Röntgenuntersuchung eines Quarzoszillators vom Typ IO 19.

Röntgenuntersuchung eines Quarzoszillators vom Typ IO 19. Schukat

Kaum ein Gerät kommt heutzutage noch ohne frequenzbestimmende Bauteile (FCPs) aus. Zudem sind die Anforderungen in den letzten Jahren durch die zunehmende Digitalisierung analoger Schaltungen stark gestiegen, eine präzise und langzeitstabile Taktung ist in aller Regel unerlässlich. Nun gibt es Quarze und Quarzoszillatoren verschiedenster Hersteller und Preisklassen sprichwörtlich wie Sand am Meer. Äußerlich betrachtet gleichen sie sich auch fast wie ein Sandkorn dem anderem. Leider lässt sich mit bloßem Auge die Qualität des jeweiligen Bauteils nicht so einfach beurteilen. So zeigen sich unangenehme Überraschungen in Form von Image-schädigenden und kostenintensiven Ausfällen meist nicht sofort, sondern erst dann, wenn es bereits zu spät ist, zu reagieren.

Anforderungen an das Gehäuse

Neben der mechanischen Stabilität ist eine hohe Korrosionsbeständigkeit wichtig, um längerfristig auch widrigeren Umweltbedingungen zu trotzen. Maßabweichungen können dann problematisch werden, wenn eine hohe Bestückungsdichte zu Platzkonflikten führt. Seit Juli 2006 sind unter anderem gemäß RoHS-Direktive 2002/95/EG nur noch bleifreie Lötverfahren zulässig. Es gibt jedoch Billiganbieter, beispielsweise aus Ostasien, die sich nicht um die Einhaltung der RoHS- und WEEE-Richtlinien kümmern und bei der Bauteilkonstruktion nichts anpassen. Teilweise erfolgt die Verzinnung der Bauteilanschlüsse immer noch mit bleihaltigem Lot, lediglich die Datenblätter sind entsprechend adaptiert. Da jedoch gegenüber bleihaltigen Loten die Löttemperaturen um bis zu 30 K höher liegen, bringt dies mehr thermischen Stress mit sich und führt manche Bauteile nahezu an ihre Belastungsgrenze.

Eckdaten

Wie erkennt man einen qualitativ hochwertigen Quarz? Der Autor erläutert in seinem Artikel, was es zu beachten gilt, um unangenehme Überraschungen zu vermeiden.

Problematisch kann dies im Falle von Quarzoszillatoren nicht nur für den CMOS-ASIC sein, sondern (ebenso bei Quarzen) auch für die kritischen Nahtstellen im Gehäuse. Dazu zählen die Verbindung von Gehäuseoberteil und -unterteil sowie die Durchführungen der Anschlussdrähte.

Die Folgen von Gehäuseleckagen

In den seltensten Fällen lässt sich eine Beschädigung beim Lötvorgang oder eine bereits ab Werk mangelhaft ausgeführte Gehäuseversiegelung entdecken. Eine rein visuelle Inspektion deckt nur einen mechanischen Totalausfall auf, über die langfristige Dichtigkeit lassen sich keine Aussagen treffen. Entweder stehen die Gehäuse von Quarzoszillatoren unter Vakuum oder sie sind mit einem chemisch inerten Schutzgas befüllt. Das allmähliche Eindringen normaler Umgebungsatmosphäre durch natürliche Luftdruckschwankungen beschleunigt die Alterung, führt zu Korrosionserscheinungen und in Folge zu frühzeitigem Ausfall oder unzulässigen Toleranzabweichungen.

Beginnende Oberflächenkorrosion an der Metallisierung des Resonatorplättchens.

Beginnende Oberflächenkorrosion an der Metallisierung des Resonatorplättchens. Schukat

Im Gegensatz zu Dickenscherschwingern (meist im AT-Schnitt ausgeführt) arbeiten die stimmgabelförmig im X- oder XY-Schnitt ausgeführten Schwinger von Uhrenquarzen mit relativ niedrigen Frequenzen (üblicherweise 32.768 kHz), und auch mit erheblich größeren mechanischen Auslenkungen. Gehäuse von Uhrenquarzen werden deshalb grundsätzlich evakuiert. Das dämpft die mechanische Schwingung möglichst wenig und gewährleistet einen verbesserten Temperaturkoeffizienten. Geht dieses Vakuum im schlimmsten Fall vollständig verloren, kommt es zu einer Toleranzverschlechterung um etwa 250 ppm und der Serienwiderstand erhöht sich bis auf das Zehnfache. Im medizinischen Bereich setzt man deshalb aus Gründen der Zuverlässigkeit heute überwiegend Keramikpackages in SMD-Bauform ein.

Die inneren Werte

Intakte Durchführungen an einem Uhrenquarz.

Intakte Durchführungen an einem Uhrenquarz. Schukat

Aus schlechten Zutaten zaubert selbst der beste Koch kein gutes Menü. Auch bei FCPs lässt sich durch die Verwendung qualitativ minderwertiger Rohstoffe nichts gewinnen. Nicht nur die Reinheit und Güte der Ausgangsmaterialien selbst sind ein Erfordernis für Langzeitstabilität und geringe Toleranzen, sondern ebenso eine perfekte Beherrschung der anspruchsvollen Verarbeitungsprozesse. Präzises Schneiden und Läppen, eine einwandfreie Kontaktierung und Voralterung bedingen eine langfristig stabile und zuverlässige Funktion innerhalb der vom Hersteller spezifizierten Werte. Auch eine lückenlose Qualitätssicherungskette von der Herstellung bis zum Vertrieb ist entscheidend. Red Frequency arbeitet deshalb ausschließlich mit zertifizierten Premium-Herstellern sowie seinem Masterdistributor Schukat zusammen, der für die hohe Qualität und schnelle Lieferung seines Produktprogramms steht. Zusätzlich wird die einwandfreie Qualität und Beschaffenheit sämtlicher FCPs regelmäßig überwacht. Hierzu gehören nicht nur elektrische Tests und Laborprüfungen bezüglich der hermetischen Gehäuseversiegelung, sondern auch Röntgenuntersuchungen, um beispielsweise die einwandfreie Ausführung des Chip-Bondens sicherzustellen.

Alterungsverhalten

Quarzoszillator IO 19 im SMD-Keramikgehäuse.

Quarzoszillator IO 19 im SMD-Keramikgehäuse. Schukat

Wie auch Halbleiter grundsätzlich keine unbegrenzte Lebensdauer haben, so unterliegen piezoelektrische Bauteile ebenfalls einer unvermeidlichen Alterung. So unscheinbar Quarze von außen betrachtet aussehen, so gewaltig sind die auftretenden Kräfte und Beschleunigungswerte im Quarzplättchen selbst. Bereits bei einer Frequenz von 10 MHz und 1 mA Betriebsstrom ist das Substrat kontinuierlich unvorstellbaren Kräften der 500.000-fachen Erdbeschleunigung ausgesetzt. Bei 100 MHz sind bereits rund 5.000.000 g am Werk. Zum Vergleich: Der menschliche Körper kann, allerdings nur „in Vorzugsrichtung“ und für wenige Sekunden, etwa 8 g standhalten. Ab 20 g wird es bereits kritisch und 100 g lassen sich bestenfalls mit viel Glück für Sekundenbruchteile überleben. Bei Schwingquarzen sind die mechanischen Auslenkungen zwar nur sehr gering, rund 1,3 nm bei 10 MHz und etwa 0,13 nm bei 100 MHz. Aber bereits minimale Inhomogenitäten und Verunreinigungen im Ausgangsmaterial wirken sich ungünstig in Bezug auf das Alterungsverhalten aus. Das bedeutet, sie beeinflussen es spürbar negativ. Für eine langfristig zuverlässige Funktion verwendet Red Frequency deshalb ausschließlich hochwertigste Rohstoffe.