Wie die MEMS-Technologie den Oszillatormarkt revolutioniert

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Bei Quarz-Oszillatoren hingegen muss der Kunde mindestens 16 Wochen warten, bisweilen auch doppelt oder dreimal so lang, wenn beispielsweise – wie etwa 2010 geschehen – der wichtigste Hersteller von Keramikgehäusen mit der Lieferung nicht nachkommt.

Ein MEMS-Oszillator besteht aus CMOS-Chip und Resonator

Der vom grundsätzlichen Aufbau her immer identische MEMS-Oszillator besteht aus einem CMOS-Chip mit Versorgungsschaltkreis, der für eine gleichbleibend stabile mechanische Schwingung des MEMS-Resonators sorgt, sowie dem eigentlichen MEMS-Resonator.

Dank der On-Chip-PLL lässt sich jede beliebige Frequenz von 200 kHz bis 1 GHz programmieren, und zwar mit einer Genauigkeit bis auf die sechste Dezimalstelle. Besonders deutlich werden die sich daraus ergebenden Vorteile bei höheren Frequenzen. Wenn es in Bereiche über 60 MHz geht, werden Quarz-Oszillatoren nämlich zunehmend ungenauer.

Die Folgen sind ein höherer Herstellungsaufwand und damit verbunden natürlich auch höhere Fertigungskosten, die letztlich allein der Anwender zu tragen hat.

CMOS-Chip und Resonator auf einem Leadframe

Nach dem Verdünnen und Vereinzeln der Wafer – in beiden Fällen handelt es sich um Standard-Prozessschritte – werden der MEMS-Resonator und der CMOS-Schaltkreis auf einen Trägerstreifen, den sogenannten Leadframe, übereinander gestapelt, über Drahtanschlüsse miteinander verbunden und anschließend in Standard-Kunststoffgehäusen untergebracht.

Ohne Anpassungen in bestehende Leiterplattenlayouts integrierbare Gehäuse

Um eine möglichst hohe Zuverlässigkeit, eine geringe Induktivität der Anschlussleitungen, ein gutes thermisches Betriebsverhalten und eine flexible Gestaltbarkeit der Kontaktflächen sicher zu stellen, verwendet SiTime hierfür in den Standardmaßen 2,5 mm x 2,0 mm, 3,2 mm x 2,5 mm, 5,0 mm x 3,2 mm und 7,0 mm x 5,0 mm erhältliche QFN-Kunststoff-Spritzguss-Gehäuse. Die 0,75 bzw. 0,90 mm flachen Bauelemente lassen sich ohne Anpassungen in bestehende Leiterplattenlayouts integrieren.

Rasante Aufholjagd in puncto Jitter und Phasenrauschen

Nach dem Eingießen des fertig verdrahteten Bauteils in ein Kunststoffgehäuse erfolgt die Vereinzelung, der Test und die Kalibrierung der fertigen Bauteile. Etwaige, temperaturbedingte Abweichungen im MEMS-Resonator werden dabei mit Hilfe eines Temperatursensors in Verbindung mit der Frequenzsteuerung kompensiert. Auf diesem Weg lassen sich derzeit Ausgangsfrequenzen mit einer Genauigkeit von bis zu ±10ppm bei XOs und bis zu ±1ppm bei TCXOs über den gesamten spezifizierten Arbeitstemperaturbereich von -40 bis 85 °C erzielen.

Nächste MEMS-Oszillator-Generation wird noch besser

Erste Oszillatoren, die mit der neuen Encore-MEMS-Timing-Plattform von SiTimes realisiert wurden, kommen inzwischen sogar auf eine Frequenzstabilität von ±0,5 ppm sowie 650 Femtosekunden integrierten RMS-Zufallsphasenjitter, gemessen im Bereich von 12 kHz bis 20 MHz. Setzt man die FibreChannel 8,5-GBit/s-Gittermaske gemäß ANSII FC-PI-4 ein, so beträgt der integrierte RMS-Zufallsphasenjitter sogar nur noch 200 Femtosekunden.

Und auch in puncto Phasenrauschen machen MEMS-Oszillatoren immer mehr Boden wett. Neue Schaltungskonzepte der MEMS-Oszillator-Hersteller zeigen bereits Vorserien-Werte von bis zu -164 dBc bei 10 kHz und es dürfte daher vermutlich nicht mehr allzulange dauern, bis sich erste MEMS-Oszillatoren auch in 3G-Netzwerken wiederfinden.

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