Miniaturisierung von Bauteilen: Das ist bei Quarzen zu beachten

Das Thema der Bauteilverknappung ist allgegenwärtig. Nahezu jedes elektronische Bauteil ist mittlerweile davon betroffen. Die Gründe? Sie sind vielfältig. So gehören unter anderem Lieferprobleme und damit die Verfügbarkeit der Bauteile, aber auch als Resultat der Digitalisierung die angestiegene Anzahl an Endprodukten und dadurch eine erhöhte Nachfrage dazu. Auch für das Jahr 2022 ist kaum eine Entspannung der Lage zu erwarten. Die Herausforderung für Betroffene ist, möglichst schnell eine Lösung zu finden. Oftmals besteht diese dann darin, Bauteile in anderen Größen oder aus anderen Serien zu verwenden.

Damit am Ende alles wie gewünscht funktioniert, müssen die neuen Bauteile entsprechend in bestehende Schaltungen eingebaut werden. Ein Thema, mit welchem sich unsere Kollegen aus dem Technischen Support und Produktmanagement intensiv beschäftigen.

Wir haben unsere Produktmanagerin Leonie Weißer zu diesem Thema befragt:

Was ist der Grund für die aktuelle Lage?

Verschiedene Gründe führten zur Bauteilverknappung. Zum einen gab es bei Herstellern im Zuge von Bereinigungen der Produktportfolios einige Abkündigungen von ICs und Gehäusen. Der allgegenwärtige Trend zu immer kleineren Bauteilen ist einer der Gründe für diese Abkündigungen. Aber auch Vorfälle, wie beispielsweise der Brand bei einem japanischen IC-Hersteller im Oktober 2020, welcher vor allem Auswirkungen auf die Produktion von TCXOs hatte, tragen nicht zur Verbesserung der Lage bei.

Außerdem kommen Störungen in der globalen Lieferkette durch die Covid-19 Pandemie hinzu. Besonders die Luftfracht litt unter der Situation, was zu einem starken Auftrieb für den Schiffsverkehr führte. Dies wiederum führte zu Lieferengpässen und Preiserhöhungen – auch bei den Vormaterialien.

Nach dem konjunktur- aber auch pandemiebedingten Abschwung – und damit einem eher zurückhaltenden Bestellverhalten – stieg die Nachfrage wieder stark an. Auch reduzierte Gehäuse-Lieferungen zu Beginn der Pandemie haben die Lage nicht entspannt.

Wir bemerken also auf dem Markt der frequenzgebenden Bauteile, wie auch bei anderen elektronischen Komponenten, einen klaren Trend zur Miniaturisierung, der zunächst in der gesamten Wertschöpfungskette umgesetzt werden muss.

Die Verknappung trifft demnach momentan auf den Trend, immer kleinere Bauteile zu verwenden – welche Auswirkungen hat diese Miniaturisierung von den frequenzgebenden Bauteilen auf die Schaltung eines Kunden?

Grundlegend kann gesagt werden, dass die Frequenz eines Quarzblanks von der Dicke bzw. Dünne des Blättchens abhängt. Es gilt: Je dünner ein Quarzblank ist desto höher ist die Frequenz. Bei der Miniaturisierung der Bauteile kann dies jedoch zu Problemen führen, da für niedrige Frequenzen ein entsprechend dickeres Blank benötigt wird. Hier kommt man spätestens in unseren kleinsten Gehäusen, welche 1,6 x 1,2 mm umfassen, an physikalische Grenzen. Ein Punkt, der beim Wechsel auf ein kleineres Bauteil unbedingt in Betracht gezogen werden muss.

Abgesehen davon ist eine aktuelle Anforderung an einen Taktgeber, eine hohe Frequenzgenauigkeit über einen breiten Temperaturbereich zu gewährleisten, und zwar bei gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch. Da die Ausgangsfrequenz von vielen verschiedenen Faktoren in der Kundenschaltung abhängt, z.B. der Lastkapazität, empfehlen wir einen engen Austausch mit unserem Vertrieb, um für die entsprechende Applikation das passende Bauteil zu wählen.

Was bedeutet das für Dich und Deine Kollegen?

Wir bekommen aktuell viele Anfragen, in denen Kunden Probleme mit ihrer Schaltung beschreiben. Im nächsten Schritt identifizieren wir diese Probleme. Dafür müssen dann z.B. Schaltungsanalysen durchgeführt werden. In anderen Fällen, beispielsweise wenn auf andere Bauteile ausgewichen wird, ist dann das bereits erwähnte Re-Design der Schaltung notwendig. Auch hierbei unterstützen wir.

Wir geben alles, um die Verfügbarkeit für Kunden zu sichern und Bandstillstände zu verhindern. Dabei ist ein enger Kontakt zu unseren Vorlieferanten hilfreich. Als Hersteller können wir auch hier auf langjährige und stabile Beziehungen setzen.

Die Zusammenarbeit mit unseren Kunden verläuft eng und basiert auf einer offenen Kommunikation. Wir betreuen unsere Kunden von der Entwicklung bis hin zum technischen Support. In dieser schwierigen Zeit konnten wir neue Kunden für uns gewinnen und sie durch unsere technische Beratung und intensive Betreuung überzeugen, was uns besonders freut. Gerade jetzt, vor dem Hintergrund der Bauteilabkündigungen und Lieferschwierigkeiten ist es für ein erfolgreiches Projekt wichtig, früh und schnell zu handeln.

Und welche Punkte müssen bei einem Re-Design beachtet werden?

Bei einem Re-Design müssen mehr oder weniger genau die gleichen Punkte beachtet werden, wie bei einem neuen Design einer Schaltung. Dabei ist es essenziell, dass die kleineren Quarze in ihrer Schaltung richtig anschwingen. Da die Miniaturisierung der Gehäusegrößen bei Quarzen fast immer in einem höheren Resonanzwiderstand resultiert, kann es sein, dass die gleiche Schaltung mit dem kleineren Bauteil nicht mehr richtig oder im schlimmsten Fall überhaupt nicht anschwingt. Dies kann allerdings durch Anpassungen der Schaltung wie zum Beispiel durch Verringern der Lastkapazitäten und Anpassungen der Widerstände gelöst werden.

Wenn neue Bauteile in einer vorhandenen Schaltung genutzt werden, muss zudem auch der Drive Level analysiert werden, um eine Überlastung des Quarzes zu vermeiden. Der Drive Level beschreibt, welche Leistung auf einen Quarz wirkt.  Der im Datenblatt definierte Maximalwert darf nicht überschritten werden.

Problematisch ist, dass beim Übergang auf kleinere Gehäusegrößen und dem daraus resultierenden höheren Resonanzwiderstand gleichzeitig ein höherer Drive Level erforderlich ist. Ein hoher Drive Level schlägt sich allerdings auf die Lebensdauer eines Quarzes nieder. Ein Gleichgewicht aus der benötigten Lebensdauer und der Schwingsicherheit ist somit essenziell.

Schließlich ist noch zu beachten, dass auch die Messungen einer Schaltung mit anderen Bauteilen neu aufgebaut werden müssen, da sie ansonsten verfälschte Werte anzeigen.

An dieser Stelle möchte ich darauf hinweisen, dass es nicht den einen Weg zum Re-Design gibt und oftmals verschiedene Möglichkeiten funktionieren. Eine fundierte technische Beratung hilft, eine geeignete Lösung zu finden. Meine Kollegen aus der Technik, dem Vertrieb und ich stehen dafür gerne zur Verfügung.

In welchen Punkten unterstützen wir unsere Kunden noch?

Wir unterstützen unsere Kunden nicht nur bei der Auswahl des geeigneten Taktgebers, sondern auch der Schaltungsoptimierung oder dem Design-In-Support. In unserem Elektroniklabor in Schwenningen führen wir kundenspezifische Schaltungsanalysen durch. Dabei können die in diesem Interview beschriebenen Punkte überprüft werden. Konkret zählen die Frequenzgenauigkeit, Schwingsicherheit sowie entsprechende Änderungen beim Layout dazu.

Stehen auch Sie vor dem Problem des Re-Designs? Kontaktieren Sie uns gerne und gemeinsam finden wir eine Lösung für Ihr Projekt.

Das Interview führten wir mit unserer Produktmanagerin Leonie Weißer.