Quarze und Oszillatoren Silizium oder Quarz: Was gibt künftig den Takt an?

Werden die MEMS- dem etablierten Quarz-Oszillatoren den Rang ablaufen?

Sprunghaft steigende Lieferzeiten für Quarze und Quarz-Oszillatoren von bis zu 50 Wochen haben die Diskussion darüber, ob Taktgeber auf Siliziumbasis, die Frequenzprodukte aus Quarz mittelfristig ersetzen können, neu entflammt.

So decken MEMS-Oszillatoren, bereits Frequenzen bis 800 MHZ bei 10 ppm ab und sind robuster und leichter zu miniaturisieren als Quarz-Taktgeber. Sie stoßen aber noch an ihre Grenzen, wenn  höchste Genauigkeit gefordert ist.

Dass Silizium basierte Frequenzprodukte wie MEMS-Oszillatoren zumindest in einigen Bereichen die Quarz-Taktgeber mittelfristig den Rang ablaufen werden, davon ist Rolf Aschhoff, Director Marketing & Sales Frequency Devision beim Distributor MSC überzeugt und hat mit SiTime, einem der beiden Hauptanbieter für Frequenzprodukte auf Siliziumbasis, jüngst ein europaweites Franchiseabkommen geschlossen. SiTime kann mit seinen Silizium-Taktgebern laut Aschhoff sämtliche Quarz-Oszillatoren außer hochgenaue TCXOs und VCXOs ersetzen. Und wenn es nach der Roadmap von SiTime geht, sollen in Zukunft nicht nur Oszillator-Schaltungen durch reine Silizium-Produkte ersetzbar sein, sondern auch der einfache Quarz ein Silizium-Pendant bekommen.Nach Meinung von Aschhoff punkten die Silizium-Produkte vor allem durch ihre Robustheit gegenüber den klassischen Taktgebern aus Quarz, was sie auch für den Automotive-Sektor interessant macht.

Zwar attestiert auch Christian Dunger, Produktmarketing Frequency Control Products bei WDI den Silizium-Taktgebern interessantes Entwicklungspotenzial, als Ersatz für die Quarz-Taktgeber sieht Dunger die Silizium-Frequenprodukte aber noch lange nicht. WDI ist ein Spezialdistributor für Frequenzprodukte und hat MEMS-Oszillatoren von Discera im Programm, neben SiTime der zweite maßgebliche Anbieter von Silizium-Taktgebern am Markt. »Der Marktanteil für MEMS-Frequenzprodukte bewegt sich bisher im niedrigen einstelligen Prozent-Bereich. Für viele ist das Thema »MEMS« immer noch eine technische Grauzone, auch wenn die  Anbieter sich bemühen, diese Technologie im besten Licht erscheinen zu lassen«, gibt Dunger zu bedenken.

Dass die Branche den Frequenzgebern aus Silizium gerade jetzt verstärkt Aufmerksamkeit schenkt, liegt vor allem an den verglichen mit Quarz-Produkte  kürzeren Lieferzeiten, weil sie weitgehend vorgefertigt werden können und  nur noch die Frequenz kundenspezifisch programmiert werden muss. MEMS-Oszillatoren arbeiten  anstelle eines Quarzes mit einem Resonator aus Polysilizium, dessen Herstellung unmittelbar in die Halbleiter-Fertigungsstrecke integriert ist. Das mache den Prozesse wesentlich einfacher und die Lieferzeiten wesentlich kalkulierbarer, so Aschhoff: »Einen Silizium-Oszillator können wir  innerhalb von zwei Wochen ausliefern, während wir bei Quarzprodukten mit immensen Lieferzeitsprüngen zu kämpfen haben.« Verantwortlich für die langen Lieferzeiten ist neben den im letzten Jahr teils deutlich reduzierten Produktionskapazitäten auch die Verknappung bei den Keramikgehäusen, nachdem sich dieser Markt mittlerweile nur noch auf die zwei Keramik-Hersteller Kyocera und Sumitomo verteilt. Der ursprünglich dritte Anbieter, NTK Technology, produziert seine Gehäuse – wohl aus Wettbewerbsgründen - nur noch für die hauseigenen Bauteile. Damit ist in ein Flaschenhals entstanden, der sich nicht kurzfristig auflösen dürfte.

Hohe Genauigkeit ist noch ein K.O.-Kriterium für Silizium-Produkte 

Wann macht Silizium als Quarz-Ersatz also Sinn und wann nicht? »MEMS-Taktgeber kommen in Märkten, in denen es sehr stark auf Genauigkeit ankommt und Kommunikationsprotokolle einzuhalten nicht Frage, weil sie die technischen Anforderungen dafür nicht erfüllen«, betont Stephan Hartmann, Department Manager der Quarz Division, Epson Toyocom. Und auch der vermeintliche Pluspunkt, dass sich Silizium-Oszillatoren vorfertigen lassen, muss man nach Ansicht von Hartmann differenziert betrachten: Vorgefertigte Oszillatoren verfügen nicht über eine Festfrequenz, sondern müssen programmiert werden, was auf Kosten der Stabilität geht.«

Wenn es also um den Bereich der Telekommunikation und der Datenübertragung geht, wo es unter anderem auf niedrigstes Phasenrauschen und beste Jitter-Leistung ankommt, sind Taktgeber auf Silizium-Basis nach wie vor noch keine Alternative. Im Wettbewerb mit den einfachen Quarz-Oszillatoren hingegen können die MEMS-Oszillatoren mit ihren Vorteile, dass sie kostengünstiger und leichter zu miniaturisieren sind als ein Quarz-Produkt, bereits punkten, wie auch  Christian Dunger bestätigt: »Sprechen wir beispielsweise über den typischen 50 ppm Oszillator bei dem es lediglich um ein kostengünstiges Controller-Clocksignal in gängigen Frequenzen für Anwendungen im Bereich der Consumer- und Industrieelektronik ankommt und bei dem die Kurzzeitstabilität der Frequenz, das Phasenrauschen und der Jitter sowie die spektrale Reinheit des Ausgangssignal keine große Bedeutung zukommt, werden MEMS-Oszillatoren mit Sicherheit eine zunehmend größere Rolle spielen.«

Epson Toyocom kombiniert beide Welten

Einen Mittelweg zwischen MEMS und klassischer Quarz-Technik geht Epson Toyocom mit der QMEMS-Technologie, also MEMS, die einen Quarz als Taktgeber integriert haben. Dabei verwendet Epson anstelle der mechanischen Oberflächenbearbeitung einen photolitografischen Prozess, um den Quarz und die Elektroden zu strukturieren und kombiniert damit die Vorteile der Quarz- und der MEMS-Welt. »Wir können durch dieses Verfahren die Eigenschaften des Quarzes besser kontrollieren, verschiedene Quarz-Typen verkleinern und gleichzeitig die Temperaturstabilität des Quarzes erhalten«, erklärt Hartmann. (zü) n