通过超强大的MEMS振荡器提高汽车可靠性和性能

越来越多地使用车载电子系统增加了对可靠汽车级的需求参考定时组件.今天,最高质量的汽车定时解决方案基于MEMS定时技术,这种技术本质上比石英晶体技术更强大.硅MEMS定时组件使用由IC开发的严格控制和标准制造行业.这些工艺和标准与SiTime专有的MEMS和模拟IC相结合技术带来了超高品质的产品.而且因为这些定时器件都是基于硅的,它们符合AEC-Q100标准,与AEC-Q200相比具有更高的认证要求.

硅MEMS制造工艺

SiTime MEMS谐振器采用单晶硅制造,是一种15倍的无缺陷材料比钛强.SiTime的谐振器采用获得专利的MEMSFirst™和EpiSeal™制造工艺,可在1100℃下对谐振器进行退火.因此,极端汽车环境中存在的温度对MEMS谐振器没有任何有意义的影响.这种高温工艺生产出一种密封的高质量谐振器没有污染物.谐振器完全封装在硅芯片内,非常适合能抵抗外部伤害.MEMS谐振器可以像标准CMOS芯片一样处理并使用标准IC封装工艺封装.通过使用MEMSFirst工艺,ISO/TS经过16949认证的半导体供应链,以及标准封装工艺,MEMS振荡器都有更高的质量和可靠性,以及几乎无限的容量.

相比之下,石英晶体振荡器制造商使用专门的供应链.生长石英晶体单一用途反应器提供的材料与硅不同,具有明显的缺陷.水晶必须小心切割,以避免区域的微观缺陷,这个过程并不完美.石英振荡器的故障率为50ppm至150ppm,比其高出一个数量级IC可以接受.此外,专业的包装工艺和材料(即金属和环氧树脂)与石英组件一起使用会增加可靠性问题.

用于汽车制造的MEMS振荡器封装功能

使用堆叠管芯配置组装MEMS振荡器.MEMS谐振器安装在振荡器IC上,振荡器IC驱动和校准谐振器.使用塑料注塑成型,模具一起安装在MSL-1级包.MEMS振荡器采用四方扁平无引线(QFN)封装小至2.0x1.6毫米.与石英晶振封装相比,MEMSQFN封装具有较低的外形,但它们适合普通的石英振荡器PCB焊盘布局和引脚与石英设备兼容,便于直接更换.

为了降低成本并提高板级可靠性,SiTime提供SOT23-5封装.因为这封装具有引线,具有最高的焊点可靠性,并且如果需要可以更容易地重新工作,事实证明,它在发动机控制单元(ECU)和动力总成应用中特别有用.此外,SOT23-5晶振封装允许自动视觉检测(AVI),一种仅光学焊接接头与X射线相比成本较低的检查方法电气测试.SiTime还提供可润滑的侧面镀层QFN包.这个包装有一个领先的区域切口以容纳额外的焊料并允许简单的AVI.这些可润湿的侧翼终端克服了这个问题检查QFN焊点完整性的挑战封装,占地面积最小,是一种插件替代石英振荡器.

图3：SiTime提供可湿性侧翼QFN封装,用于自动视觉检测

MEMS振荡器可减少不必要的噪声

越来越多的高性能信息娱乐系统和无线系统部署在今天的连接中汽车要求设计师特别注意在频率上存在的电磁能量这些系统很敏感.电磁干扰(EMI)在AI服务器/ECU或ADAS相机中可能存在问题依赖于大量转移的模块高速数据.晶体元件可能是噪声的最大因素,通常不会观察到这种EMI直到使用的最后阶段.这可能导致设计周期后期返工,导致计划外延误和费用.

为了解决这个问题,SiTime Crystal提供SiT9025,这是第一个符合AEC-Q100标准的扩频振荡器(SSXO).该器件具有高达4％的宽光谱范围,分辨率为0.25％,可用在2016晶振的小包装中.SiT9025采用两种技术降低EMI：扩频时钟和FlexEdge™可编程驱动强度,允许调整上升/下降时间以减少压摆率.通过使用这些EMI降低功能,SiT9025可将噪声降低高达30dB.

图4：MEMS振荡器为相机模块等应用提供EMI降低功能

SiT9025 SSXO以及SiT8924/25和SiT2024/25振荡器具有可编程FlexEdge™并得到SiTime的Time MachineII程序员的支持.设计师可以自己使用这个工具实验室对EMI降低振荡器进行编程,并尝试不同级别的不同技术实现降噪和系统性能的最佳平衡.因为SiTime QFN设备是作为石英振荡器的直接替代品,它们可用于在没有任何电路板的情况下通过一致性测试更改或使用昂贵的组件或屏蔽.

硅MEMS振荡器更加强大

车辆受到恶劣环境的影响,例如高水平的机械冲击和振动力这会降低石英晶体振荡器的性能并导致它们失效.在这些经营中条件,振荡器必须符合其规格.如果振荡器不可靠,它就有了可能导致灾难性的失败.晶体谐振器是悬臂结构,可以非常对机械力敏感,导致频率尖峰,相位噪声和抖动增加,甚至谐振器损坏

相比之下,MEMS谐振器的振动较小,因为它们的质量为1000至3000比石英谐振器少一倍.这减少了施加在谐振器上的振动力-诱导加速度.SiTime的MEMS谐振器是刚性结构,在体内模式下在平面内振动,一种本身具有抗振性的几何形状.这使得MEMS振荡器具有较低的g灵敏度额定值,以ppb/g表示,表示由加速度引起的频率变化力.SiTime的汽车级振荡器在2016mm的小型封装中可提供0.1ppb/g的性能包.石英器件必须使用大型专用封装才能实现低g灵敏度性能.

MEMS振荡器还具有抵抗电源噪声的弹性,电源噪声在电源时被放大和电路板上的其他设备打开和关闭.这会增加输出时钟的抖动对系统时序裕度产生负面影响.例如,在ADAS系统中,当抖动恶化时,它会影响数据从传感器发送到决策引擎的速度有多快.在车辆周围的道路上不断变化,数据传输的滞后可能是毁灭性的.

SiTime的SiT9386/87差分晶振具有RMS相位抖动(随机),典型值小于300fs和电源噪声抑制(PSNR)在0.02ps/mV.这些器件非常适合高性能AI处理自动驾驶和汽车10G/40G/100G汽车以太网应用需要处理从摄像机,雷达,激光雷达和其他传感器捕获的大量关键数据.

图5：低抖动MEMS振荡器可抵抗冲击,振动,电源噪声,和热梯度,使其成为ADAS系统汽车以太网定时的理想选择

为了模拟现实条件下器件的性能,SiTime Crystal测试了各种振荡器在各种条件下具有类似规格,包括正弦振动和随机使用标准化测试方法进行振动.如图6和图7所示,SiTime的基于MEMS振荡器表现出优异的抗振动和电路板噪声.

图6：振荡器对正弦振动的灵敏度

图7：振荡器对电路板噪声的敏感度

精确打造的动态性能

除了冲击,振动和电源噪声外,汽车系统还受其他影响环境条件,如快速的温度变化和气流,也会扰乱时间信号.今天的汽车使用计时设备,从信息娱乐到备用摄像头,自动驾驶系统需要更严格的时序规格.精密GNSS接收器和V2X通信系统是一些需要极其准确的应用实例稳定的时钟系统应用,不会被环境压力因素破坏.

最新一代的MEMS定时解决方案基于Elite Platform™而设计在各种动态条件下保持非常紧凑的稳定性.该平台使用Dual MEMS™架构和TurboCompensation™温度传感技术提供了出色的功能环境压力下的频率稳定性.SiTime的SiT5186/87和SiT5386/87TCXO(温度补偿晶振)提供精确到±0.1ppm的稳定性,并保持这一点在快速温度变化,气流,冲击,振动和电源噪声下的稳定性.

图8：Elite平台TCXO晶振经过精心设计,可在广泛的范围内保持最佳性能恶劣的汽车条件,使其成为精密定时应用的理想选择

下表列出了SiTime的汽车MEMS振荡器系列

SiTime定时产品具有可编程架构,可实现超短的交付周期和允许时间设计人员可以从一系列规格中进行选择,包括工作范围内的任何频率精度为六位小数.生产数量(任何配置)在3到3之间可用5周.样品可在一周内订购和接收.或者,设计师可以即时使用Time MachineII™编程器在自己的实验室中对即时样品进行编程.

所有SiTime晶振均符合无铅,符合RoHS和REACH标准.SiTime提供终身保修所有生产振荡器,保证产品符合规格,无缺陷.

基于MEMS的定时解决方案可提供任何频率,更宽的温度范围,更紧凑的频率稳定性,更好的封装选择,可编程EMI降低功能,高品质和可靠性,并且交货期短.最重要的是,SiTime的MEMS振荡器具有承受能力在恶劣的汽车中存在的振动,电噪声,快速气流和温度瞬变环境,同时继续可靠地执行并符合规范.这种可靠性,以及SiTime产品的灵活性使其成为未来功能丰富的车辆的理想选择.