石英振荡器与MEMS结合的时钟器件方案

瑞士电子与微技术中心（CSEM）等的研究小组在“ISSCC 2013”上发表了将石英振荡器与硅基MEMS技术（硅晶圆级封装技术）结合的时钟器件论文（演讲编号：11.3）。该方案利用硅基MEMS技术真空封装石英振荡器。

图1 石英振荡器与硅基MEMS技术结合的时钟器件

使用石英振荡器的时钟器件拥有精度高的优点，但同时也存在难以小型化及难以低成本化的问题。所以可实现小型化及低成本化的硅基MEMS振荡器引起了关注，但与石英振荡器相比，硅基MEMS振荡器的精度较低，存在温度补偿用CMOS电路复杂、功耗容易变大等问题。

为此，瑞士的研究小组此次提出了可在使用高精度石英振荡器的同时实现小型化及低成本化的封装方案。具体做法是，在形成了温度补偿用CMOS电路的硅晶圆上形成TSV（硅通孔），在晶圆背面连接石英振荡器；然后再与带凹部的硅晶圆粘合在一起，将石英振荡器真空封装。虽然现在通过TSV将石英振荡器与CMOS芯片连接的部分尚未实现，但CMOS芯片及真空封装技术已经实现，目前正在开发TSV工艺。另外，还将在CMOS芯片的表面安装BAW器件。

石英振荡器与硅基MEMS振荡器相比精度更高，因此容易简化温度补偿用CMOS电路，可实现低功耗消化。此次提案的器件在RTC（real-time clock）模式下的精度为±5ppm，消耗电流为0.4μA，与最新的硅基MEMS振荡器（±5ppm、2～3μA）相比，实现了低功耗化。CMOS芯片利用0.18μm工艺制造。时钟器件的整体尺寸为1.4mm×1.0mm×0.5mm。