AI와 머신러닝이 우리를 4차 산업혁명으로 이끌면서 엔지니어들은 전자 시스템을 통해 데이터 전송이 동기화되는 방식을 새롭게 바라보고 있습니다. 더 많은 데이터가 더 높은 수준의 시스템 복잡성을 통해 더 빠른 속도로 이동하고 있습니다. 데이터 흐름을 동기화하려면 정확하고 지터가 적으며 안정적인 타이밍 신호가 필수적입니다. 새로운 기술의 요구 사항을 충족하고 시스템을 원활하게 운영하려면 타이밍 디바이스에 대해 다시 생각해봐야 할 때입니다. 이 2부로 구성된 정밀 타이밍 시리즈에서는 새로운 전자 설계 시대에 MEMS(미세 전자 기계 시스템) 실리콘 타이밍 디바이스가 쿼츠보다 우위에 있는 이유를 알게되실수 있습니다. 

• 석영과 MEMS 재료의 차이점 및 관심을 가져야 하는 이유 .

실리콘은 MEMS 타이밍 디바이스에 사용되는 핵심 소재입니다. 실리콘은 초순수 단결정 실리콘 또는 단결정 실리콘으로 만들어집니다. 단결정 실리콘은 결정 구조가 명확하게 정의되어 있어 일관되고 안정적인 성능을 제공합니다. 실제로 SiTime 실리콘 MEMS 디바이스는 50DPPM 이상의 석영 불량률에 비해 100만분의 1 미만의 불량률로 동급 석영 크리스탈 디바이스에 비해 품질과 안정성이 50배 이상 뛰어납니다.  석영 결정은 순수한 소재이기도 하지만 단결정 실리콘에서는 발생하지 않는 수차 결함이 자연적으로 포함되어 있습니다. 또한 석영 결정은 금속 전극이 필요하며 에폭시 접착제로 부착됩니다. 이러한 재료는 단결정 실리콘만큼 재현성이 뛰어나지 않고 잘 제어되지 않습니다.  

또 다른 차별화 포인트는 크기와 기계적 탄력성입니다. 석영으로 만든 경쟁 디바이스는 MEMS 실리콘 디바이스보다 더 큽니다. 실제로 32kHz의 SiTime 실리콘 MEMS 공진기는 경쟁사 쿼츠 공진기보다 최대 1,000배 더 가볍고 작습니다. 쿼츠 디바이스의 크기가 더 크기 때문에 기계적 중력이 훨씬 더 큰 영향을 미치므로 충격과 진동에 더 민감하게 반응합니다. 재료 강도(질량 및 구조)의 차이로 인해 쿼츠 타이밍 디바이스는 충격을 받으면 MEMS 실리콘보다 더 쉽게 깨지거나 파손될 수 있습니다.  SiTime MEMS 타이밍 디바이스는 표준 반도체 공정을 사용하여 소형화가 용이하고 전자 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다. 실리콘 MEMS 소재는 더 나은 품질을 구현하고 제조를 간소화하며 이전에는 석영으로는 달성할 수 없었던 규모의 경제를 촉진합니다.

• 회복탄력성: 가장 혹독한 조건에서도 견뎌내기 

MEMS 공진기는 뛰어난 복원력을 제공합니다. 고체 상태의 특성과 구조적 설계 덕분에 진동, 충격, 온도 변화, 고압 및 습도와 같은 환경 스트레스 요인에 대한 내성이 뛰어납니다.  MEMS 오실레이터는 온도 변화에 더 탄력적입니다. 공진기는 실리콘으로 제작되기 때문에 오실레이터 IC에 직접 장착하거나 온도 센서와 동일한 기판에 함께 페어링하여 소자 간 거리를 없애고 온도 보정을 훨씬 더 효과적으로 수행할 수 있습니다. 이러한 내구성 덕분에 MEMS 기반 타이밍 솔루션은 쿼츠 오실레이터의 성능을 저하시킬 수 있는 조건에서도 정확성과 신뢰성을 유지하여 중요한 애플리케이션에 더욱 견고한 솔루션을 제공합니다. 

• Epi-Seal 공정: 제조의 경이로움 

SiTime MEMS 디바이스 제조에서 두드러진 특징은 순수 실리콘의 깨끗한 진공 환경에서 MEMS 공진기를 캡슐화하는 독점적인 제조 방법인 Epi-Seal® 공정입니다. 이 혁신적인 밀봉 방식은 환경 오염 물질로부터 공진기를 보호하고 디바이스의 장기적인 신뢰성과 성능을 크게 향상시킵니다. 웨이퍼 수준에서 밀폐 진공 밀봉을 생성하는 기능은 패키지 수준에서 공진기를 둘러싸는 기존의 석영 결정 공진기 제조 방식에서 벗어나 변동성, 불순물, 오염 및 결함의 가능성이 있는 기존 공진기 제조 방식에서 벗어난 것입니다.  공진기 캐비티 내의 오염 물질은 오실레이터 주파수 안정성, 특히 주파수 에이징 또는 드리프트라고 하는 시간에 따른 장기적인 주파수 편차에 큰 영향을 미칩니다. Epi-Seal 공정은 경쟁 솔루션에 비해 SiTime MEMS 디바이스의 신뢰성과 수명을 향상시켜 주파수 노화를 방지합니다.  

• 확장 및 통합: 실리콘의 공급망 시너지 

실리콘 웨이퍼 팹(제조 시설)은 쿼츠 오실레이터에 필요한 보다 전문적이고 덜 유연한 제조 작업과 달리 표준화된 공정으로 운영됩니다. 따라서 실리콘 기반 MEMS 오실레이터는 전자 시스템의 공급망을 간소화하여 쿼츠 디바이스 제조업체보다 더 예측 가능하고 리드 타임을 단축할 수 있습니다. 이는 조달 관리자의 공급망 민첩성 향상으로 이어져 확장성과 신제품 출시 기간을 단축할 수 있습니다. 쿼츠 오실레이터는 세라믹 또는 금속 패키지에 함께 패키징된 오실레이터 칩과 결합된 별도의 쿼츠 기반 공진기를 사용합니다. MEMS 기반 오실레이터는 실리콘 MEMS 칩과 오실레이터 칩을 결합합니다. 그러나 MEMS 공진기는 실리콘 내에 밀봉되어 있고 두 칩 모두 실리콘이기 때문에 플라스틱 쿼드 플랫 무연(QFN)과 같은 표준 반도체 패키지에 함께 패키징하거나 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지(WL-CSP)와 같은 고급 반도체 패키징 기술을 사용하여 풋프린트를 더욱 줄일 수 있습니다. 따라서 MEMS 타이밍 칩은 더 큰 시스템에 통합하기 쉽고 보드 공간을 줄일 수 있어 전력, 성능 및 면적(PPA)에서 설계 효율성을 높일 수 있습니다. 

• 타이밍의 미래 제조 

에피-씰(Epi-Seal) 공정은 MEMS 정밀 타이밍 분야의 리더가 되고자 하는 SiTime의 노력을 잘 보여줍니다. SiTime은 순수 실리콘의 청정 진공 환경에서 MEMS 공진기를 캡슐화함으로써 기존 쿼츠 솔루션보다 뛰어난 신뢰성, 안정성 및 수명을 보장합니다. 또한 실리콘 기반 MEMS 오실레이터를 표준화된 웨이퍼 제조 공정에 통합하면 공급망 효율성과 확장성 측면에서 상당한 이점을 제공합니다. 첨단 전자 시스템에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 SiTime의 혁신은 현대 기술의 요구를 충족하는 동시에 미래의 발전을 위한 길을 열어주는 매력적인 솔루션을 제공합니다.