Silicon Labs Erstmals monolithische CMOS-MEMS-Oszillatoren ohne Bonding

Im Unterschied zu SiTimes‘ MEMS-basierenden Oszillatoren werden die ersten CMEMS-Taktgeberbausteine von Silicon Labs in einem durchgängigen Halbleiter-Prozess hergestellt, wodurch das Bonding zwischen dem 26-MHz-MEMS-Resonator und den CMOS-Oszillator-Schaltkreisen entfällt.

»Unsere ersten CMEMS-Oszillatoren sind in der Massenfertigung bei unserem chinesischen Vertragspartner SMIC und bereits in Stückzahlen lieferbar«, sagt Mike Petrowski, Vice President und General Manger für die Timing-Produkte bei Silicon Labs. Vorgesehen sind die Taktgeberbausteine für preissensitive, stromsparende Anwendungen in den Bereichen Embedded, Industrie und Consumerelektronik. »Sie eignen sich aber nicht für jede Anwendung«, betont Petrowski. Im übrigen ist er sich darüber im Klaren, dass »wir mit unserer patentierten CMEMS-Technik eine bestens etablierte Technologie attackieren, deren Physik seit 100 Jahren bekannt ist«, der Weg zum Erfolg sich also noch als steinig erweisen könne. Verglichen mit quarzbasierenden Frequenzschwingern sind MEMS-Taktgeber gerade mal 5 Jahre alt, »aber SiTime war für uns ein guter Wegbereiter«. Deren aktueller MEMS-Resonator sei aber – Patente hin oder her –»nicht geeignet« für einen monolithischen Baustein. Im Unterschied zum Pionier bei MEMS-basierenden Frequenzschwingern, der nur diese Produktgruppe im Portfolio hat, verfügt Silicon Labs neben seinen Timing-IC-Produkten auch über andere Standbeine wie MCUs, Sensoren und Interfaces. Deshalb gebe es auch »keinen Druck« für einen raschen Durchbruch am Markt, zumal die F&E-Arbeiten erst 2010 mit der Übernahme von Silicon Clocks und deren Expertise in puncto Elektro-Mechanik begonnen haben.

Gleichwohl ist Petrowski optimistisch, war er doch »selbst überrascht von der unglaublichen Temperatur- und Alterungsstabilität« der CMEMS-Bausteine. So betrage etwa die Frequenzdrift über den gesamten Temperaturbereich von -40 bis +85 °C für die Industrievariante »typischerweise weniger als +/-7 ppm«. Erreicht wurde das mit einem besonders trickreichen Aufbau des MEMS-Resonators, bei dem sich Trennfugen aus SiO2 und SiGe abwechseln. In kalter Umgebung werden die SiO2-Schichten hart, die SiGe-Schichten weich, so dass es zu (fast) keiner Verspannung kommt. Steigen die Temperaturen, verhalten sich die beiden Schichten umbekehrt. Bei der Alterung garantiert Silicon Labs für mindestens 10 Jahre eine maximale Frequenzdrift von +/-20 ppm. Diese lange Zeitdauer sei »sehr aggressiv«, aber in der Halbleiter-Industrie mittlerweile Standard. Was die Frequenzstabilitäten anbelangt, besteht die Wahl zwischen Bausteinen mit +/-20, +/-30 und +/-50 ppm.

Die Schock- und Vibrationsfestigkeit ist im Vergleich mit Quarzschwingern deutlich höher - auch weil hier der Resonator an fünf Ankerpunkten (vier an den Ecken, einer in der Mitte) aufgehängt ist, während es bei Quarzbausteinen nur zwei Ankerpunkte sind. Der wichtige Jitter-Wert für die CMEMS-Bausteine liegt bei 1,1 ps, ist also vom Femtosekundenbereich noch weit entfernt. Sind niedrigere Werte erforderlich, gibt es von Silicon Labs bereits drei Si-basierende Familien (kein CMEMS), deren Jitter die Bereiche von 0,8 bis hin zu 0,3 ps abdeckt: Si51x, Si59x und Si153x weisen auch einen größeren Frequenzbereich von bis zu 1,4 GHz auf, wobei die Bausteine aber deutlich teurer sind und zwischen 1 und 15 Dollar kosten. Dass auch diese höheren Frequzenbereiche und geringeren Jitter-Werte künftig mit CMEMS-Bausteinen realisiert werden, hält Petrowski für »möglich«. Bedingung für höhere Frequenzen ist ein MEMS-Resonator, der über 26 MHz liegt. In puncto Baugröße werde der Resonator mit zunehmender Frequenz sogar kleiner. Nicht auszuschließen sei zudem ein Resonator unterhalb 26 MHz.