全矽晶CMOS振盪器挑戰石英晶體和MEMS技術

石英晶體本身的侷限使得時脈振盪器一度朝微機電(MEMS)方向發展，以尋求頻率和性能上的突破，但MEMS的設計困難度和高成本卻是一大困擾。而IDT藉由收購Mobius Microsystems公司所獲得的全矽晶CMOS振盪器技術，為需要高頻、微縮產品尺寸的設計提出了一個低成本解決途徑。“傳統石英振盪器有40MHz的頻率限制，而MEMS固有的雜訊和成本問題一直難以解決，”IDT矽晶頻率控制事業群總經理Michael McCorquodale表示。因此，能以通用CMOS矽製程製造的振盪器，可一舉解決上述問題。
這項全矽晶CMOS振盪器技術總共花費了12年才開發完成，包括McCorquodale在密西根大學的六年開發期間，以及接下來在Mobius Microsystems的六年時光。
結果是可用來取代共振器、共振器+振盪器的單一CMOS矽晶振盪器方案MM8202與MM8102。這兩款元件是IDT在今年初併購Mobius之後所發佈的新產品，由於除標準封裝外還能以晶粒形式供貨，因此，包括超薄型USB隨身碟、讀卡機和其他必須微縮尺寸的消費電子產品，都能採用CoB組裝來縮小體積和降低成本。

“透過我們提供的晶粒，客戶可以對個別的晶粒進行封裝隔離；可以堆疊晶粒，以及以纜線接合(wire-bondable)方式來連接每一個晶粒。相較於傳統石英晶體，這是一項重大突破。”McCorquodale說。“我們是透過專利的post-CMOS晶圓級製程技術，讓客戶能夠在單一基板上直接採用晶粒來製造元件，因此能夠促成開發更小型產品，同時降低成本和加速上市時程。”
CMOS矽振盪器的另一項優勢是可實現高頻作業。McCorquodale表示，傳統的英英振盪器在應對高頻串列介面如USB 2.0/3.0、PCIe、SATA Gen2/Gen3、1GbE到10GbE級網路等介面時已經愈來愈難以為繼了。因此，可達133MHz高頻作業的矽晶振盪器預計將可搶佔這個規模預估達7億美元的市場。
據表示，新元件的功耗幾乎與石英晶體振盪器相仿，在1.8V電壓下典型啟動功耗僅2mA；待機模式時功耗可降至1uA以下。同時，由於是以電子方式產生頻率，無須採用任何可移動單元，所以這些全矽晶單晶元件耐震能力良好。
兩款元件都提供5 x 3 x 0.9mm和2.5 x 2.0 x 0.6mm的標準封裝尺寸。其中MM8202的晶粒尺寸僅有0.88 x 0.92mm。
全矽晶振盪器採用塑料封裝。“這也緩和了廠商當前面臨的陶瓷封裝材料缺料問題。”McCorquodale表示。
MM8102和MM8202都提供符合業界要求的頻率精確度，其中MM8102還提供了小於300ppm的水準。該公司表示，針對10GbE及以上的更高頻寬應用，已經著手開發頻率精確度100ppm~50ppm的更高階產品，預計今年初即可問世。
自從英特爾開始整合時脈元件之後，許多小型廠商面臨極大生存挑戰。因此，IDT希望藉著全新矽晶CMOS振盪器技術找到市場立足點。MM8202和MM8102採用台積電(TSMC)的0.13微米RF-CMOS製程。由於是建立在標準CMOS技術基礎之上，因此不需要任何機械頻率參考。IDT目前也提供容易使用的評估板，協助測試CMOS振盪器的效能與功能。
作者：鄧榮惠

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