반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 송 리(Song Li),

마이크로칩테크놀로지(Microchip Technology) 

기존의 안정된 기술을 보다 현대적인 접근방식으로 대체할 경우 많은 부분에서 획기적인 기능 향상을 가져올 수 있다. 반도체 디바이스의 경우, 과거 50여 년간 소형화, 고속화, 저가격화(및/또는 성능 개선, 신뢰성 향상 등)의 방향으로 꾸준히 진전되어 왔다. 타이밍 요건이 핵심인 최근 자동차 애플리케이션 디지털 회로에서는 과거 어느 때보다 MEMS 오실레이터의 필요성이 대두되고 있다. 이 글에서는 다양한 오토모티브 애플리케이션에서 새롭게 부상하는 수요 및 필요성에 대해 논의하고 MEMS 오실레이터와 크리스탈 오실레이터의 차이점을 설명하고자 한다. 또한, 타이밍이 핵심인 애플리케이션에 관한 솔루션을 제시하고 모든 애플리케이션에 향상된 신뢰성을 제공할 수 있는 오토모티브 인증 MEMS 오실레이터 신제품군을 소개한다.

오토모티브 애플리케이션에 대한 새로운 수요

오늘날의 자동차는 온보드 카메라, 초음파 센서, 라이다(LiDAR) 및 레이더를 포함한 첨단운전자보조 시스템(ADAS)은 물론 인포테인먼트, 차내 네트워크 등을 위한 정확한 타이밍을 요구한다. MEMS 오실레이터는 10여 년 이상 생산되어 자동차 애플리케이션 분야에서 사용되어 왔지만, 자율주행차에서 새로운 ADAS가 사용되면서 더욱 많은 기능을 필요로 하며 시간 동기화 디바이스에 대한 요건도 더욱 엄격해지고 있다.

오토모티브 요건
신뢰성은 자동차 업체 및 자동차 전자시스템 공급업체들의 주된 관심사다. 크리스탈 오실레이터는 올바른 주파수를 얻기 위해 쿼츠(quartz)을 기계적으로 절단 및 연마하여 밀폐된 외함에 장착되어 제공된다. 크리스탈(crystal)은 구조가 얇기 때문에 진동 손상에 취약하고 고정 주파수로 제한된다. 또한 크리스탈 오실레이터는 제조공정 청정도가 높지 않다. 더욱이, 크기가 비교적 큰 쿼츠 디바이스는 높은 충격과 진동조건에서 낮은 내구성을 보인다.

이에 반해 MEMS 오실레이터는 집적회로(IC) 제조 설비에서 생산되므로 다른 IC와 마찬가지로 제조공정 청정도가 훨씬 높은 수준이다. 실제로 MEMS 오실레이터는 기존 크리스탈 오실레이터 장치보다 20배 향상된 신뢰성, 500배 향상된 내충격성 및 5배 우수한 내진동성을 제공한다.

또한 MEMS 오실레이터는 그 자체로 매우 작고 견고하다. 크리스탈은 크기가 한정되어 있어 작아질수록 가격이 상승한다. 공간 제약이 매우 엄격했던 최초의 오토모티브 애플리케이션에서는 크리스탈의 크기 때문에 차량용 카메라 일부를 개조해야 했으므로 MEMS 접근방식은 자연스럽게 이러한 애플리케이션에서 해결책이 되었다. ADAS 등 수많은 새로운 오토모티브 애플리케이션이 더욱 소형화된 패키징을 필요로 하므로, MEMS 오실레이터의 크기는 크리스탈 오실레이터를 대체하는 또 다른 중요한 요소가 되고 있다.

MEMS 오실레이터의 다른 요소로는 매우 높은 온도에서 주파수 안정성을 유지하는 기능이다. 쿼츠 디바이스는 온도에 있어 매우 비선형적인 특성을 가지므로 이 분야에서 더 많은 난점에 봉착한다. 현재 사용 가능한 MEMS 오실레이터의 온도등급은 1등급(AEC-Q100에 의거한 -40 ~ +125°C의 주변 동작 온도 범위)이다. 차세대 MEMS 오실레이터는 더 높은 온도에서 동작하며 일부 0등급(-40 ~ 150°C)이 요구되는 차내 영역을 처리한다(표 1 참조).

표 1: 등급별 AEC-Q100의 동작 온도

디바이스가 설치된 위치의 주변 온도 및 오실레이터 인쇄회로기판(PCB)상 필요한 배치로 인해 자동차 애플리케이션에 고온이 발생할 수 있다. 차내 연결성이 높을수록 더 높은 IC 출력이 필요하다. 이들 IC에서 발생하는 열 손실은 주변 부품의 로컬 온도를 상승시킨다. 시스템 안정성을 위해 크리스탈 오실레이터는 일반적으로 지원 IC에 가깝게 배치되며, 과거에는 3 등급까지 허용되었다. 그러나 상황이 점차 변하고 있다.

인포테인먼트 시스템의 마이크로프로세서는 상당한 열을 방출하며 대부분의 차량 내부 구성요소는 2등급(최대 105°C)으로 지정되지만 프로세서에 물리적으로 가까운 클럭은 1등급(최대 125°C)을 지원해야 한다. 이렇게 강력한 프로세서는 크리스탈을 쉽게 가열해 온도 드리프트 및 주파수 편이를 발생시켜  오실레이터가 필요한 주파수 범위를 벗어나도록 만들게 하므로, MEMS 오실레이터는 최고의 솔루션이 될 수 있다. 크리스탈 오실레이터를 계속 사용하기 위한 한 가지 해결책은 프로세서로부터 멀리 떨어뜨려 배치하는 것이다. 그러나 이는 PCB상 필요한 로컬 표면적에 영향을 미친다. 또 다른 해결책은 보다 높은 안정성(-50 ~ 125°C)을 갖는 크리스탈 오실레이터이지만, 이 경우 가격이 약 3배 이상으로 높아지게 된다.

반면MEMS 오실레이터에는 능동 온도 보상회로가 구현되어 있다. MEMS 오실레이터의 회로는 온도를 감지하고 일정한 출력 주파수를 유지하도록 조정함으로써 초당 30회까지 온도 변화에 대한 실시간 보정을 제공할 수 있다. 이를 통해 고온 애플리케이션에서 매우 정확한 온도 안정성(최저 ± 20ppm)을 구현하고 안정성 높은 크리스탈 오실레이터와 비교했을 때 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

그래픽(GPU) 및 컴퓨팅(CPU) IC와 관련 전원 관리 IC의 성능과 처리 능력이 향상됨에 따라, 기존의 크리스탈 오실레이터는 점점 더 그 한계로 인한 문제와 그 이상의 문제에 직면할 것으로 예상된다.

MEMS 오실레이터 기술

MEMS 오실레이터의 뿌리는 MEMS 레조네이터다. 레조네이터는 정확한 주파수를 제공하기 위해 매우 정밀한 기계적 진동을 생성하는 실리콘 에칭 구조물이다. 그림 1은 ‘Free-Free beam Short support(FFS)’ 레조네이터 디자인을 나타낸다. 기판 접촉부인 4개의 앵커 위치 위에 지지대가 배치되며 좁은 간극으로 분리되어 있어 레조네이터가 자유롭게 움직일 수 있다.

그림 1: 30 x 50 µm 초소형 크기로 미세 가공된 FFS 레조네이터 지지대의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지

FFS 레조네이터 지지대 아래의 전극은 정전기 변환기를 생성한다. 지지대와 전극이 서로 다른 전압으로 유지되면 그 사이에 힘이 발생한다. 바이어스 될 때 변환기 갭(gap)이 변동하므로 구조물은 공진 주파수에서 출력 전류를 생성하는 시변 커패시터처럼 동작한다.

고품질 인자를 구현하기 위해 퓨전 본딩법을 이용한 캡핑(capping) 및 밀봉 공정을 통해 MEMS 레조네이터를 진공 밀봉한다. 그 결과물인 웨이퍼 레벨 패키지는 다양한 사출 성형 IC 패키지에 사용될 수 있다. 그림 2는 밀봉된 MEMS 다이 내부의 레조네이터가 어떻게 CMOS의 특정 애플리케이션용 집적회로(application-specific integrated circuit, ASIC)에 적층되어 있는지 보여준다. MEMS 디바이스는 와이어 본드로 ASIC 다이에 접합된다.

그림 2: 전체 MEMS 오실레이터 구성 분해도

ASIC에서 온-칩 일회성 프로그래머블(OTP) 메모리와 크로스바 스위치는 제품의 유연성을 제공한다. 출력 주파수를 설정하는 PLL 및 분배기 값은 온도 보정 설정, 출력 프로토콜 선택, 상승/하강 시간 제어, 핀 상승/하강 활성화 및 기타 값과 함께 이 메모리에 저장된다.

실제로 MEMS ASIC에는 많은 기능이 추가될 수 있다. 그 중에는 다중 출력 기능이 있는데 해당 기능은 소요 공간에 도움이 되며 쿼츠 크리스탈에는 추가될 수 없는 기능이다. 또 다른 예로 전자기 간섭(EMI) 문제를 줄이거나 피하기 위한 확산 스펙트럼 기능이 있다. EMI는 또한 클럭의 출력 상승 및 하강 시간에 의해서도 영향을 받기도 한다. 따라서 MEMS 오실레이터에서 ASIC의 클럭 상승 및 하강 시간을 변경할 수 있는 프로그래밍 기능을 통해 문제를 적절한 시기에 해결하고 디자인을 마무리 할 수 있다.

자동차 인증 MEMS 타이밍 솔루션

최근 소개된 DSA11x1 및 DSA11x5는 오토모티브 등급 MEMS 오실레이터 및 클럭 발생기다. AEC-Q100 인증 디바이스는 -40 ~ +125°C 온도 범위에서 최저 ± 20ppm의 주파수 안정성을 가지며 AEC 1등급, 2등급 및 3등급 애플리케이션용으로 지정되어 있다.

위상 지터가 1 ps(일반적으로) 미만인 이 MEMS 오실레이터는 2.3 ~ 170MHz의 주파수 범위에서 동작한다. AEC 인증 디바이스는 2.5mm x 2.0mm, 3.2mm x 2.5mm 및 5.0mm x 3.2mm의 소형 산업표준 설치면적(industry-standard footprints)으로 제공되며 두께는 모두 0.85mm이다. DSA1101/21과 기능적으로 동등한 DSA1105/25는 EMI 감소를 위해 더 긴 상승 및 하강 시간을 가진다. 그림 3은 이러한 MEMS 오실레이터 내부의 통합된 블록들을 보여준다.

그림 3: 온도 범위에 걸쳐 안정적인 클럭 주파수를 얻기 위한 MEMS 오실레이터의 블록도

MEMS 오실레이터의 온도 센서는 다른 회로와 함께 레조네이터의 절대 주파수의 자연 확산과 온도 계수를 보정하기 위해, PLL로 전달되는 다이 온도의 디지털 표시를 생성한다. 그림 4는 이 기법에 의해 생성된 온도 안정성의 예를 보여준다.

그림 4: 크리스탈 오실레이터와 비교해 특히 최고 125°C의 고온에서 극적인 개선을 구현한

MEMS 오실레이터의 주파수 안정성

다중 출력 MEMS 오실레이터

AEC-Q100 인증 및 1등급 평가를 받은 MEMS 오실레이터 신제품군 중 하나인 DSA2311은 업계 최초의 듀얼 출력 MEMS 오실레이터다. 2.5 x 2.0mm 크기의 패키지(그림 5)로 제공되며, 하나의 보드에서 2개의 크리스탈 또는 오실레이터를 대체할 수 있다(그림 6 참조). 이 디바이스의 2개 동시 CMOS 출력은 각각 2.3MHz ~ 170MHz다. 이를 통해 PCB 공간을 절약하고 구매, 재고 및 설치 비용을 절감하며, 궁극적으로는 더욱 강력한 통합을 구현할 수 있다.

그림 5: 2.5 x 2.0mm 크기의 마이크로칩(Microchip) DSA2311 MEMS 오실레이터 패키지

그림 6: 마이크로칩의 DSA2311 MEMS 오실레이터의 내부 블록도

듀얼 출력 MEMS 오실레이터를 사용하면 2개의 크리스탈을 단일 디바이스로 교체하여 BoM(Bill of Material) 절감이 가능하다. 인포테인먼트 시스템에는 기본적으로 마더보드와 많은 프로세서가 장착되어 있으며, 각 프로세서는 기준 주파수를 필요로 한다. 이 경우 듀얼 출력 MEMS 오실레이터는 여러 개의 클럭을 대체할 수 있다. PCB 공간은 상당히 중요하고 확보가 어렵기 때문에 이 MEMS 오실레이터는 여러 문제를 해결할 수 있는 선택지를 제공한다. 그림 7은 DSA2311과 마이크로칩의 다른 디바이스들이 자동차 회로에서 어떻게 결합되는지 보여준다.

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그림 7: DSA2311 듀얼 출력 MEMS 오실레이터가

두 요소에 타이밍을 제공하는 방식을 보여주는 애플리케이션 회로도

표 2: 마이크로칩의 오토모티브 인증 1등급 MEMS 오실레이터 제품과 그 특징

마이크로칩은 오랜 수명주기를 갖는 제품들을 지속적으로 공급하고 있으며, 고객 중심의 단종 정책을 지향하므로 고객이 필요로 하는 한 제품 공급을 지속한다. 따라서 자동자 제조업체와 부품 공급업체는 다른 반도체 공급업체들과 협력하는 경우에 비해 훨씬 오랜 기간 MEMS 오실레이터를 안정되게 공급받을 수 있다.

시간이 핵심

모든 디자인 변경에서 디자인-인(design-in) 지원은 필수적이다. 개발자는 마이크로칩의 온라인 ClockWorks® Configurator 툴을 사용하여 주파수, 패키지 크기 및 온도 범위에 따라 애플리케이션에 적합한 MEMS 오실레이터를 쉽게 선택하고 커스터마이징 할 수 있으며 무료 샘플도 주문할 수 있다. ‘클럭웍스 컨피규레이터(Clockworks Configurator)’를 사용하여 DSA2311 듀얼 출력 클럭 생성기의 두 출력 주파수를 커스터마이징 할 수도 있다.

고객이 컨피규레이터에서 샘플을 받는 데는 2~5일의 기간이 소요되지만, TimeFlash 2 필드 프로그래밍 키트(TimeFlash 2 Field Programming Kit)를 사용하면 개발자는 몇 초 내에 빈 필드 프로그래머블 오실레이터를 커스터마이징 주파수로 프로그래밍하고 디자인 검증을 수행할 수 있다. 키트를 PC의 USB 포트에 꽂으면 사용자의 데스크톱에서 바로 플래시 프로그래밍이 가능하다. 이 키트는 표준 오실레이터의 주파수 정확도와 전력 소비량뿐 아니라 전류 및 안정성도 측정할 수 있는 기능을 제공한다.

변화를 통한 혁신

지난 20년간 자동차 제조업체에게 신뢰성은 과거 어느 때보다도 훨씬 더 큰 관심사가 되었다. PCB에서 IC는 가장 높은 신뢰성을 가진다. 크리스탈 오실레이터를 포함하는 다른 구성요소는 벤치마크 수준에 미치지 못하는 반면, MEMS 오실레이터는 오실레이터의 신뢰도를 IC 수준으로 끌어올려 자동차 고객에게 큰 이점을 제공한다. 자율주행과 같은 애플리케이션의 경우, 최고 수준의 신뢰성이 요구되므로 MEMS 오실레이터 솔루션은 자동차 부품업체에게 상당히 매력적인 옵션을 제공한다. 크리스탈 오실레이터에서 MEMS 오실레이터로의 변경을 고민해 왔다면, 이제는 주저 없이 보다 향상된 주파수 안정성, 공간 절약, 온도, 충격 및 진동에 대한 내구성이 개선된 MEMS 오실레이터를 선택할 때이다. 이 같은 이점들을 바탕으로 점점 더 많은 자동차 제조업체들 역시 새로운 MEMS 오실레이터 기술을 채택하고 있다.