MSC / Arrow: MEMS-basierende Oszillatoren erleben eine rasant steigende Nachfrage »Alles spricht für die MEMS-Technologie«

Heribert Thammer, MSC: »MEMS-basierende Oszillatoren sind inzwischen in nahezu allen Applikationen problemlos in der Lage, konventionelle Quarzoszillatoren zu ersetzen.«
Heribert Thammer, MSC: »MEMS-basierende Oszillatoren sind inzwischen in nahezu allen Applikationen problemlos in der Lage, konventionelle Quarzoszillatoren zu ersetzen.«

Einzelne applikationsbezogene Ausnahmen »wird es vermutlich immer geben, aber in der Summe aller Faktoren spricht inzwischen alles für die MEMS-Technologie«, prognostiziert Heribert Thammer, Key Account Sales Manager beim Distributor MSC. Sobald 2012 mit ofenkompensierten MEMS-Produkten (OCXOs) die letzte Lücke geschlossen werde, »dürften bei den Herstellern der derzeit noch dominierenden Quarzoszillatoren alle Alarmglocken läuten«. Schon jetzt erlebe man eine »rasant steigende Nachfrage« nach MEMS-Produkten.

An die fünf Jahre dümpelte die Nachfrage für SiTimes’ MEMS-Oszillatoren vor sich hin, doch dank der enormen technischen Fortschritte der letzten Jahre in puncto Robustheit, Flexibilität und auch Phasenrauschen seien MEMS-basierende Oszillatoren »inzwischen in nahezu allen Applikationen problemlos in der Lage, konventionelle Quarzoszillatoren zu ersetzen«, betont Thammer. Die mit SiTimes’ Encore-MEMS-Timing-Plattform realisierten OCXOs, TCXOs und VCXOs zeichneten sich durch eine sehr gute Frequenzstabilität von +/- 0,5 ppm und 650 Femtosekunden Phasenrauschen über einen Bereich von 12 kHz bis 20 MHz aus. MEMS-VCXOs mit bis zu +/-1600 ppm etwa würden zudem einen deutlich weiteren Ziehbereich als vergleichbare quarzbasierende VCXOs aufweisen. Nachteilig sei, dass systembedingt eine fraktale PLL immer auch ein gewisses Phasenrauschen zur Folge haben werde. Aber: »Es gibt inzwischen auch MEMS-Oszillatoren, die ganz ohne PLL auskommen.« Und mit diesen Komponenten ließen sich dann auch extrem niedrige Rauschwerte erzielen, wie sie in der mobilen Navigation oder im LTE-Funk gefordert werden.

Zu den technischen Fortschritten geselle sich der ökonomische Vorteil, zeige doch die tägliche Praxis, dass es in puncto Flexibilität, Lieferzeit und Preis zu MEMS-basierenden Oszillatoren und Taktgebern »keine ernstzunehmende Alternative gibt«. Kundenspezifische Muster sind meist innerhalb weniger Tage, Serienstückzahlen innerhalb vier bis fünf Wochen verfügbar, und das bei Preisen, die derzeit in vielen Fällen »20 bis 25 Prozent unter denen vergleichbarer quarzbasierender Produkte liegen«. Dass sich diese Vorzüge inzwischen auch unter den Anwendern herumgesprochen haben, merke man bei MSC an der seit Monaten »rasant steigenden Nachfrage«. Nicht nur bei Neu-Designs, auch bei Ersatz- oder Second-Source-Lösungen entschieden sich derzeit »mehr als 80 Prozent der Kunden« für die MEMS-Produkte.

Mit der Verfügbarkeit MEMS-basiertender OCXOs, dessen Produktionsstart SiTime für die erste Jahreshälfte 2012 plant, »wird eine der letzten noch bestehenden Lücken geschlossen«, sagt der MSC-Manager. Ab diesem Zeitpunkt könne der Kunden theoretisch alle Quarzoszillatoren durch MEMS-basierende Produkte ablösen: »Das gilt auch und sogar insbesondere für den Automotive-Bereich, denn gerade in rauen Umgebungen kommen die Vorteile der robusten MEMS-Technologie besonders stark zum Tragen.«
Trotz aller dieser Vorzüge der MEMS-Technologie werde man als einer der führenden Baueelemente-Distributoren aber weiterhin alle Typen von Taktgebern im Portfolio haben, »um auf die individuellen Bedürfnisse unserer Kunden optimal reagieren zu können«. MSC lege großen Wert darauf, dem Kunden für jeden Anwendungsfall möglichst mehrere qualitative und preisliche Alternativen offerieren zu können. Deshalb führe man neben den hochwertigen, im oberen Preissegment angesiedelten Quarzresonatoren, Quarzoszillatoren, SAW-Filtern, MQFs und Keramischen Dünnfilmfiltern von Vectron auch noch Quarzresonatoren, Quarzoszillatoren und SAW-Filter von TST sowie Quarzoszillatoren von KDS im Programm. Komplettiert werde das derzeitige Angebot durch die MEMS-Oszillatoren und Taktgeneratoren von SiTime sowie die Tuning Forks und Echtzeituhren von Micro Crystal.

Letztlich würde aber Quarzoszillatoren wohl ein ähnliches Schicksal ereilen wie der inzwischen fast vollends durch die SD-Karte verdrängte analoge Film. Langfristig gebe es eine Zukunft für Quarzoszillatoren »nur noch in einigen Nischen« wie etwa High-End-Test-, Measurement- oder Satelliten-Applikationen. Thammers mittelfristige Prognose: »Ich gehe davon aus, dass der Marktanteil von MEMS-basierenden Oszillatoren schon in fünf Jahren bei mindestens 50 Prozent liegen wird.«

Broadline-Distributor Arrow investiert momentan laut Holger Franke, Director Passive bei Arrow EMEA, »hauptsächlich in MEMS- und Taktgeber-ICs«. MEMS-Oszillatoren seien attraktiv für den Einsatz in mittleren Preissegmenten, »zudem werden sie sicher in vertikalen Märkten wie Automotive und Medical künftig eine größere Rolle spielen«. Für MEMS-Produkte sprächen Aspekte wie die hohe mechanische Stabilität, die Zuverlässigkeit über einen weiten Temperatur- und Frequenzbereich und die »geringe« Ausfallrate. Ein weiteres Plus seien die kundenspezifisch programmierbaren Clock-Generatoren sowie die in der Regel relativ kurze Lieferzeit. Als Nachteil führt Franke im Gegensatz zu Thammer den »bekanntlich höheren Preis« an.

Quarzoszillatoren hingegen »sind preiswerter«, aber dafür nicht in weiten Bereichen anpassbar, weil sie für definierte Frequenzen gefertigt werden, was sich negativ auf die Lieferzeiten auswirkt. Zu den Vorzügen der Quarzoszillatoren zählen die hohe Frequenzstabilität und der große Versorgungsspannungsbereich. Für sie spreche überdies, dass sie »etabliert, kostengünstig und für viele Anwendungen optimiert sind, zudem sind Spezialqualifikationen vorhanden«. Von Nachteil seien zudem etwa die Größe, das Temperaturverhalten, die häufig notwendige externe Beschaltung und eine feste Frequenz. Für Taktgeber-ICs sprächen mehrere Frequenzausgänge, Programmier- und Synchronisierbarkeit, ihr Jitter-Verhalten, unterschiedliche Spannungen, PLL-Integration und ihre Kommunikations-Fähigkeit über den I2C-Bus aus. Dafür machte ihre Integration meist nur bei Hig-End-Anwendungen und mit mehreren Taktquellen Sinn. Prinzipiell habe Arrow alle drei Typen im Portfolio, weil man nur so die passende Lösung für die Zielanwendung auswählen könne.

Wegen der Frage der Langzeitverfügbarkeit »und teils fehlender Zertifizierungen sind wir im Automotive-Bereich mit MEMS-Oszillatoren noch zurückhaltend«, erläutert Franke, die Quasi-Single-Source-Problematik ließe sich mit einer Quasi-Quarz-Rückfallebene aber umgehen. Um diesen Umstieg zu erleichtern und die Hürde eines Re-Designs mit einer Entweder/Oder-Entscheidung zu eliminieren, bieten die Hersteller Pin-kompatible Ausführungen an. In der Phase des Board-Designs muss somit keine Entscheidung getroffen werden, die Entwicklung hat weiterhin alle Freiheitsgrade.

In Applikationen, die besonders hohe Anforderungen an die Genauigkeit stellen wie etwa USB, aber bisweilen auch Automotive, kommen zwingend Quarze zum Einsatz. Murata hat dafür den Hybrid Crystal Resonator (HCR) entwickelt, ein Quarzelement in einem den keramischen Resonatoren ähnlichen Gehäuse. Der Vorteil dabei gegenüber Standard-Quarzen sei, »dass sie bei sehr kleiner Baugröße billiger sind und zudem eine höhere Zuverlässigkeit haben«. Den HCR gibt es bereits für Consumer-Anwendungen, für Automotive-Anwendungen befindet er sich noch in der Entwicklung. Gleichwohl habe der keramische Resonator nach wie vor eine Daseinsberechtigung, vor allem wenn eine kurze Anschwingzeit benötigt wird (Wake-up-Funktionen) oder wenn höhere mechanische Belastungen (Automobil) auftreten.