Flach, klein, smart - neue Wege bei der Miniaturisierung von quarzbasierten Taktgebern

Mit der Verbreitung von IoT und dem Wachstum des Datenspeichermarktes wird die Rolle von Zeitgebern immer wichtiger. Insbesondere die Nachfrage nach Quarz-Taktgebern, aufgrund ihres guten Rauschverhalten, Kosten und Verfügbarkeit, steigt in diesem Zuge drastisch.

Darüber hinaus gibt es wachsenden Bedarf an kleinen und dünnen Produkten, die in drahtlosen Ohrhörern (earbuds), IoT Sensoren und anderen Miniaturgeräten erforderlich sind. Applikationen, die einen hohen Grad an dichter Implementierung erfordern. Der Miniaturisierung sind in der herkömmlichen Technologie zur Herstellung von quarzbasierten Taktgebern physikalische und fertigungstechnische Grenzen gesetzt. Etwa beim leitfähigen Kontaktkleber. Dessen Menge und Positionierung, um die Quarzscheibe in dem keramischen Gehäuse zu montieren, bereitet Probleme bei zunehmender Miniaturisierung. Es ist geboten Produkt- und Prozessdesigns grundlegend zu überarbeiten. Neue Ansätze in der Fertigungstechnologie müssen gefunden werden.

Bei der Arkh-Serie des Herstellers Daishinku (KDS), Vertrieb durch SE Spezial-Electronic GmbH,  handelt es sich um Timing-Bauelemente produziert mit innovativer neuer Fertigungsmethode. Der Markenname "Arkh" leitet sich vom altgriechischen Wort "Arkhitekton" ab und betont, dass diesen Bauelementen eine weitgehend neue Struktur (Aufbau) zugrunde liegt. Ermöglicht wird dies durch die Einführung neuer Materialien und der WLP-Technologie (Wafer Level Package) für die Herstellung von Quarz-Taktgebern. Dieses Fertigungsverfahren verwendet weder ein keramisches Gehäuse noch den leitfähigen Verbundkleber.

Der Arkh.3G ist ein ultrakompaktes und dünnes Bauelement, das mit der WLP (Wafer Level Package)-Technologie hergestellt wird, unter Verwendung der Photo-Etching-Technologie. Er besteht aus einer dreischichtigen Struktur. Der oberen Schicht (Lid / Deckel), einem Resonator und einer Basis, deren Träger ein Quarzkristall ist.

Die Struktur des Resonators und der anderen Teile werden mittels des photolithographischen Prozess geformt. Die drei Quarzkristall-Wafer danach miteinander verbunden und zu einem hermetisch dichten Wafer-Level-Package verarbeitet. Auf diese Weise werden das Gehäuse, die Halter und der Resonatorteil zu einer integrierten Struktur geformt, ohne dass ein leitender Klebstoff verwendet werden muss.

Die monolithische Struktur löst die oben beschriebenen Prozessprobleme und verbessert gleichzeitig die Stoßfestigkeit erheblich.

Dieses neue Design hat die Herausforderungen gelöst, die die konventionelle Struktur zur Reduzierung der Produktgröße bewältigen musste, nämlich eine verbesserte Genauigkeit beim Auftragen des leitfähigen Klebstoffs und die Bereitstellung eines Spielraums zur Gewährleistung der Montageposition des Quarzkristallelements.

Unter Verwendung von Arkh.3G hat DKS zudem eine Reihe von ultrakleinen Kristalloszillatoren und Differential Kristalloszillatoren entwickelt mit einer Bauform von nur 1.05 x 0.85 x 0.24 mm. Diese neuen Produkte bieten zudem eine langfristig hohe Alterungsbeständigkeit durch den Verzicht auf den organischen, leitfähigen Klebstoff.

Durch die Arkh.3G-Serie hat KDS sowohl beim Resonator als auch bei den Oszillatoren die weltweit flachsten quarzbasierten Bauteile. Eine Reduzierung der Bauhöhe um ca. 50% im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen und ermöglich damit neue Gestaltungsspielräume für das Design ultra-kompakter Applikationen.

 

Crystal Resonator
DX1008JS

CMOS
Crystal Oscillator
DS1008JN

CMOS
Crystal Oscillator
DS1008JS

Differential
Crystal Oscillator
DS1008JC/K/J

Size

1.05 x 0.85 x 0.12 mm

1.05 x 0.85 x 0.22 mm

1.05 x 0.85 x 0.22 mm

1.05 x 0.85 x 0.24 mm

Frequency Range

48 to 120 MHz

1 to 100 MHz

1 to 100 MHz

156.25 MHZ

Frequency Stability over Temperature

±30ppm

±20ppm to ±100ppm

±20ppm to ±100ppn

±100ppn

Frequency Tolerance

±20ppm to ±100ppn

     

Load Capacitance

8, 10, 12 pF

     

Supply Voltage

 

0.9 to 1.5V

1.8 to 3.3V

2.5V / 3.3V

Output

 

CMOS

CMOS

HD-LVDS / LV-PECL / LVDS