Taktgeber Wie Photolithographie Quarze fit für Wi-Fi6 macht

Redakteur: Margit Kuther

Der neueste Wi-Fi-Standard Wi-Fi6 bietet Übertragungsraten von bis zu 9,6 Gbps. Allerdings stellen die Chipsets höchste Anforderungen an den Taktgeber. Die dafür erforderlichen Quarze lassen sich mit photolithographischen Verfahren herstellen.

Firmen zum Thema

Gibt dem drahtlosen Internet neuen Schwung: Der neueste Standard Wi-Fi6 mit Übertragungsraten von bis zu 9,6 Gbps stellt allerdings hohe Anforderungen an den Taktgeber.
Gibt dem drahtlosen Internet neuen Schwung: Der neueste Standard Wi-Fi6 mit Übertragungsraten von bis zu 9,6 Gbps stellt allerdings hohe Anforderungen an den Taktgeber.
(Bild: ©natali_mis - stock.adobe.com)

Wi-Fi ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Die Verfügbarkeit einer Wi-Fi-Verbindung ist die allererste Option, nach der Reisende bei der Wahl ihres Hotels suchen. Hotelbuchungsportale enthalten sogar Angaben über die Geschwindigkeit der vorhandenen Wi-Fi-Verbindung. Wi-Fi ist also bereits fixer Bestandteil unseres Lebens geworden.

Nun bekommt drahtloses Internet einen neuen Schwung, und zwar in Form von Wi-Fi6 (IEEE 802.11ax). Dabei handelt es sich um den neuesten Wi-Fi-Standard mit Übertragungsraten von bis zu 9,6 Gbps. Wi-Fi6 bleibt kompatibel zu den bestehenden Normen IEEE 802.11ac/n/a/g/b, bietet jedoch höhere Geschwindigkeit und Konnektivität für mehrere Nutzer.

Bildergalerie

Hohe Anforderungen an den Taktgeber

Bei solchen Übertragungsmengen stellt allerdings der Chipsatz hohe Anforderungen an den Taktgeber. Hohe Genauigkeit bei jeder Temperatur bildet nur eine dieser Voraussetzungen. Sogar heute beträgt die Gesamttoleranz bei Wi-Fi-Quarzen etwa ±25ppm in einem Temperaturbereich von –20 bis 70 °C. Bei den Wi-Fi6-Kristallen fällt dieser Bereich mit –40 bis 105 °C sogar noch extremer aus. Darüber hinaus werden höhere Frequenzen wie 80 bzw. 96 MHz bevorzugt. Diese Anforderung lässt sich durch Miniaturisierung leicht bewerkstelligen. Der Trend bei den Quarzgrößen bewegt sich derzeit von 3,2 mm x 2,5 mm bzw. 2,5 mm x 2,0 mm hin zu 2,0 mm x 1,6 mm. Die Größe des Quarzblanks ist proportional zur Frequenz, daher wird mit Wi-Fi6 die Nachfrage nach kleineren Quarzen steigen.

Wi-Fi6 soll jedoch auch größere Energieeffizienz mit sich bringen, was wiederum eine geringe Quarz-ESR voraussetzt, etwa maximal 20 bis 40 Ω. Von der ESR des Quarzes hängt auch ab, wie leicht das Quarzblank oszillieren kann. Mit der herkömmlichen Blankverarbeitungstechnik war diese Anforderung schwer zu erfüllen. In der Regel, je kleiner die Größe, desto höher auch der ESR und somit die notwendige Leistung um den Quarz zum Oszillieren zu bringen.

Ein flacher oszillierender Mittelteil ist wichtig

Flachheit spielt bei der Erfüllung dieser Anforderungen eine wesentliche Rolle. Der oszillierende Teil von Quarzen mit AT-Schnitt liegt in der Mitte der Oberfläche. Je flacher und paralleler der oszillierende Mittelteil zur anderer Seite der Oberfläche, desto einfacher kann das Quarzblank schwingen. Leider stieß die herkömmliche Blankverarbeitungstechnik in puncto Parallelität der Oberflächen an ihre Grenzen.

Schneiden, Polieren und Ebnen der Quarzblanks

Die Verarbeitung von Quarzblanks umfasst drei Prozesse: Schneiden, Polieren und Ebnen. Mit herkömmlicher Technik erfolgt das Schneiden mechanisch, mithilfe einer Drahtsäge. Dabei entstehen an der Kante des Quarzblanks winzige Risse. Das Polieren und Ebnen übernimmt eine Abkantmaschine. Die Quarzblanks werden dabei in einen rotierenden Zylinder mit Schleifstoffen platziert. Nach einer gewissen Zeit werden die Quarzblanks poliert und gleichzeitig geebnet. Selbst nach diesem Vorgang sind die Blanks weit davon entfernt, einen breiteren, planen Schwingungsteil zu besitzen. Die Form ähnelt eher einer Ellipse als dem idealen Rechteck.

Um das Quarzblank näher zum idealen Rechteck zu formen, greift man zunehmend auf photolithographische Prozesse zurück. Mittels Photolithographie lässt sich eine plane Form auch bei kleineren Größen erzielen. Schneiden, Polieren und Ebnen erfolgen mittels Belichtung. Mit dieser Technik lässt sich bei den Quarzblanks sowohl eine hohe Frequenz als auch eine niedrige ESR erreichen. Freilich ist eine solche Technik ziemlich aufwendig. Es sind mehrere Schritte für die Maskierung, Fotolack-Abdeckung, Belichtung usw. notwendig. Aus der Sicht der Produktionskosten ist die herkömmliche Abkanttechnik viel einfacher und günstiger. Bei der Photolithographie ist für jeden Schritt Spitzentechnologie erforderlich, daher hängt die Qualität vom Stand der Blankverarbeitungstechnik des Lieferanten ab.

KDS, dessen Produkte Codico vertreibt, zählt zu jenen Lieferanten hochqualitativer Quarzkristalle, die über eigene Fabriken zur Herstellung von synthetischem Quarz und zur Verarbeitung von Quarzblanks verfügen. Während mehrere Lieferanten von Quarzkristallen Fabrikate anderer Hersteller unter eigenem Namen anbieten, behält KDS die Produktion von der Herstellung des Quarzmaterials bis zu Produktkonfektionierung in eigener Hand.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 3/2021 (Download PDF)

Für den Wi-Fi6-Chipsatz empfohlene Quarze

Für Ihren Wi-Fi6-Chipsatz zu empfehlen sind KDS DSX210S (2,0 mm x 1,6 mm) und DSX1210A (1,2 mm x 1,0 mm) mit 80 bzw. 96 MHz. Ist eine noch kleinere Größe gewünscht, bietet KDS auch den DX1008JS (1,0 mm x 0,8 mm) an, bei dem sämtliche Materialien mit Hilfe photolithographischer Technik verarbeitet wurden. Es handelt sich dabei um das weltweit kleinste Quarzkristall.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:47062967)