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我的晶體為何沒有啟動,這和 MCU 本身有什麼令人驚奇的關聯

眾所周知,MCU 或 MPU 在啟動之後首先要取得的基本輸入是時脈來源。

為 MCU 饋送外部時脈來源的方式有很多,包括 RC 電路、陶瓷諧振器晶體 (又稱石英晶體)、晶體振盪器以及矽/MEMS 振盪器模組

特定應用的最佳時脈取決於許多因素,包括成本、準確度、功耗、環境參數等。

本文將探討陶瓷諧振器或晶體的使用 (簡而言之,陶瓷諧振器實際上是含內建電容的晶體,但其準確度和溫度穩定性不及石英晶體)。晶體有時被稱為 XTAL。

晶體廣泛用於要求低成本的應用,原因很簡單,那就是晶體相當便宜。但許多不太計較成本的應用也會使用晶體,原因在於晶體很精確,並且在高頻率下很穩定。

許多 MCU 廠商都有自己的「應用說明」,用於指導設計人員如何將晶體正確地連接到 MCU、如何為電容和電阻選擇正確的值,以及瞭解 PCB 佈局問題等。

最終,在設計過程、測試和實地試驗結束後,您對這個堪稱「優良工程」的設計很滿意。產品順利進入生產階段,而生產者通常是世界某地的委託製造商 (CM)。

過了一段時間 (也許是六個月或幾年),您接到委託製造商的電話,表示產品在組裝後沒有通過功能試驗。您花了一些時間進行調查,發現原來是晶體沒啟動,MCU 沒有運作。

您搞不懂這到底是怎麼回事。您已經忘了這個產品,忘了當時是怎麼設計的,當時的設計人員也換人了。而且,您現在埋首於新的產品,當然也抽不出時間處理這件事。真是一團亂!

這種現象其實不常發生。據我所知,這種案例近十年來大約有十幾個,但我認為應該還有更多。

事實上,原因並不在晶體,而在於 MCU 和稱為「晶粒微縮」的製程。「晶粒微縮」的基本定義是利用更先進的製造工藝,為半導體 IC 建立完全相同的電路,並減少電晶體/閘極的尺寸以及互連的距離。「晶粒微縮」製程能讓人在同一塊矽晶圓上製造出更多的處理器晶粒,從而降低每個產品的成本。

晶粒微縮對最終使用者也很有幫助,因為晶粒微縮能減少每個電晶體使用的電流,同時維持相同的晶片時脈頻率,從而降低產品功耗並提高時脈率。此外,這還能讓廠商實作更多 IC 功能,而這些功能在縮小晶粒之前是無法實現的。

晶粒微縮是半導體公司提高性價比的關鍵,隔一段時間就會進行一次。有的一年一次,有的幾年一次。

圖 1:晶體的等效電路

但在這個「晶粒微縮」的製程中,安裝晶粒的封裝本身沒有任何的改變。晶粒焊盤與封裝引腳之間的距離變長。當焊盤與引腳間的走線具有「更長」的電氣距離時,會影響到負載的阻抗與電阻值 (ESR),而晶粒微縮後,電子速度會變快,會影響到電感值。

MCU 封裝越大,就越可能受到晶粒微縮的影響。晶體的行為類似於 RLC 電路,若沒有經過深入計算,這些在縮小晶粒之後的 R、L 和 C 參數,會影響在晶粒微縮之前的初始設計階段所選擇和測試的電容和/或電阻值。

這個現象和晶體在設計過程中未啟動的情況很類似。但當您想查看發生什麼事,並用示波器探針觸碰引腳時,晶體突然開始振盪。探針增加了晶體啟動所需的些許電容量。

該怎麼解決呢?

實際上,發生此問題時,基本上很難進行補救,但首先必須意識到問題的存在。另外,就像消防員常說的:「最快的滅火方式就是防患於未然。」如果能夠承受為整體系統多投資 20 到 40 美分,則建議使用簡單的晶體振盪器,而不是石英晶體本身。晶體振盪器是個完全整合的解決方案。振盪器製造商會為振盪器電路匹配石英諧振器,從而消除電路板設計人員的匹配負擔。此外,晶體振盪器還有許多其他的優點,例如運作很穩定、不易受到 EMI 和震動的影響,以及保證能啟動等。

另一個解決方法是進行維護。在對零件執行任何變更 (包括晶粒微縮) 時,大部分可靠的廠商都會發佈產品變更通知 (PCN),有些廠商甚至會為零件編號添加尾碼,以區分晶粒發生變更的零件。因此,設計人員不妨密切關注 PCN,若發現晶粒微縮,則可在「空閒時」,提前將採用舊設計的電路板和晶粒微縮後的新 MCU 拿去測試,看看是否能再次正常運作。如果發現問題,可修改產品,避免在量產的最後一刻發生任何意想不到的問題,特別是當生產是由位於其他國家或地方的委託製造商完成時。

關於作者

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Dany Haikin 是 Digi-Key Electronics 的區域應用工程師暨技術支援經理,自從 2012 年加入本公司,主要負責為以色列與中東地區的 Digi-Key 客戶提供應用與技術支援。他在電子產業累積超過 33 年的經驗,擁有以色列理工學院的電子工程學位。

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