Resumen: Esta nota de aplicación explora los beneficios de MEMS (sistemas microelectromecánicos) tecnología en la tecnología de cristal estándar de relojes precisos en tiempo real (RTC) La ventaja más obvia es el tamaño.. Otras áreas donde la tecnología MEMS es procedimiento superior-CMOS y el desarrollo, la fabricación y el montaje, y ambientales también robustez, son discutidos.
Una versión similar de este artículo aparece en Electrónica Semanal , 19 de marzo de 2013.
Introducción
MEMS ( sistemas microelectromecánicos ), la tecnología se ha aplicado en los relojes precisos en tiempo real ( RTC ), que les hace extremadamente resistente, de alta precisión tanto en el tiempo y la temperatura , y significativamente menor que los relojes construidos con tecnología de cristal cilíndrico normalizado. Esta nota de aplicación explora las mejoras significativas en el rendimiento que esta nueva y excitante tecnología permite en aplicaciones precisas RTC.
Beneficios básicos de MEMS son sólo el comienzo
Con 47 veces menos área y 182 veces menos volumen que el de un cristal cilíndrico de sintonización-tenedor 32,768 kHz (véase la Figura 1 ), la tecnología de resonador MEM utilizado en la familia de productos RTC mejor por Maxim Integrated proporciona una ventaja significativa en el tamaño y opciones de embalaje para los CRF hoy en día.
Figura 1. Un único resonador MEMS ocupa 47 veces menos área y 182 veces menos volumen que un cristal cilíndrico. Esta diferencia de tamaño permite opciones de embalaje más pequeñas, proporciona significativamente mayor robustez en ambientes de alta vibración y choque, y demuestra poco o nada de envejecimiento (<± 1 ppm total) durante la vida útil del dispositivo.
Sin embargo, las ventajas que MEMS aporta a esta tecnología no terminan con el tamaño. Hay tres zonas diferenciadas donde las características MEMS ofrecen ventajas técnicas mejoradas. Estas áreas incluyen, pero no se limitan a, el proceso y el desarrollo, fabricación y montaje, y la robustez del medio ambiente.
MEMS en CMOS Proceso y Desarrollo
Vamos a comparar rápidamente un proceso de MEMS con un proceso de montaje de cristales.
La tecnología del resonador MEMS discutido aquí se desarrolló en estándares complementarios de óxido metálico semiconductorfábricas (CMOS). CMOS de fabricación es especialmente ventajoso para satisfacer respuestas de frecuencia específicas basadas en las formas y tamaños de los elementos del dispositivo establecido en la etapa de desarrollo de fotolitografía. Desde MEMS es una tecnología de silicio, los beneficios de la repetibilidad y la sostenibilidad se aplican a la fabricación de obleas de MEMS. Las temperaturas alcanzadas durante el procesamiento de fabricación de obleas de MEMS pueden exceder de 700 ° C. Posteriormente, durante el procesamiento, los MEMS resonador puede ser sometido a múltiples temperaturas de reflujo de 260 ° C sin ninguna degradación de rendimiento. (Hablaremos de esto con más detalle más adelante.) Esta duración se puede atribuir a su composición material, el diseño y la oblea de flujo de procesamiento.
En contraste (y bien entendido), el montaje de cristales es un proceso menos robusto y propenso a variaciones considerables en la producción de producto a producto. Sintonización de la frecuencia y el recorte generalmente requieren la deposición o eliminación de material del electrodo de cristal para lograr la frecuencia deseada. Además, el vacío debe ser establecido en el portador cilíndrico para el resonador de cristal para que vibre una vez tensión se aplica al dispositivo. Por consiguiente, para producir dispositivos de alta calidad, se requieren materiales especiales para la fijación del cristal para sus clientes potenciales. Estos materiales ayudan a sobrevivir el cristal (aproximadamente 260 ° C) las operaciones de soldadura por reflujo de alta temperatura. Hay una advertencia, sin embargo. Se debe tener cuidado cuando se somete a múltiples cristales de reflujo de alta temperatura ciclos . Cambios de frecuencia se pueden atribuir al envejecimiento de "cristal-adjuntar" material, la calidad de la aspiradora, y / o imperfecciones en el espacio en blanco cristalino.
MEMS en Fabricación y montaje
En el final de fabricación y montaje de un flujo de RTC, cuatro factores importantes dan la RTC basado en MEMS sus ventajas con respecto a las contrapartes de cristal.
En primer lugar, MEMS es efectivamente un circuito integrado (IC). Por lo tanto, cuando MEMS se combina con el troquel / RTC de control, las tecnologías de envasado IC estándar aplican y pueden ser utilizados. Esto contrasta marcadamente con las asambleas de cristal, que requieren la fabricación de encargo flujos de colocar y fijar el molde de cristal y RTC en el mismo paquete.
En segundo lugar, las operaciones de alambre de unión se utilizan para conectar eléctricamente el control de morir a los MEMS resonador. Asambleas de cristal deben utilizar ya sea un archivo adjunto de soldadura más complicado y menos robusta o soldar el cristal conduce a conectar el control mueren al cristal resonador.
En tercer lugar, las operaciones de cable de unión de alta eficiencia y de los flujos de montaje empaque standard se prestan bien a alto volumen, menos costosas operaciones de fabricación y montaje.
En cuarto lugar, la gran diferencia de tamaño entre MEMS y cristales ofrece opciones de embalaje de tamaño más pequeño, incluyendo conjuntos a escala de chip que no son posibles con los cristales. La figura 1 muestra la gran diferencia de tamaño y resultan requisitos de empaque para el cristal. Para la funcionalidad y el rendimiento comparable, el DS3231MZ + RTC se monta en un 8-pin SO-mil 150, mientras que la generación anterior de cristal basado DS3231S RTC se envasa en un 16-pin 300-mil SO. El SO paquete de 8-pin es menos de la mitad del tamaño de la de 16 pines de 300 millones de paquetes.
Por último, y no se puede perder, paquetes más pequeños un costo menor.
MEMS es ambientalmente resistente
CCR basados en MEMS tienen ventajas de rendimiento probadas y demostrable sobre la base de criterios ambientales y de observación.
En las operaciones de reflujo (3x a 260 ° C) que el apego al cliente réplica, los dispositivos MEMS demostrar cambios de frecuencia de menos de ± 1 ppm ( Figuras 2a y 2b ). Productos a base de cristal que se enfrenta el mismo regimiento de la exposición a temperaturas de reflujo demuestran cambios tan altas como ± 5 ppm ( Figuras 3a y 3b ).
Las figuras 2a y 2b. Los datos para el DS3231M RTC se muestran antes de reflujo (2a, arriba) y después del reflujo (2b, abajo). El cambio de frecuencia es inferior a ± 1 ppm.
Las figuras 3a y 3b. Los datos de un RTC cristal en gel antes (3a, arriba) y después (3b, abajo) reflujo. Demuestran los datos de hasta ± 5 ppm después del reflujo.
CCR basados en MEMS han sido sometidos a pruebas de choque y vibración a través de la AEC-Q100 calificación. Ellos pueden sostener choque mecánico en exceso de 2900g (x5) (JESD22-B104C Condición-H) y la vibración de frecuencia variable en exceso de 20 g (JESD22-B103B Condición-1).
Resumen
Los datos de rendimiento y experiencia del proceso demuestran que la RTC basado en MEMS proporciona ventajas sobre el tradicional RTC cristal-basado. Hemos hablado de las ventajas específicas en el proceso y el desarrollo, la fabricación y el montaje, y resistencia ambiental. Además, la precisión de la frecuencia con el tiempo (tiempo de vida) es menos de ± 5 ppm con el reloj de MEMS. Precisión de frecuencia sobre la temperatura y después de reflujo es todavía inferior a ± 5 ppm. MEMS operan a temperaturas más altas. Vienen en envases más pequeños y, por último, un menor costo. Es ciertamente difícil argumentar en contra de diseñar con productos RTC precisos basados en MEMS.
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