Quarze – dank moderner Prozesse so klein und leistungsfähig wie nie

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Jauch Quartz GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IQD Frequency Products Ltd

Pinnacle Marketing Communications Ltd

Mit immer höheren Frequenzen werden die Blanks zu dünn

Im Zuge der Nachfrage nach immer höheren Frequenzen wird irgendwann der Punkt erreicht, bei dem die Verarbeitung von Blanks nicht mehr praktikabel ist, weil sie einfach zu dünn sind. Bei der älteren HC49-Bauformen beträgt die höchste Grundfrequenz, mit der die Quarze noch für praktische Anwendung hergestellt werden können, etwa 40 MHz.

Auch höhere Frequenzen sind möglich

Bild 5: Wenn für hohe Frequenzen das Rauschen ein kritischer Faktor ist, kann ein solcher Inverted-Mesa-Quarz genutzt werden
(Bild: IQD)

Es gibt allerdings verschiedene Methoden, auch höhere Frequenzen zu erzeugen. So kann ein Oberton der Grundfrequenz des Quarzes genutzt werden. Wie bei allen Schwingsystemen gibt es harmonische Schwingungen zu ungeraden Vielfachen des Grundtons. Durch Verwendung eines geeigneten Filters bei der Oszillatorschaltung wird die Grundfrequenz unterdrückt und ein Schwingen auf einem Oberton ermöglicht. Je höher die Ordnung des Obertons, umso schwieriger wird das stabile Design einer Oszillatorschaltung. Die Schaltung ist anfälliger, und gemeinsam mit der Komplexität des Filters bedeutet dies höhere Kosten sowohl für Design als auch erforderliche Komponenten. HC49-Quarze von IQD sind z.B. bis zum 9. Oberton und für Frequenzen von bis zu 270 MHz erhältlich.

Multiplikator-Schaltung ermöglicht höhere Frequenzen

Es kann auch eine Multiplikator-Schaltung genutzt werden, um aus einem niederfrequenten Quarz eine Hochfrequenzschaltung herzustellen. Das Problem ist allerdings, dass diese Schaltungen einen höheren Stromverbrauch, eine längere Anschwingdauer und ein schlechteres Rauschverhalten haben.

Quarzoszillatoren für Frequenzen bis 800 MHz

Bei den meisten Standardprodukten werden beide Methoden genutzt, um optimierte Quarzoszillatoren für Frequenzen von bis zu 800 MHz herzustellen. Wenn für hohe Frequenzen das Rauschen ein kritischer Faktor ist, können Inverted-Mesa-Quarze genutzt werden (Bild 5). Diese werden auch als HFF-Quarze (High Frequency Fundamental) bezeichnet. Bei dieser Methode wird die Mitte des Quarzblanks tiefgeätzt, um die für hohe Frequenzen notwendige Blankdicke zu erreichen. Der Außenrand bleibt dicker, um den Quarz mechanisch zu stabilisieren.

Der Ätzprozess bei Inverted-Mesa-Quarzen ist komplex

Zwar muss bei Inverted-Mesa-Quarzen nur ein kleiner Teil der Oberfläche geätzt werden, jedoch ist der Prozess komplex und kann nur einzeln durchgeführt werden. Die Inverted-Mesa-Methode ist eine hervorragende Lösung zur Herstellung von Hochfrequenz-Qualitätsquarzen – solange Kosten kein kritischer Faktor sind. Für die IQXO-660-Serie von IQD wird beispielsweise ein HFF-Quarz genutzt, um die erforderlichen hohen Frequenzen zu erzeugen.

Die Produktionsprozesse werden immer weiter automatisiert

In der Elektronikbranche sind zunehmend kleinere Komponenten gefragt. Dieser Trend hat die Automatisierung des Produktionsprozesses vorangetrieben. Quarzblanks werden kleiner und damit auch dünner. Dadurch sind jetzt Quarze mit höheren Frequenzen im Grundton möglich. IQD bietet z.B. IQXC-26-Quarze in Gehäusen mit den Maßen 1,6 mm x 1,2 mm mit einem Grundton von bis zu 80 MHz an. Nach Fertigstellung des Quarzblanks werden im nächsten Schritt beide Seiten des Quarzes mit einer Metallschicht bedampft. Dadurch entstehen die Elektroden für den externen elektrischen Anschluss. Danach wird der Quarz in einem geeigneten Gehäuse montiert.

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