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如何利用高温、超强健的MEMS振荡器提高汽车的可靠性和性能

浏览:1378次  发布时间:2018-04-10 08:49:46
关键词标签: MEMS振荡器汽车电子硅晶振
导读:如今,高质量的符合AEC-Q100标准的时序器件基于MEMS技术,可提供更宽的频率和温度范围,更高的频率稳定性,更高的抗冲击和抗震性以及更小的尺寸。


随着汽车行业不断将基于电子的功能添加为标准设备 ,对可靠汽车级定时解决方案的需求也在不断增加。

几十年来 ,定时元件都是基于石英晶体技术的,这也是以前唯一提供高稳定性和高性能的可行解决方案。

然而 ,MEMS(微机电系统)时序解决方案正迅速取代石英元件 ,提供更可靠的高质量低成本替代方案。



汽车级MEMS时序组件的主要特点:

•符合AEC-Q100扩展温度范围-55至+ 125°C

•较宽的频率范围,从1 MHz到137 MHz

•在±20 ppm处的严格的频率稳定性

•低振动灵敏度(g灵敏度)为0.1 ppb / g

•较强劲的50公斤冲击力和70克的抗振性

•超过10亿小时MTBF(<1 FIT)的可靠性

•2.0x1.6 mm DFN封装尺寸小; SOT23-5具有较高的可靠性


MEMS硅晶振在汽车应用中得到验证

诸如加速度计和陀螺仪之类的MEMS传感器已经在汽车应用中用作主动安全装置多年。 加速度计检测速度的突然变化,使气囊膨胀并挽救生命。 当检测到转向控制丢失时,稳定性控制系统会自动进行自动更正,以不可见的方式改善操作并提高驾驶员和乘客的安全。
同样,MEMS谐振器非常可靠。 采用标准的半导体制造实践,MEMS时序解决方案完全采用硅制造。  在出货超过2.5亿台(截至2015年1月)之后,SiTime没有MEMS现场故障回报,DPPM也不到2台。 如图1所示,SiTime器件的平均故障间隔时间(MTBF)超过10亿小时(转换为FIT <1),比典型的石英器件好30倍。

1:平均故障间隔时间(百万小时)的振荡器可靠性比较[2]


MEMS硅晶振包装,功能和性能

MEMS器件使用堆叠芯片配置。MEMS谐振器安装在驱动和校准谐振器的振荡器IC上。使用塑料注塑成型,这些模具一起封装在MSL-1级封装中。MEMS振荡器采用双扁平无引脚(DFN)封装,尺寸小至2.0 x 1.6 mm。与石英封装相比,MEMS DFN封装具有较低的外形,但它们适合常见的石英振荡器PCB焊盘布局,并且与石英器件引脚兼容,便于更换,而无需任何PCB设计更改。

为了实现低成本和更高的板级可靠性,SiTime提供采用SOT23-5封装的时钟发生器。这种封装类型提供更高的焊点可靠性,并允许低成本光学(无X射线)焊点检测。

下表列出了SiTime提供的汽车AEC-Q100 MEMS系列

采用SOT23-5封装的AEC-Q100单输出时钟发生器(板级可靠性更高,成本更低)

产品系列

频率范围

温度

封装

精度

电压

SIT2024

1 to 110

-55 to +125 Grade 1: -40 to +125 Grade 2: -40 to +105

2.9 x 2.8 (SOT23-5)

±25, ±30, ±50

1.8, 2.5 to 3.3

SIT2025

115.20 to 137

采用DFN封装的AEC-Q100振荡器(可替代石英元件,小尺寸)

产品系列

频率范围

温度

封装

精度

电压

SIT8924

1 to 110

-55 to +125 Grade 1: -40 to +125 Grade 2: -40 to +105

2.0 x 1.6, 2.5 x 2.0, 3.2 x 2.5, 5.0 x 3.2, 7.0 x 5.0 (DFN)

±25, ±30, ±50

1.8, 2.5 to 3.3

SIT8925

115.20 to 137


MEMS硅晶振更强大

车辆受到高水平的机械冲击和振动力,可能会降低石英振荡器的性能并导致其失效。 在这些恶劣环境中工作时,振荡器必须符合其规格。如果振荡器不可靠,它有可能导致灾难性故障。相比之下,MEMS谐振器的振动较小,因为它们的质量比石英谐振器低1000至3000倍。 这减少了由振动引起的加速度施加到谐振器的力。

为了模拟真实世界中设备的性能,SiTime使用标准化测试方法在各种条件下测试了各种具有相似规格的振荡器,包括正弦振动,随机振动和冲击影响。


如图3和图4所示,SiTime的基于MEMS的振荡器具有优异的抗冲击和振动性能。



结论

车载电子系统的不断增加的使用增加了对可靠的汽车级参考时钟元件的需求 这些工艺和标准与SiTime专有的MEMS和模拟IC设计相结合,以合理的成本生产出超高质量的产品。重要的是,SiTime的MEMS振荡器和时钟发生器能够承受恶劣环境中出现的大量振动和冲击,同时继续可靠地执行并符合规范。这种可靠性以及SiTime产品的功能和灵活性使其成为未来功能丰富车辆的理想选择。

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