SE Spezial-Electronic Quarz-Oszillatoren aus moderner Fertigung

Quarz-Chip mit herkömmlicher, quaderförmiger Struktur (links): Die Dicke des Quarzes kann bis auf etwa 30 µm reduziert werden.  Bei der invertierten Mesa-Struktur (rechts) hat nur der zentrale Teil die erforderliche geringe Dicke des schwingenden Volumens.
Quarz-Chip mit herkömmlicher, quaderförmiger Struktur (links): Die Dicke des Quarzes kann bis auf etwa 30 µm reduziert werden. Bei der invertierten Mesa-Struktur (rechts) hat nur der zentrale Teil die erforderliche geringe Dicke des schwingenden Volumens.

Dank der Fortschritte in der digitalen Signalverarbeitung sind viele Baugruppen mit einem Mikroprozessor ausgerüstet. Diese Systeme benötigen ein Taktsignal – etwa von einem externen Oszillator. Oft werden Quarz-Oszillatoren verwendet, deren Aussichten dank Technologien wie Epsons QMEMS weiterhin gut sind.

Die derzeit am Markt verfügbaren Oszillatoren haben überwiegend einen hybriden Aufbau mit zwei Komponenten: dem Resonator zur Schwingungserzeugung und dem CMOS-ASIC zur Anregung des Resonators und zur Aufbereitung und Ausgabe des

Wurden 2013 laut Market and Research weltweit rund 1,5 Mrd. Oszillatoren eingesetzt, wächst der Bedarf bis 2018 um jährlich 8,3 Prozent auf 2,3 Mrd. Stück.

elektrischen Taktsignals. Als Resonatoren werden schon seit mehr als 100 Jahren vor allem Schwingquarze verwendet. Einige Aspekte sprechen dafür, dass dies auch in der Zukunft so bleiben wird. Quarz ist zunächst ein besonders geeignetes Material für ein elektromechanisches Schwingsystem. So ermöglicht der piezoelektrische Effekt in Verbindung mit einem großen Elastizitätsmodul Gütewerte bis über 106. Die daraus resultierende hohe spektrale Reinheit der erzeugten Schwingung ist eine gute Voraussetzung für günstige Rausch- und Jitter-Werte des gesamten Oszillators. Außerdem sind mit bestimmten Quarzen (AT-Schnitt) hohe Frequenzstabilitäten in weiten Temperaturbereichen möglich. Und schließlich ist Quarz ein besonders kostengünstiger Rohstoff, der sprichwörtlich wie »Sand am Meer« verfügbar ist. Überdies hat es in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bei der Modernisierung der Quarzfertigung gegeben. Aktuell verfügt Epson, der weltweite Marktführer für Timing-Produkte aus Japan, mit der QMEMS-Technologie über ein besonders effektives Verfahren zur Herstellung hochwertiger Schwingquarze.

QMEMS (Quartz Micro-Electro-Mechanical-System) ist ein waferbasierendes Verfahren zur Herstellung von Schwingquarzen, bei dem die Quarz-Chips mittels fotolitografischen Methoden und Ätzprozessen strukturiert werden. Bei diesem aus der Halbleiterfertigung stammenden Bearbeitungsverfahren kann der lokale Materialabtrag sehr präzise gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, dem Quarz-Chip eine dreidimensionale Struktur mit sehr genauen Abmessungen zu verleihen. Die dabei realisierbaren Formen können zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und zur Vergrößerung von Elektroden genutzt werden. Mit einem geringen Serienwiderstand verbessern großflächige Elektroden das Anschwingen des Quarzes und reduzieren seine Verluste. Die genaue Formgebung führt außerdem dazu, dass Frequenzsprünge bei Temperaturänderungen vermieden und die Stabilität des Temperaturgangs der Schwingfrequenz erhöht werden. Weil QMEMS auch bei kleinen Chips eine hohe Reproduzierbarkeit und Fertigungsausbeute erreicht, ist diese Technologie zugleich eine gute Voraussetzung für die weitere Miniaturisierung von Quarzen und Oszillatoren.

Für Frequenzen ab 1 MHz werden in der Regel Quarze mit AT-Schnitt und Dickenscherungsschwingung verwendet. Für diese Schwingungsart ist charakteristisch, dass der obere und der untere Teil des Quarzvolumens gegenläufige Rotationsbewegungen vollziehen. Dabei wächst die Schwingfrequenz mit abnehmender Dicke des Quarz-Chips. Letztere kann unter Beachtung der mechanischen Stabilität bei herkömmlichen Quarz-Strukturen bis auf etwa 30 µm reduziert werden. Eine weitere Verringerung der Dicke des schwingenden Volumens gelingt mit der invertierten Mesa-Struktur. Bei dieser Struktur hat lediglich ein zentral gelegener Teil des Quarz-Chips die erforderliche geringe Dicke, während die ihn umgebenden nicht schwingenden Bereiche ihre ursprüngliche Materialstärke behalten.

Die QMEMS-Technologie hat sich als ideales Verfahren für die Fertigung von Quarzen nach beiden Struktur-Versionen erwiesen. So ist Epson aktuell in der Lage, Grundton-Quarze (fundamental mode crystals) mit herkömmlicher Struktur (QMEMS-AT) für Frequenzen von 1 MHz bis 80 MHz und mit invertierter Mesa-Struktur (QMEMS-AT-HFF) für Frequenzen von 80 MHz bis 170 MHz herzustellen. Mit QMEMS lassen sich diese Quarze nicht nur besonders kostengünstig fertigen, sondern auch sehr genau auf die vorgegebene Schwingfrequenz einstellen. Damit eignen sie sich perfekt als Taktquelle für Oszillatoren mit einer »direkten« Frequenzerzeugung, bei der die Ausgangsfrequenz mit der Schwingfrequenz des Quarzes übereinstimmt. Teilungen oder Vervielfachungen der Frequenz etwa mit einer PLL, sind bei diesem Konzept nicht erforderlich. Der CMOS-ASIC dieser Oszillatoren muss lediglich für die Anregung des Quarzes und die Verstärkung des Signals sorgen und kann sehr einfach gehalten werden. Das ermöglicht eine erstklassige elektrische Spezifikation mit besonders kleinen Kennwerten für Stromaufnahme, Jitter und Rauschen.

Die Tabelle gibt einen Überblick über aktuelle Oszillatoren des Herstellers Epson mit direkter Frequenzerzeugung und unsymmetrischer CMOS-Ausgangsstufe. Diese Produkte unterstützen die SMD-Standard-Gehäuse von 2520 bis 7050 und die Betriebsspannungen 1,8, 2,5 und 3,3 V. Für die Bauformen SG5032 und SG7050 kann auch eine Versorgung mit 5,5 V gewählt werden, allerdings ist diese Option nur für einen eingeschränkten Frequenzbereich (2,5 bis 50 MHz) lieferbar. Die Kombination des Temperaturbereichs von -40 bis +85 °C mit der Frequenztoleranz von +/-50 ppm steht in jeder Serie zur Verfügung, die Kombination des Temperaturbereichs von -40 bis +105 °C mit der Frequenztoleranz +/-100 ppm in den Serien SG-210x, SG5032 und SG7050. Bei einigen Produkten können noch andere Temperaturbereiche und Toleranzen gewählt werden. Mit Werten von 2,4 mA (SG-210STF bei 20 MHz und 1,8 V) bis 11,0 mA (SG7050CBN bei 170 MHz und 3,3 V) ist die Stromaufnahme dieser Oszillatoren sehr gering. Ebenfalls sehr klein sind die Jitter-Werte, für den SG-210S*H (80 bis 170 MHz) werden 0,7 ps max. angegeben (Offsetfrequenz: 12 kHz bis 20 MHz).

Einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität eines Oszillators hat neben dem Quarz auch der jeweils verwendete ASIC. Als erfahrener Halbleiterhersteller entwickelt und fertigt Epson auch diese Komponente selbst. Damit unterscheidet sich das Unternehmen klar von anderen Oszillator-Herstellern, die ASICs infolge fehlender eigener Möglichkeiten zukaufen müssen. Durch die Kompetenz für Quarz und ASIC kann Epson beide Komponenten stets so auslegen, dass sie optimal zueinander passen. Die vollständige Kontrolle der Supply Chain führt außerdem auch zu einem logistischen Vorteil: Die Quarz-Oszillatoren von Epson können bei Bedarf besonders lange geliefert werden. Das ist wichtig für viele Anwendungen in den Bereichen Industrie, Automotive, Kommunikation und Medizin.

Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Oszillatoren mit einer unsymmetrischen CMOS-Ausgangsstufe gibt es bei Epson seit einiger Zeit auch Oszillatoren mit einer differenziellen Ausgangsstufe, die mit einem AT-HFF-Quarz ausgestattet sind. Dazu gehört zunächst der SG7050EBN (LV-PECL), der Ausgangsfrequenzen von 100 bis 175 MHz direkt – also ohne PLL – erzeugen kann. Infolge dieses Konzepts erreicht der SG7050EBN mit 65 fs einen Spitzenwert bei der Jitter-Spezifikation. Die Oszillatoren SG3225EAN, SG5032EAN und SG7050EAN (LV-PECL) sowie SG3225VAN, SG5032VAN, SG7050VAN (LVDS) sind ausgelegt für Frequenzen von 73,5 bis 700 MHz. Obwohl diese Produkte auf eine PLL angewiesen sind, haben auch sie mit 0,6 ps noch einen sehr geringen Jitterwert.

Der Autor

Dr. Klaus Barenthin ist Director/CTO bei der SE Spezial-Electronic AG.