Äußerst saubere MEMS-Halbleitergehäuse

Quarzkristalle sind millimetergroße Splitter aus reinem Quarz (Siliziumdioxid), die auf jeder Seite versilbert, durch leitfähiges Epoxid mit Kontakten verbunden und in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse (entweder aus Keramik oder Metall) untergebracht sind, das mit trockenem Stickstoff gefüllt ist. Jeder Resonator wird vor der Montage auf die gewünschte Frequenz geschliffen. MEMS-Resonatoren werden aus reinen Siliziumwafern gefertigt und in einer Foundry unter Verwendung der gleichen lithographischen Verfahren wie Halbleiter-ICs hergestellt. Der Resonator besteht aus einem winzigen Polysilizium-Strahl (30 μm × 50 μm), der an Siliziumträgern über einer Polysilizium-Basis aufgehängt ist (Bild 2). Der Strahl biegt sich, wenn er von elektrostatischen – im Gegensatz zu piezoelektrischen – Kräften zur Basis hingezogen wird (Bild 3).

Bild 3: Biegung eines Resonators bei elektrischer Erregung.

Bild 3: Biegung eines Resonators bei elektrischer Erregung. Microchip

Ungefähr 100.000 Resonatoren lassen sich auf jedem Silizium-Wafer unter Verwendung herkömmlicher Halbleiter-Lithographie und einigen MEMS-spezifischen Ätzschritten für die 3D-Struktur herstellen. Ein „Cap Wafer“ wird ebenfalls mit Vertiefungen hergestellt und geätzt, die jeder der Resonatorstrukturen auf dem Bauteil-Wafer entsprechen. Diese beiden Wafer werden genau ausgerichtet, im Vakuum zusammengepresst und in einem Hochtemperaturofen geglüht. Die Schmelzverbindung zwischen den beiden Wafern ist extrem stark (Bild 4). Die gebondeten Wafer werden dann gesägt, wodurch sich MEMS-ICs ergeben, deren Resonator in einem hermetisch abgedichteten Hohlraum eingeschlossen ist, der durch die Vertiefungen des Cap Wafers gebildet wird (Bild 5).

Der Vakuum- und Wärmeprozess verdrängt jegliche Verunreinigungen, was zu einem äußerst reinen Hohlraum führt, der für die hohe Zuverlässigkeit des MEMS-Resonators verantwortlich ist. Verbindungen zum Resonator im Hohlraum erfolgen über TSVs, die den Hohlraum bewahren. Im Gegensatz dazu ist ein Keramik- oder Metallgehäuse, das einen Quarzkristall und einen ASIC-Oszillatorchip enthält, größer und kann dieses Reinheitsniveau nicht erreichen. Auch das Ausgasen des Epoxids kann eine gewisse Frequenzdrift verursachen.

Stoßfestigkeit

Bild 4: Bonding-Prozess mehrerer Resonatoren auf einem Wafer.

Bild 4: Bonding-Prozess mehrerer Resonatoren auf einem Wafer. Microchip

Jeder MEMS-IC wird auf einen CMOS-Oszillator-Chip gebondet und mittels Standard-Drahtbonden verbunden (Bild 6). Die gesamte Baugruppe wird anschließend im Standard-Spritzgussverfahren in Kunststoff (Bild 7) vergossen, um das Endprodukt bereitzustellen. Im Gegensatz zum Quarz ist keine abschließende hermetische Versiegelung erforderlich.

Da der MEMS-Resonator eine sehr geringe Masse aufweist – um Größenordnungen kleiner als Quarz-Rohlinge – kann der Resonator theoretisch 1 Mio. g standhalten. In der Praxis ist das Gehäuse der einschränkende Faktor, wodurch ein MEMS-Bauelement in der Lage ist, viele 10.000 g zu widerstehen, während Quarzbauelemente nur 50 bis 100 g standhalten.

Stabiler Frequenzausgang und kleine Baugröße

Der MEMS-Resonator weist eine strikte aber vorhersagbare Temperaturkennlinie auf. Ein CMOS-Oszillator enthält einen hochgenauen Temperatursensor, der zusammen mit einer Fractional-N PLL eine automatische Frequenzkorrektur ermöglicht. Der MEMS-Resonator kann über 200 °C arbeiten. Heutige MEMS-Oszillatoren bieten eine sehr stabile Frequenz von mindestens 125 °C (Bild 8). Der Resonatorchip ist nur 400 mm2 groß und immer kleinere CMOS-Technologieknoten sorgen für CMOS-Oszillator-ICs in der Größenordnung von weniger als 1 mm2. Der  DSC6000 misst in seinem Gehäuse nur 1,6 mm × 1,2 mm.

Bild 5: Resonator-Chip mit MEMS-Aufbau in einem hermetischen Hohlraum. Through Silicon Vias (TSVs) führen die Resonatoranschlüsse zur Außenseite des Chips.

Bild 5: Resonator-Chip mit MEMS-Aufbau in einem hermetischen Hohlraum. Through Silicon Vias (TSVs) führen die Resonatoranschlüsse zur Außenseite des Chips. Microchip

MEMS-basierte Timing-ICs für Automotive

Das ADAS-Langstreckenradar ermittelt die Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung (Azimut) und die Höhe verschiedener Autos, Fußgänger und anderer Objekte im komplexen städtischen Straßenverkehr. Einfach ausgedrückt senden Radarsysteme Mikrowellenstrahlen in die Umgebung, und nahegelegene Objekte reflektieren diese Strahlen, was die Objekte „sichtbar“ macht. Bild 9 beschreibt ein ADAS-Langstreckenradar. RF TX und RF RX beziehen sich auf den Funkfrequenzsender und -empfänger mit jeweils einem eigenen Antennensystem. Über die Zeitdifferenz zwischen den gesendeten und empfangenen Signalen und die Doppler-Frequenzverschiebung des letzteren lässt sich die Entfernung als auch die relative Geschwindigkeit des Objekts bestimmen. Diese Messung wird durch die Frequenzmodulation des übertragenen Signals (Chirp) vereinfacht, die über den DSP-Block (digitaler Signalprozessor) erzeugt und durch den Basisbandblock in eine Analogmodulation übertragen wird.

Die empfangenen Reflexionen werden ebenfalls in das Basisband umgewandelt und dann für Entfernungs- und Geschwindigkeitsdaten im DSP digitalisiert. Ein steuerbarer Beam ermöglicht, den Azimut beizubehalten. Der Power Management IC (PMIC) stellt sicher, dass alle Funktionen genau geregelten Gleichstrom von der Autobatterie erhalten. Die Gesamtsteuerung des Systems erfolgt über den Mikrocontroller (MCU). Daten vom System und möglicherweise von Fahrzeugaktionen werden über den CAN-Bus (Controller Area Network) an die Motor- und Fahrzeugsteuerung übertragen. Dies wird dann dem Fahrer und den Systemen im Fahrzeug mitgeteilt. Ein MEMS-basierter Takt-IC, wie der DSC2311, stellt der MCU und dem DSP zwei getrennte CMOS-Ausgänge bei 20 MHz bereit. Es ist stoßfest und zuverlässig, bietet eine sehr stabile Frequenz zwischen -40 und +125 °C und spart Platz, indem er zwei separate gepufferte Ausgänge als 2,5 mm × 2,0 mm Single-Chip bereitstellt.

Auf der nächsten Seite ist unter anderem In-Vehicle Infotainment Thema.

Seite 2 von 3123