Quarze – dank moderner Prozesse so klein und leistungsfähig wie nie

Takterzeugung Quarze – dank moderner Prozesse so klein und leistungsfähig wie nie

06.03.2013Autor / Redakteur: Nick Amey, Paul Smith * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die Quarzfertigung wurde von Anfang an immer weiter verbessert – und das geschieht auch heute noch, damit die Quarze den hohen Anforderungen modernen Elektronikdesigns gerecht werden.

Anbieter zum Thema

Jauch Quartz GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IQD Frequency Products Ltd

Pinnacle Marketing Communications Ltd

Schwingquarzproduktion: ständige Verbesserungen der Fertigungsprozesse ermöglichen immer kleinere und leistungsfähigere Quarze
(Bild: IQD)

Schwingquarze Die Möglichkeiten zur Nutzung von Schwingquarzen in Frequenzprodukten wurden seit Beginn der Massenfertigung vor etwa 50 Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Verbesserte Verarbeitungsprozesse für Quarze sowie Methoden zur Verkleinerung von Blanks ermöglichen immer kleinere und technisch hochwertigere elektronische Schaltungen mit Schwingquarzen. Das Grundprinzip, den piezoelektrischen Effekt von Quarz zusammen mit Verstärker und Rückkopplungsschleife für quarzgesteuerte Oszillatoren zu nutzen, blieb jedoch dieselbe.

Hohe Ansprüche an den Rohquarz

Bild 1: Moderner synthetischer Quarz wird heute künstlich in Druckbehältern gezüchtet, so genannten Autoklaven
(Bild: IQD)

In der Quarzproduktion verarbeiteter Rohquarz muss von ausgezeichneter Qualität und hoher Reinheit sein. Früher wurde das verwendete Quarzmaterial im Bergbau gewonnen. Kleine Mengen davon waren qualitativ hochwertig genug, um in der Quarzindustrie Verwendung zu finden. Der Bedarf nach großen Mengen und hoher Qualität bei niedrigen Kosten trieb die Entwicklung in der Produktion von synthetischem Quarz voran.

Kristalle werden in Druckbehältern gezüchtet

Moderner synthetischer Quarz wird heutzutage künstlich in Druckbehältern gezüchtet (Bild 1). In diesen Autoklaven züchtet man unter hohem Druck und bei sehr hoher Temperatur Quarz aus Kristallisationskeimen, auch Impfkristalle genannt. Dabei kann die Reinheit des hergestellten Quarzes kontrolliert werden. Das so erzeugte Quarzmaterial eignet sich für moderne Anwendungen.

Der Schnittwinkel beeinflusst die Temperaturstabilität

Nach seiner Fertigstellung wird der synthetische Quarzbarren in dünne Wafer geschnitten. Der Schnittwinkel beeinflusst dabei die Temperaturstabilität. Deshalb ist ein präziser Schnitt des Quarzes äußerst wichtig. Mit Röntgengeräten wird sichergestellt, dass der Schnitt den kristallografischen Achsen entspricht. 90% aller Quarze werden mit dem AT-Schnitt hergestellt. Dabei wird der Quarz in einem Winkel von (35 Grad und 15 Winkelminuten (35° 15‘) zu der Z-Achse des ursprünglichen Barrens geschnitten (Bild 2).

Spezialsägen schneiden die Rohquarz-Barren

Bild 2: 90% aller Quarze werden heute im AT-Schnitt geschnitten, d.h. in einem Winkel von 35 Grad und 15 Winkelminuten zur Z-Achse des ursprünglichen Barrens
(Bild: IQD)

Zum Schneiden der Rohquarz-Barren werden spezielle Mehrblattsägen verwendet. Diese Sägen können mit laserbasierenden Messgeräten und auch Befestigungs- und Klebevorrichtungen ausgerüstet sein Damit lassen sich Quarzbarren mit aneinander ausgerichteten Kristallwinkeln zusammenkleben. Die Barren werden dann mit der Säge in Scheiben mit Abweichungen von nur etwa 10“ (10 Winkelsekunden = ein 360stel Grad!) zerschnitten.

Die Frequanzstabilität hängt vom Schnittwinkel ab

AT-Schnitt-Quarze weisen eine Temperaturkurve in Form einer kubischen Parabel auf. Der Verlauf der Kurve und die Frequenzstabilität des Endprodukts hängen von Abweichungen des Schnittwinkels ab (Bild 3). Für moderne elektronische Anwendungen sind hochstabile Quarze erforderlich, die in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden können. Die Kurven der Schnittwinkel von AT-Schitt-Quarzen in Bild 3 sind physikalisch bedingt. Um Frequenzvariationen über weite Temperaturbereiche hinweg zu kompensieren, können beispielsweise Kompensationsschaltungen wie in TCXOs genutzt werden.

Winkelsortierer selektieren die Quarze

Bild 3: AT-Schnitt-Quarze weisen eine Temperaturkurve in Form einer kubischen Parabel auf, wobeio der Verlauf der Kurve und die Frequenzstabilität des Endprodukts von Abweichungen des Schnittwinkels abhängen
(Bild: IQD)

Wie bei jedem Produktionsprozess muss auch hier das Endprodukt, der hergestellte Quarz, kontrolliert werden. Um Quarze zu gewinnen, die hohen Anforderungen bezüglich Winkelgenauigkeit gerecht werden, müssen größere Mengen produziert werden, die dann von einem Winkelsortierer in Gruppen selektiert werden (Bild 4). Die nicht diesen genauen Winkelanforderungen entsprechenden Quarze werden für andere Anwendungen mit breiter gefassten Spezifikationen genutzt.

Je höher die Frequenz, desto dünner der Quarz

Bild 4: Um Quarze zu gewinnen, die hohen Anforderungen bezüglich Winkelgenauigkeit gerecht werden, müssen größere Mengen produziert werden, die dann von einem solchen Winkelsortierer in Gruppen selektiert werden
(Bild: IQD)

Nach Fertigstellung des Quarzblanks muss die Frequenz eingestellt werden, auf der der Quarz schwingen wird. Die Frequenz verhält sich umgekehrt proportional zur Dicke des Quarzes. Bei AT-Schnitt-Blanks beträgt die Schwingfrequenz etwa 1680 geteilt durch die Blankdicke in Millimeter. So muss z.B. ein 10-MHz-Quarz geschliffen, geläppt, poliert und geätzt werden, bis er etwa 0,168 mm dick ist. Bei jedem Verarbeitungsschritt können Absplitterungen, Risse, Kratzer oder Parallelitätsverlust auftreten. Jedes dieser Probleme kann zu plötzlichen Frequenzänderungen führen, welches Störungen beim Endprodukt verursachen kann.

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