Halbleiter als Ersatz für Quarzoszillatoren

Mit einer Jahresproduktion von etwa 1,4 Milliarden Stück sind Quarzoszillatoren seit langem die erste Wahl bei der Taktgenerierung in der Elektronik. Sie stehen in zahlreichen Frequenzen, Gehäusegrößen, Stabilitätswerten und mit hoher Jitter- Performance von verschiedenen Anbietern zur Verfügung...

Mit einer Jahresproduktion von etwa 1,4 Milliarden Stück sind Quarzoszillatoren seit langem die erste Wahl bei der Taktgenerierung in der Elektronik. Sie stehen in zahlreichen Frequenzen, Gehäusegrößen, Stabilitätswerten und mit hoher Jitter- Performance von verschiedenen Anbietern zur Verfügung. Doch trotz all dieser Vorteile führten ihre komplexe Fertigung und Probleme bei der Zuverlässigkeit zur Entwicklung alternativer Lösungen, die auf MEMS-Resonatoren oder reinen Halbleitern basieren. Können diese den Quarzoszillatoren aber das Wasser reichen?

Quarzoszillatoren erfordern für jede Frequenz einen eigenen Quarzresonator. Dazu muss der Hersteller den Quarz schneiden, röntgen, polieren, montieren und in einem Gehäuse versiegeln (Bild 1). Bei Frequenzen über 100 MHz wird diese Aufgabe zunehmend schwieriger, da ein Resonator innerhalb enger Toleranzen zu fertigen ist. Der komplexe Fertigungsprozess führt zu einer schlechten Ausbeute (Yield) bei bestimmten Prozessschritten, was zu erneuten Materialaufwendungen und Verzögerungen führt. Dieser Built-to-Order-Prozessfluss erschwert es den Oszillatoranbietern, statistische Qualitätskontrollen oder kontinuierliche Verbesserungsmaßnahmen einzuführen, da er jede Oszillatorfrequenz als eigenständiges, separates Produkt betrachten muss. Dies führt zu langen, nicht vorhersagbaren Lieferzeiten, vor allem bei kundenspezifischen Frequenzen, die der Hersteller nicht in Massenfertigung bietet.

Neben den Lieferzeiten ist die Zuverlässigkeit ein wichtiger Aspekt bei Quarzoszillatoren (XOs), denn sie sind anfällig gegen Verunreinigungen. Diese können die Mittenfrequenz und das zuverlässige Hochfahren des XOs beeinträchtigen. Fällt ein Oszillator in einer Endanwendung aus, fällt auch meist das gesamte System aus, da der Oszillator das entscheidende Timing für die Elektronik bereitstellt. Daher sucht die Branche schon seit langem nach einem Ersatz für Quarzoszillatoren.

In den letzten Jahren haben sich MEMS-basierte Oszillatoren als möglicher Ersatz etabliert. Sie ersetzen den Quarzresonator durch einen CMOS-basierten mechanischen Resonator. Sie finden ihren Einsatz in einigen Anwendungen mit Frequenzen unter 125 MHz und bieten hier in Sachen Jitter und Phasenrauschen eine vergleichbare Leistung wie Quarzoszillatoren. Doch bis heute sind MEMS-Lösungen auf einen engen Frequenzbereich beschränkt und können durch ihren Aufbau nicht die breite Anzahl von Signalformaten unterstützen, welche die Elektronikindustrie fordert.

Außerdem besteht der MEMS-Oszillator üblicherweise aus zwei Halbleiter- Dies, einem Resonator auf MEMS-Basis und einem PLL-Schaltkreis (Phase- Locked Loop), der verschiedene Ausgangsfrequenzen synthetisiert. Zwar lässt sich der MEMS-Resonator mittels normaler Halbleiterprozesse herstellen. Anschließend muss er allerdings hermetisch versiegelt werden, was komplexere Wafer-Bonding- Techniken erfordert. Nach der Fertigstellung kann der MEMS-Resonator zusammen mit der PLL in ein fertiges Produkt integriert werden, das getestet und für eine kundenspezifische Frequenz programmiert wird. Zwar ist der Fertigungsablauf für MEMS-Oszillatoren im Vergleich zu herkömmlichen Quarzoszillatoren deutlich besser, basiert aber auf nicht standardgemäßen Wafer-Verarbeitungstechniken, die in der Branche nicht weit verbreitet sind. Daher sind die Fertigungsoptionen eingeschränkt.

Die Frequenzdrift des Si500 verhält sich ähnlich wie andere Alterungsvorgänge bei Halbleitern. Diese Vorgänge sind gründlich erforscht und folgen der Arrhenius-Gleichung für Reaktionsraten. Für die Frequenzalterung des Si500 wurde eine Aktivierungsenergie von etwa 0,7 eV nachgewiesen, was dem Wert von anderen gängigen Reaktionsraten in Halbleitern entspricht. Nach Arrhenius lässt sich die Alterung für verschiedene Betriebstemperaturen aus Qualifizierungsdaten bei höheren Temperaturen abschätzen (Bild 5).

Da der Si500 keine beweglichen Teile enthält und nicht hermetisch versiegelt werden muss, ist er auch nicht anfällig gegen Verunreinigungen, die eine Frequenzdrift oder mögliche Signalverluste verursachen können. Außerdem ist das Anlaufen des Si500 wesentlich robuster, da Verlustmechanismen auf metallischen Widerständen – hervorgerufen durch metallische Leitungen – basieren, die über der Zeit sehr konstant sind.

Daher bleibt die Anschwingreserve (Oscillation Margin) über der Lebensdauer konstant. Testschaltkreise innerhalb des Si500 erlauben es dem Hersteller, die Anschwingreserve beim Ausgangstest effizient zu überwachen.

Stöße und Vibrationen können die Zuverlässigkeit quarzbasierter Oszillatoren beeinträchtigen. Die Quarzkristalle sind mittels Epoxidharz oder einseitig angebrachter Metallclips über der Oszillationselektronik angebracht (Bild 6, links). Die Befestigung des Quarzes an nur einer Seite verlagert den Schwerpunkt weg von der Befestigung, sodass der Quarz bei Vibrationen wie ein Sprungbrett schwingen kann. Große Stöße oder eine dauerhafte Vibration der Befestigung können den Quarz beschädigen. Da der Si500 keine beweglichen Teile hat, bleibt der Schwerpunkt in der Bausteinmitte (Bild 6, rechts). Somit arbeitet er auch unter Stoß- und Vibrationsbedingungen zuverlässig.

Perioden-Jitter ist eine wichtige Spezifikationen bei Oszillatoren, da diese Größe die Setup/Hold-Dauer, den Signal/Rauschabstand oder Bitfehlerraten in Systemen, die eine Korrelation von Takt und Daten erfordern, bestimmt. Der Perioden- Jitter beschreibt, wie weit jede Periode von der idealen Taktperiode abweicht. Dieser Wert eignet sich, um den zeitlichen Setup/Hold-Spielraum in digitalen Systemen festzulegen. Das Maß an HALBLEITER erlaubtem Jitter hängt stark von der maximal erlaubten Bitfehlerrate (BER) der Endapplikation ab. Hochleistungsanwendungen wie sehr schnelle serielle Datenübertragungen (z.B. PCI Express oder SONET/SDH) haben sehr strenge Anforderungen bezüglich der Bitfehlerrate und benötigen demzufolge auch einen Referenztakt mit sehr geringem Jitter.