Qualitätssicherung Wie sich das Temperaturverhalten von Quarzoszillatoren testen lässt

Oszillatoren in digitalen Schaltungen sollen innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs zuverlässig den Takt angeben – und dafür sind entsprechende Tests in der Fertigung unabdingbar.

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SPEA GmbH Systeme f. professionelle Elektronik und Automation

dataTec AG

WDI AG

Digitale Schaltungen benötigen als Taktgeber meist Oszillatoren mit einer mittleren Genauigkeit von beispielsweise ±50 ppm über einen vom Anwender definierten Arbeitstemperaturbereich. Bei diesen Taktoszillatoren handelt es sich meist um Quarzoszillatoren, bei denen der Quarz zusammen mit der zugehörigen, mittels Bonddrähten verbundenen, integrierten Schaltung in einem hermetisch dichten Gehäuse untergebracht ist.

Parameter zur Spezifikation von Oszillatoren

Hauptparameter dieser Komponenten sind die Ausgangsfrequenz, die Frequenzstabilität über Arbeitstemperatur, die Betriebsspannung, das Ausgangssignal (HCMOS, PECL, LVDS) und natürlich die Bauform sowie Gehäusegröße. Als weitere Parameter können die Rise/Fall-Time, der Stromverbrauch, Phasenrauschen oder Jitter sowie die Symmetrie des Ausgangssignals spezifiziert werden.

Dauerhaft zuverlässig dank Qualitätssicherung

Während der Produktion dieser Komponenten werden bei INTERQUIP Electronics Company Limited, deren Produkte von der WDI AG in der D/A/CH-Region vertrieben werden, alle spezifizierten Parameter im Rahmen der fertigungsbegleitenden Qualitätssicherung durch umfangreiche Qualitätssicherungsprogramme geprüft. Um sicherzustellen, dass die gelieferten Oszillatoren dauerhaft zuverlässig sind, geht das Unternehmen jedoch noch weiter als die meisten anderen Hersteller: So wird bei INTERQUIP das Temperaturverhalten aller produzierten Oszillatoren getestet. Auf diese Weise soll gewährleistet werden, dass es in dem spezifizierten Betriebs- bzw. Arbeitstemperaturbereich keinerlei Probleme mit dem im Bauelement integrierten IC-Chip oder mit dem Quarzelement gibt.

System testet fünf Millionen Oszillatoren pro Monat

Um die hohe Anzahl von Oszillatortests zu handhaben – es geht dabei um über 5 Mio. Komponenten pro Monat – wurde ein System zum Testen der Temperatureigenschaften von Oszillatoren (TC-Test) entwickelt, das wahrscheinlich das weltweit produktivste System seiner Art ist. Die neueste Einrichtung ist bereits die dritte Generation eines Systems, das ursprünglich in den späten 1990er Jahren zum Testen von TCXOs entwickelt worden war.

Dieses System war dafür ausgelegt, 2048 TCXOs gleichzeitig zu prüfen. Das neueste System TC-2009 ist in der Lage, 4800 XOs oder TCXOs auf einmal zu testen. Es kann vom Bediener so programmiert werden, dass Oszillatoren mit den Abmessungen von 7 mm x 5 mm, 5 mm x 3,2 mm, 3,2 mm x 2,5 mm und 2,5 mm x 2,0 mm geprüft werden können. Das Blockdiagramm des Systems ist in Bild 1 dargestellt. Die Oszillatoren befinden sich dabei auf Testplatinen auf denen jeweils weitere sechs Tochterplatinen angeordnet sind. Bild 2 zeigt eine Aufnahme acht dieser Testplatinen, die in der Temperaturkammer in Position gebracht wurden. Jede Testplatine ist für eine bestimmte Gehäusegröße der Oszillatoren konzipiert, wie oben beschrieben.

Je nach Test kann jede der sechs Tochterplatinen auf einer Prüfplatine 100 Stück XOs oder TCXOs aufnehmen. Bis zu 48 unterschiedliche Oszillatorfrequenzen können so auf einmal geprüft werden. Bild 3 zeigt das Foto einer Testplatine für XOs mit den Maßen 3,2 mm x 2,5 mm. In Bild 4 ist der Aufbau einer Tochterplatine für diese Gehäusegröße dargestellt. Bild 5 zeigt die XOs in der Testposition und Details der Prüfsonden.

Tests in einem Temperaturbereich von -50 bis 130 °C

Die Temperaturprüfkammer und die elektronischen Komponenten sind für den Betrieb bei Temperaturen von -50 bis 130 °C ausgelegt. Auf jeder der acht Testplatinen befindet sich auf einer mittig positionierten Aluminiumplatte ein Platin-Widerstandsthermometer. Mithilfe dieser Temperatursensoren kann die Temperatur an jeder der acht Testplatinen zusätzlich bestimmt werden.

Typisches Testprogramm mit 7 bis 12 Temperaturpunkten

Bei den normalerweise benutzten Prüfprogrammen der handelsüblichen Testsysteme kann der Bediener aus einem Satz an Temperaturen auswählen, bei denen die Oszillatoren geprüft werden sollen. Darüber hinaus wird für jede Temperatur eine Haltezeit ausgewählt, so dass die Oszillatoren sich vor dem eigentlichen Test bei der gewählten Temperatur stabilisieren können.

Die Testzeit für eine gewählte Temperatur ist also die Summe aus der Zeit bis zum Erreichen der gewählten Temperatur, der Haltezeit sowie der Testzeit. Ein typisches Testprogramm kann je nach Temperaturbereich 7 bis 12 Temperaturpunkte umfassen, und die Zeit für jeden einzelnen Temperaturpunkt beträgt etwa 15 Minuten. Der Abstand zwischen den Temperaturpunkten beträgt jedoch typischerweise 10 bis 15 °C, und in solch einer großen „Lücke“ kann viel geschehen.

Wirksames Programm für Temperatur-Feintest

Das System TC-2009 von INTERQUIP verfügt über ein weitaus wirksameres Programm zur Bestimmung der Eigenschaften von Oszillatoren. Dabei gibt der Bediener die niedrigste und die höchste Temperatur des Prüfbereichs vor, z.B. -40 und 85 °C. Anschließend gibt der Bediener den Zeitraum ein, der für den Übergang von -40 bis 85 °C zulässig sein soll, z.B. 120 Minuten.

Mithilfe dieser Informationen erhöht das Temperatursteuerungssystem die Temperatur in der Temperaturkammer auf den Höchstwert des angegebenen Bereichs. Nach einer Haltezeit von fünf Minuten beginnt es dann mit der linearen Absenkung der Kammertemperatur, wie vom Bediener programmiert. Gleichzeitig startet das System die Frequenztests bei allen Oszillatoren.

Bei jeder Prüfung eines Oszillators wird auch die Temperatur aufgezeichnet. Mit diesem Prüfprogramm wird jeder der 4800 XOs oder TCXOs in einer Zeitspanne von nur zwei Stunden etwa 100-mal getestet. Aufgrund der extremen Feinstufigkeit der Tests lassen sich Modenkopplungen und Aktivitätsabfälle feststellen, die bei den herkömmlichen Prüfprogrammen für Oszillatoren zumeist nicht erkannt werden.

Test von 4800 Oszillatoren in zwei Stunden

Zur Verbesserung seines Qualitätssicherungsprogramms hat INTERQUIP das Modell TC-2009 entwickelt. Dieses Temperaturtestsystem kann 4800 XOs oder TCXOs in einem Temperaturbereich von -40 bis 85 °C mit etwa 100 Temperaturprüfpunkten in nur zwei Stunden zu testen. Laut INTERQUIP handelt es sich dabei um das weltweit effektivste und produktivste TC-Temperaturprüfsystem. Primär wurde dieses System entwickelt, um die hohe Qualität seiner Produkte und damit die Zufriedenheit der Kunden auf die bestmögliche Weise sicherzustellen.

* Gerd Reinhold ist Mitarbeiter im Produktmarketing FCP bei der WDI AG in Wedel.

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