Bild 1: MEMS-Bausteine kommen heute bereits in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen zum Einsatz.

Bild 1: MEMS-Bausteine kommen heute bereits in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen zum Einsatz.Micrel

MEMS-Oszillatoren sind heute schon in den meisten elektronischen Geräten zu finden (Bild 1) und ersetzen zunehmend die traditionellen Quarzkristalle. Micrel erwartet, dass sich diese Marktdurchdringung künftig noch beschleunigt. Takt- und Timing-Geräte auf MEMS-Basis helfen Entwicklern dabei, die Nachteile von Quarzgeräten zu vermeiden, etwa Fertigungskosten, Entwicklungszeiten, mangelnde Stabilität in einem großen Temperaturspektrum, geringe Skalierbarkeit oder Empfindlichkeit gegenüber Stößen und Erschütterungen. Grundsätzlich sind MEMS-Timinglösungen beim Betrieb unter hohen Temperaturen zuverlässiger als ihre Gegenstücke auf Quarzkristallbasis und sie lassen sich in geringerer Größe und hoher Stückzahl fertigen.

Auf einen Blick

Wer sehr exakte und Jitter-arme Taktquellen benötigt, musste bisher auf Quarze-Oszillatoren setzen. Micrel sieht sich inzwischen in der Lage, die geforderten Eigenschaften auch mit MEMS-Produkten zu erfüllen. Die entsprechenden Bausteine sind dabei robuster als traditionelle Technologien.

Micrel hat sein Angebot in Hinblick auf das schnell wachsende MEMS-Fertigungsgeschäft um die hoch moderne SPTS Pegasus DRIE-Maschine erweitert. Sie bietet die höchsten momentan verfügbaren Tiefenätzgeschwindigkeiten für Silizium sowie eine sehr gute Seitenwandglätte und Einheitlichkeit der Wafers. Die Pegasus ist aufgrund der hohen Achsenverhältnisse und der hohen Anforderungen an die Hohlraumgröße der heutigen MEMS-Produkte das Werkzeug erster Wahl. MEMS-Kunden haben auch die Möglichkeit, MEMS-Strukturen monolithisch in CMOS zu integrieren und sie erhalten auf Gehäuse-Ebene Zugriff auf alle IC-Produkte von Micrel. Fabless-Kunden können bei Micrel die Produktion eines gesamten MEMS-Sensorsystems in einem einzelnen Werk beauftragen.

Wachstum durch Akquisition

Vor über einem Jahr kaufte Micrel das Unternehmen Discera auf, einen führenden Anbieter von Silizium-Taktlösungen und Erfinder des ersten MEMS-Resonators. Diese Übernahme vervollständigte das Produktangebot von Micrel an Hochleistungs-Takt- und -Timing-Produkten und weitete seine MEMS-Fähigkeiten aus. Die Kombination der Technologien und Produkte beider Unternehmen bietet strategische Synergieeffekte und eröffnet breitere Märkte und eine weltweite Kundenbasis. Mit diesem Neuzugang sowie der Akquisition von Phase-Link und den eigenen „Flex and Fusion“-Produkten möchte Micrel als umfassende Anlaufstelle für sämtliche Hochleistungs-Takt- und -Timinglösungen dienen.

Micrel entwickelt bereits seit 15 Jahren MEMS-Geräte für Werkskunden, mit der neuen Discera-MEMS-Produktlinie werden Micrels Marktpräsenz und die Fähigkeiten im MEMS-Bereich jedoch stark erweitert. Darüber hinaus verleiht das technische Team von Discera Micrel ein solides technisches Wissen und das zugehörige geistige Eigentum, um nicht nur Timing-Geräte auf MEMS-Basis, sondern auch andere Arten von MEMS-Geräten herzustellen.

Drei Familien

Die Takt- und Timinglösungen von Micrel schließen drei Produktlinien ein: die Takt- und Datenübermittlungs-Produktfamilien Flex, Fusion und Precision Edge. Flex und Fusion umfassen Oszillatoren und Taktgeneratoren mit extrem geringem Jitter (unter 200 fs), die für Hochgeschwindigkeitskommunikation, LTE sowie drahtlose und drahtgebundene Kommunikationsanwendungen entwickelt wurden. Die Precision-Edge-Familie umfasst Takt- und Datenübermittlungslösungen mit innovativen Funktionen wie interner Terminierung, Übersprechrauschisolierung und dem geringsten Jitter für eine optimale Signalintegrität.

MEMS-Geräte sind in den letzten Jahren zu einem zentralen Baustein von Elektroniksystemen geworden. Eine Suite von MEMS-Geräten wird heute in allen Arten von Mobilgeräten eingesetzt und ermöglicht Anwendungen wie Bildschirmdrehung, Gestenerkennung, Spiele, Schrittzähler und persönliche Navigation. Hinsichtlich der fortschreitenden Konzentration des Mobilmarkts auf MEMS-Integration ist die Verbesserung von Produkten durch die ständige Entwicklung von MEMS-Gyroskopen, -Mikrofonen, -Beschleunigungs- und -Magnetsensoren ein gutes Beispiel für die Verbreitung der MEMS-Technologien.

Bild 2: MEMS-Resonatoren sind mikroskopisch kleine, mechanisch bewegliche Strukturen auf einem Silizium-Wafer.

Bild 2: MEMS-Resonatoren sind mikroskopisch kleine, mechanisch bewegliche Strukturen auf einem Silizium-Wafer.Micrel

MEMS-Resonatoren

MEMS-Timing-Geräte erreichen ihre hohe Zuverlässigkeit, weil traditionelle mechanische Schritte entfallen: statt Kristalle auf die gewünschte Frequenz passend zu beschneiden wird bei MEMS eine mikroskopisch kleine Struktur als Resonator (Bild 2) in den Silizium-Wafer eingeätzt. Dabei kommen die gleichen Verfahren zur Anwendung, mit denen Siliziumchips geätzt und massenproduziert werden – es handelt sich also um ausgereifte, zuverlässige und wiederholbare Verfahren.

Tabelle 1: Die Vorteile von MEMS-Oszillatoren gegenüber Schwingquarzen.

Tabelle 1: Die Vorteile von MEMS-Oszillatoren gegenüber Schwingquarzen.Micrel

Für viele Anwendungen wie Enterprise-Speicher und Netzwerke sind höchste Genauigkeit bei der Jitter-Spezifikation im MEMS und dem Steuerungs-ASIC erforderlich. Mit seiner führenden Technologieposition konnte Micrel den durch den PLL (Phase-Locked Loop) und die Pufferschaltung erzeugten Jitter verringern und so mit bestehenden Kristalllösungen konkurrieren (Tabelle 1). In diesen Anwendungen muss der Resonator so strukturiert sein, dass er höhere Frequenzen, geringeren Jitter und einen höheren Q-Faktor erzeugt. Für den ASIC ist ein differenzieller Eingang erforderlich.

Fusion: Oszillatoren mit geringem Jitter

Micrel führte kürzlich die Fusion-XOs (Quarzoszillatoren) MX55/57 ein, die eine branchenführende Phasen-Jitterleistung von 170 fsRMS (12 kHz bis 20 MHz) in einem Standardgehäuse von 5 × 7 mm2 oder 3,2 × 5 mm2 aufweisen. Diese XOs sind auf ein breites Spektrum von Frequenzen bis 840 MHz ausgerichtet und unterstützen Standardfrequenzen für Anwendungen einschließlich 10/40/100-GBit-Ethernet, optische Kommunikation, SAS und XAUI.

Bild 3: Die MX55/57-Familie ist darauf ausgelegt, maximale Leistung für Netzwerk-, Speicher-, Server- und Telekommunikationsgeräte zu bieten.

Bild 3: Die MX55/57-Familie ist darauf ausgelegt, maximale Leistung für Netzwerk-, Speicher-, Server- und Telekommunikationsgeräte zu bieten.Micrel

Die MX55/57-Familie ist darauf ausgelegt, maximale Leistung für Netzwerk-, Speicher-, Server- und Telekommunikationsgeräte zu bieten. Durch den extrem geringen Jitter werden Designtoleranzen verbessert, die Signal-Rausch-Abstände erhöht und Bitfehlerraten minimiert. Diese Produkte bieten zahlreiche programmierbare Optionen für alle Entwicklungsanforderungen. Die Familie ist sehr unempfindlich gegen Hochspannungsrauschen. In den Chip integrierte Regler verbessern die allgemeine Leistung in Umgebungen mit starken Einstreuungen. Die Geräte unterstützen eine Versorgung mit 3,3 V oder 2,5 V und die Ausgabe-Logikformate LVPECL, LVDS, CMOS und HCSL. Sie erreichen eine Gesamtstabilität von +50 ppm einschließlich Alterungs- und Temperaturdrift mit einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C.

Durch den Einsatz einer bewährten Kunststoffguss-Baugruppe wird die langfristige Zuverlässigkeit verbessert und die Alterungsdrift wird im Vergleich zu traditionellen XO-Gehäusen minimiert. Alle Optionen für die MX55-Produktfamilie sind in einem kompakten Paket von 3,2 × 5 mm2 verfügbar, um wertvollen Platinenplatz zu sparen. Dies ist bei Anwendungen mit hoher Kanaldichte ein wesentlicher Vorteil. Die MX57-Lösungsfamilie wird in einem 5 × 7 mm2 großen Gehäuse geliefert.

Zur Fusion-Familie gehört auch das Oszillatorprodukt MX85 mit fünf generierten Ausgängen, das dem Entwickler Integration und Einsparungen an Platinenplatz zur Verfügung stellt.

Quarzloser Taktgenerator

Der DSC400 von Micrel ist ein Crystal-Less-Taktgenerator mit vier Ausgängen, der nach eigenen Angaben den bislang umfassendsten Integrationsgrad in der Timing-Branche darstellt. Es handelt sich um das erste Micrel-Timing-Produkt auf Basis der bewährten Pure-Silicon-MEMS-Technologie von Micrel, das ausgezeichneten Jitter und außerordentlich hohe Stabilität aufweist und gleichzeitig zusätzliche Gerätefunktionen integriert hat. Das Gerät ist für unzählige Anwendungen ausgelegt, darunter Kommunikation und Netzwerke, 1-GBit-Ethernet, 10GBASE-T/KR/LR/SR und FCoE, SAN, FC, SATA, SAS, FTTH EPON, 10-G-EPON, GPON und 10-G-PON, Video und Überwachung in HD/SD/SDI, Automobile, Medien und Video sowie Embedded-Systeme und Industrieanwendungen.

Bild 4: Der DSC400 ist ein Crystal-Less-Taktgenerator mit mehreren Ausgängen, der für den Betrieb keinen externen Kristall benötigt.

Bild 4: Der DSC400 ist ein Crystal-Less-Taktgenerator mit mehreren Ausgängen, der für den Betrieb keinen externen Kristall benötigt.Micrel

Der DSC400 (Bild 4) ist ein Crystal-Less-Taktgenerator mit mehreren Ausgängen, der für den Betrieb keinen externen Quarzkristall benötigt. Stattdessen baut er auf einem integrierten MEMS-Resonator auf, der mit internen PLLs verbunden wird. Diese Technologie sorgt für eine höhere Leistung und Zuverlässigkeit durch strikte Frequenzstabilität über einen breiten Temperaturbereich. Darüber hinaus ist er hochgradig unempfindlich gegen Stöße und Erschütterungen und weist dadurch eine langsamere Alterung und somit eine höhere Produktlebensdauer im System auf.

Das Gerät bietet einen geringen RMS-Phasen-Jitter von weniger als 1 ps (typisch) sowie eine hohe Stabilität mit Optionen von ±25 ppm und ±50 ppm. Außerdem bietet der DSC400 eine hohe Versorgungsrauschunterdrückung von -50 dBc und generiert vier Ausgänge. Jeder Ausgang lässt sich unabhängig für die Formate LVPECL, LVDS, HCSL oder LVCMOS konfigurieren. Zusätzlich zum breiten Frequenzbereich von 2,3 bis 460 MHz ist das Gerät sehr unempfindlich gegen Stöße und Erschütterungen (qualifiziert nach MIL-STD-88), sehr zuverlässig und eignet sich für ein breites Versorgungsspektrum von 2,24 bis 3,6 V. Die Lösung ist RoHS-konform und für MIL-STD-883 und AEC-Q100 Automotive qualifiziert. Sie bietet einen breiten Temperaturbereich von -20 bis +70 °C für den erweiterten kommerziellen und -40 bis +85 °C für den industriellen Einsatz. Geliefert wird der Baustein in einem 20-QFN-Gehäuse mit 5 × 3,2 mm2.

Schlussbemerkung

Die MEMS-Technologie verlangt umfangreiche Forschung und Entwicklung. Das betrifft die Implementierung und Entwicklung, insbesondere jedoch den Back-End-Prozess und die Fertigung. Die Gesamterfahrung von Micrel in all diesen Anforderungen umfasst Jahrzehnte. Dadurch sieht sich der Hersteller in einer  idealen Position, um sich in diesem Bereich weiter zu etablieren.