Quarze und Oszillatoren Piezo-MEMS-Schwinger

Eine neue Klasse piezoelektrischer MEMS-Oszillatoren für hochfrequente Timing-Referenzanwendungen mit niedrigem Phasenrauschen von unter 1 ps steht nun zur Verfügung. Die hohe Leistungsfähigkeit wie auch die kompakte Bauweise und Frequenzstabilität sollen diese Halbleiterchips in Zukunft zu einer kostengünstigen und zuverlässigen Alternative zu Quarzoszillatoren machen.

Über die letzten Jahrzehnte sind in fast allen elektronischen Systemen Quarzresonatoren (XTALs) und -oszillatoren (XOs) zur Frequenzerzeugung verbaut worden. Sie sind störfest und bieten eine hohe elektrische Leistungsfähigkeit wie geringes Phasenrauschen und Frequenzstabilität. Um aber Leistungs-beschränkungen und Zuverlässigkeitsprobleme von Quarzoszillatoren zu überwinden, versuchen andere Technologien wie MEMS- und CMOS-Oszillatoren seit Jahren, diese Bausteine zu ersetzen.

Diese neuen Technologien bieten eine höhere Widerstandsfestigkeit gegen Stöße und Vibrationen, einen kleineren Formfaktor und die Möglichkeit der monolithischen Integration. Allerdings muss sich im Vergleich zu den Quarzpendants deren Leistungsfähigkeit noch verbessern - vor allem in hochfrequenten Referenzanwendungen. Im Folgenden sollen der Aufbau und die Leistungsmerkmale der »pMEMS«-Oszillatoren des Herstellers IDT näher beschrieben werden.

Wie der Name schon sagt, besteht ein pMEMS-Resonator aus einem piezoelektrischen Material (AlN) mit einem Silizium-Einkristall (SCS, Single Crystal Silicon). Damit lassen sich die Vorteile des piezoelek-trischen Quarzresonators mit den Vorteilen des Silizium-MEMS-Chips kombinieren. Im Gegensatz zu reinen, kapazitiv arbeitenden Siliziumresonatoren benötigt ein pMEMS-Baustein keine DC-Bias-Spannung für seinen Betrieb.

Auch bieten die Bauelemente eine hohe Bewegungsimpedanz, lineare Belastbarkeit und Langzeit-Frequenzstabilität. Sie profitieren zudem von der starken elektromechanischen Kopplung des piezoelektrischen Materials sowie der Stabilität und geringen Dämpfung des SCS. pMEMS-Resonatoren zeichnen sich durch einen sehr geringen Bewegungswiderstand und eine hohe Qualität aus.

Bild 1 stellt einen pMEMS-Resonator mit der piezoelektrischen Schicht und den Elektroden auf der Oberseite der Substratschicht aus Silizium schematisch dar. Ein elektrischer Stimulus wird an einer der oben angeordneten Elektroden angelegt, um die piezoelektrische Schicht anzuregen. Dabei wird der transversale piezoelektrische Koeffizient e31 genutzt, um eine akustische Volumenwelle im gesamten Baustein zu erzeugen.

Der Resonator schwingt dann seitlich, und die mechanische Bewegung wird über die piezoelektrische Schicht übertragen, um von der anderen oberseitigen Elektrode erfasst zu werden.

Die Resonanzfrequenz f0 im Grundmodus wird bestimmt durch die Seitenlänge L, der effektiven Elastizitätskonstante des zusammengesetzten Resonanzkörpers Eeff und der wirksamen Dichte ρeff (Gleichung [1]).
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Da sich die akustische Volumenwelle im Resonanzkörper in unterschiedliche Richtungen ausbreitet, lässt sich die Energie in der gewünschten Längsrichtung maximieren, indem man die Dicke und Breite des Resonators so konstruiert, dass die Verluste aus anderen Richtungen minimiert werden.

Bild 2 zeigt einen 107-MHz-Resonator mit einer gemessenen Güte Q von 7453 und einer Einfügedämpfung (IL, Insertion Loss) von -12,4 dB. pMEMS-Resonatoren werden in einem CMOS-kompatiblen Prozess mit WLP (Wafer Level Packaging) gefertigt.

Das Herstellungsverfahren beginnt mit einem SOI-Wafer (Silicon on Insulator), der mit piezoelektrischen und Elektrodenmaterialien beschichtet wird.

Nach dem Aufbringen der Elektroden wird der Resonanzkörper durch die Strukturierung der piezoelektrischen Schicht und des SCS-Stacks definiert.

Anschließend wird ein Deck-Wafer auf den Bauteil-Wafer gebondet und eine Pad-Metallschicht aufgebracht. Letztere bildet eine hermetische Abdichtung des WLP-Bausteins.

Bild 3 zeigt die dreidimensionale Ansicht des 550 µm x 450 µm x 200 µm großen Resonators mit WLP.

Um einen Größenvergleich zu erhalten, zeigt das Aufmacherbild einige Dice von WLP-pMEMS-Resonatoren auf einem Reiskorn.

Diese pMEMS-Resonatoren werden dann mit einem IC-Die verdrahtet und bilden somit den Oszillator.

Ein geöffnetes Kunststoffgehäuse eines pMEMS-Oszillators ist in Bild 4 dargestellt.



Bekannte Einschränkungen untersucht

Um die Herausforderungen bei höheren Frequenzen für Quarze und MEMS zu überwinden, wurden bekannte Einschränkungen bei Quarzbausteinen wie Activity-Dips, Alterung und Vibrationsempfindlichkeit näher untersucht.

  • Activity-Dips:

Ein bekanntes Problem bei Quarzoszillatoren sind Activity-Dips, die zwischenzeitliche Ausfälle verursachen können. Diese beeinflussen die Frequenz und den Widerstand (bzw. die Güte Q) eines Quarzresonators. Activity-Dips werden meist durch Störmodi (z.B. Biegemodi höherer Ordnung) verursacht und hängen stark von der Anregung des Quarzes und dem Blindwiderstand der Last ab. Bei MEMS-Oszillatoren treten keine Activity-Dips auf, da unerwünschte Modi über der Temperatur oder über Prozessschwankungen unterdrückt werden, die quarzbasierte Oszillatoren sonst beeinträchtigen.

  • Stoß- und Vibrationsempfindlichkeit:

MEMS-Oszillatoren sind widerstandfähiger gegen Stöße und Vibrationen, da sie auf der Halbleitertechnik basieren. Dies gilt nicht für Standard-Quarzbausteine, da sich der Quarzkristall in einem Metall- oder Keramikgehäuse befindet, wodurch dieser bei einer Belastung von 50 g bis 100 g brechen kann. Die Hersteller müssen dann entsprechende Anweisungen hinsichtlich der Lagerung, Verpackung und Lieferung von Quarzoszillatoren erteilen, um eine Beschädigung durch unsachgemäße Handhabung zu vermeiden. pMEMS-Oszillatoren haben bei Tests bewiesen, dass sie mehr als 1500 g Stoß- und 20 g Vibrationseinwirkung überstehen. Auch die kleine Baugröße von pMEMS-Resonatoren steigert die Zuverlässigkeit, denn weniger Masse ermöglicht eine bessere Vibrations-/Stoßempfindlichkeit. Um militärischen Anforderungen in Sachen Stoß-/Vibrationsfestigkeit zu genügen, blieben pMEMS-Bausteine selbst nach Stoßtests mit 70 000 g noch funktionstüchtig.

  • Frequenzstabilität:

pMEMS-Bausteine im Kunststoff-QFN-Gehäuse wurden einer Langzeitalterung ausgesetzt, die normalerweise bei Quarzbausteinen zu einer Frequenzdrift führt. Bei +25 °C zeigen die pMEMS-Bausteine eine Frequenzabweichung von weniger als ±2,5 ppm über einen Zeitraum von 21 Monaten. Bei den Quarzoszillatoren wird generell ein Wert von ±5 ppm erreicht (Bild 5).

Tests bei +125 °C zeigen, dass pMEMS-Bausteine hier eine Frequenzdrift von weniger als ±3 ppm über einen Zeitraum von 4500 Stunden aufweisen; der Wert für Quarzoszillatoren liegt hier bei ±10 ppm (Bild 6).

Anwendungen live erleben

Um die Leistungsfähigkeit dieser pMEMS-Oszillatoren mit Sub-Picosekunden-Jitter (12 kHz bis 20 MHz) in realen Anwendungen zu demonstrieren, wurden drei Szenarien für Netzwerktechnik, FPGA- und Speicheranwendungen entwickelt (Bild 7).

Bilder: 3

Piezo-MEMS-Schwinger

Quarze und Oszillatoren

Alle diese pMEMS-Demos sind auf der electronica am Stand von IDT zu sehen. Zu den weiteren Vorteilen MEMS-basierter Produkte zählen die Kompatibilität zu SMD-Fertigungslinien und kurze Lieferzeiten.

Anbieter und Kunden (Elektronikhersteller) können somit kleinere Bauteillager vorhalten und verringern das Risiko von Lieferengpässen. IDTs MEMS-Oszillatoren unterstützen LVDS- (Low-Voltage Differential Signaling) und LVPECL-Ausgänge (Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic) bei Frequenzen bis 625 MHz, was den hohen Anforderungen der meisten Kommunikations-, Netzwerk- und High-Performance-Computing-Anwendungen entspricht.

Über den Autor:

Harmeet Bhugra ist Managing Director des Geschäftsbereichs MEMS bei IDT.