Nowe trendy w obudowach rezonatorów kwarcowych

28.05.2021

Nowe trendy w obudowach rezonatorów kwarcowych

Czy wiesz, że tańsze szklane obudowy rezonatorów mogą zastąpić obudowy zgrzewane liniowo?

Do lat 90-tych na rynku rezonatorów kwarcowych najczęściej stosowaną obudową była metalowa puszka THT zgrzewana metodą punktową. Z czasem stała się ona przestarzała ze względu na niezautomatyzowany proces produkcji i trudności napotykane podczas poprawy jakości. Rozwiązanie w postaci metalowych puszek ostatecznie zastąpiono produktami SMD. Obecnie najczęściej spotykane rozmiary to 1612 (1,6 x 1,2 mm), 2016 (2,0 x 1,6 mm) i 3225 (3,2 x 2,5 mm). Na specjalne życzenie są już także dostępne rozmiary takie jak 1008 (1,0 x 0,8 mm), a nawet 0806 (0,8 x 0,6 mm).

Obecnie istnieją w zasadzie 3 rodzaje opakowań typu SMD: zgrzewane liniowo, szklane oraz w obudowie typu WLP (ang. Wafer Level Packaging). Obudowy zgrzewane liniowo i szklane to technologie stosowane od wielu lat. Natomiast WLP to zupełnie nowa technologia, która zapewnia większe korzyści w zakresie miniaturyzacji, a szczególnie ograniczenia wysokości elementów. Na przykład seria Arkh.3G firmy KDS może z łatwością osiągnąć rozmiary 1008 (1,0 x 0,8 mm) i 0806 (0,8 x 0,6 mm), przy czym najniższa wysokość to jedynie 0,13 mm. (Więcej informacji można znaleźć w piśmie Impulse, wydanie 02-2017, w artykule pt. „Arkh.3G”).

Obudowy szklane wykorzystują stopione szkło do połączenia ceramicznej podstawy i ceramicznej pokrywy. Ta metoda pakowania ma przewagę kosztową w porównaniu z metodą zgrzewania liniowego. Jednakże aby szkło się stopiło, potrzebny jest piec. Piec ten generuje dodatkowe przesunięcia częstotliwości w rezonatorze kwarcowym, więc szklane obudowy nie pozwalały na uzyskanie wąskich tolerancji, co udało się w przypadku technologii zgrzewania liniowego.

Obudowy zgrzewane

Podczas zgrzewania liniowego podstawa ceramiczna i metalowa pokrywa są połączone pierścieniem z kowaru. Metoda ta wymaga doprowadzenia prądu elektrycznego tylko do metalowej pokrywy powyżej pierścienia kobaltowego, a więc nie trzeba umieszczać całego układu w piecu. W przypadku tej metody pakowania nie występują także przesunięcia częstotliwości spowodowane przez otaczającą układ wysoką temperaturę.

W związku z tym zgrzewanie liniowe jest najlepsze do uzyskania wąskich tolerancji częstotliwości taktowania. Natomiast obudowy szklane były używane jako tańsze rozwiązanie o szerszych tolerancjach. Ze względu na podobną rozszerzalność temperaturową co płytki PCB są one także używane w systemach pracujących w szerokich zakresach temperatur.

Tym niemniej nasi dostawcy, firmy KDS i TXC, dysponują teraz zaawansowaną technologią zastępującą zgrzewanie liniowe opakowaniami z użyciem szkła. W przeciwieństwie do innych dostawców, którzy mogą osiągnąć tolerancję +/-50 ppm w zakresie temperatur od -40°C do +85°C, produkty tych firm mogą osiągnąć aż +/-30 ppm. Dodatkowo technologia ta obniża koszty opakowywania rezonatorów kwarcowych.

Różnice pomiędzy metodami

Metoda zamykania obudowy szkłem ma jednak pewne wady. Do tej pory najmniejszym dostępnym rozmiarem był 2016 (2,0×1,6 mm), podczas gdy rozmiary opakowań zgrzewanych liniowo mogą osiągnąć aż 1008 (1,0×0,8 mm). Co więcej, nawet przy tym samym rozmiarze opakowania wykorzystanie szkła wymaga większej wysokości elementu niż ten sam rozmiar z obudową zgrzewaną. Ma to jednak również niewielką zaletę, gdyż większa wysokość zapewnia więcej miejsca wewnątrz, co oznacza, że częstotliwość kwarców w obudowach szklanych może być niższa niż w przypadku zgrzewanych liniowo.

Kolejną kwestią są zakłócenia radiowe (ang. EMI – Electro-magnetic interference). Obudowa zgrzewana liniowo jest odporna na zakłócenia elektromagnetyczne, ponieważ metalowa pokrywa jest połączona z masą. Uszczelka szklana nie posiada metalowej pokrywy, przez co nie chroni przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Zależy to jednak od warunków pracy kwarcu. EMI ma wpływ na rezonatory kwarcowe, jeśli aplikacja korzysta z komunikacji bezprzewodowej na częstotliwości poniżej 1 GHz. Można ich więc używać w większości dzisiejszych aplikacji. Nawet komunikacja bezprzewodowa, taka jak Wi-Fi czy Bluetooth może wykorzystywać elementy uszczelniane szkłem. Jedynie w aplikacjach bezprzewodowych na częstotliwości poniżej 1 GHz lepiej jest rozważyć element zgrzewany liniowo.

Oprócz wymienionych zalet zgrzewanie liniowe pozwala także na osiągnięcie wyjątkowo wąskich tolerancji. Wywiera ono mniejszy wpływ na półfabrykat kwarcu, co oznacza, że inżynier może zastosować nieco agresywniejszą specyfikację dotyczącą tolerancji częstotliwości.

Z tych powodów zgrzewanie liniowe jako metoda uszczelniania obudów rezonatorów kwarcowych pozostanie na rynku, choć udział obudów szklanych wzrośnie. Zgrzewanie liniowe będzie jednak ograniczone do specjalnych zastosowań, które wymagają ściślejszej tolerancji lub odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. Szczególnie oscylatory, które mają wewnątrz układ scalony, wymagają zastosowanie zgrzewania liniowego.

Rynek nadal błędnie postrzega obudowy szklane jako tanie rozwiązania, wykluczające zastosowanie w zaawansowanych aplikacjach. Jak jednak wyjaśniono, większość przypadków zgrzewania liniowego można aktualnie zastąpić produktami wykorzystującymi szkło.