-B103BCondition-1).
性能数据和处理经验证明,基于MEMS晶振的RTC与传统的基于晶体的RTC相比具有明显的优势.我们谈到了工艺和开发,制造和装配以及环境坚固性方面的具体优势.此外,MEMS时钟的频率精度随时间(寿命)小于±5ppm.温度和回流后的频率精度仍小于±5ppm.MEMS在更高的温度下工作.它们采用较小的包装,最终成本更低.对于使用基于MEMS的精确RTC产品进行设计,肯定很难争论.

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