1. Schritt : Herstellung von synthetischem Rohquarz
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Die verschiedenen Typen und Größen von synthetischem Rohquarz werden entsprechend ihres Verwendungszweckes ausgewählt. Die Zeit die zur Züchtung benötigt wird, bestimmt sich ebenfalls je nach Größe des benötigten Rohquarzes. Nach dem Züchten wird der Rohquarz dann in kleinere Teile zersägt und als sogenannter "lumbered-bar" der weiteren Verarbeitung zugeführt.
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* Zur Züchtung von Rohquarz werden Keimplatten mit der entsprechenden Achsenorientierung, je nach Anwendung sogenannte "Y-bars" oder "Z-bars", im oberen Bereich eines Autoklaven aufgehangen.
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* Zur Züchtung von Rohquarz werden Keimplatten mit der entsprechenden Achsenorientierung, je nach Anwendung sogenannte "Y-bars" oder "Z-bars", im oberen Bereich eines Autoklaven aufgehangen. |
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* Zur Züchtung von Rohquarz werden Keimplatten mit der entsprechenden Achsenorientierung, je nach Anwendung sogenannte "Y-bars" oder "Z-bars", im oberen Bereich eines Autoklaven aufgehangen.
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* Zur Züchtung von Rohquarz werden Keimplatten mit der entsprechenden Achsenorientierung, je nach Anwendung sogenannte "Y-bars" oder "Z-bars", im oberen Bereich eines Autoklaven aufgehangen.
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2. Schritt: Zersägen und Winkelmessung
Zweck des Arbeitsganges
Die Rohquarze in Form von "lumbered-bars" werden in einzelne Wafer zerschnitten , wobei der Schnittwinkel und die geforderte Dicke beachtet werden müssen. Die Wafer werden dann nach ihrem Schnittwinkel sortiert und klassifiziert.
Arbeitsgangbeschreibung
Röntgengoniometer vermessen.
Arbeitsganganweisungen
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Mit Hilfe eines Röntgengoniometers werden die “lumbered-bars” ausgerichtet und auf einer Gattersäge in einzelne Wafer zerschnitten.
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Die "lumbered-bars" werden auf einer Gattersäge mit Hilfe von gehärteten Stahlbändern und Schleifmittel zersägt. Die Stahlbänder sind dazu mit 40 bis 50 Tonnen vorgespannt. Das Zersägen wird durch Hin- und Herbewegung der Bänder erreicht, sodass die Rohquarze mit einer Geschwindigkeit von etwa 0.5 bis 2.0mm pro Stunde zersägt werden.
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Mit Hilfe eines Röntgengoniometers werden dann alle Wafer nach ihrem Schnittwinkel sortiert.
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Im Quarzmaterial wird eine der atomaren Gitterebenen genutzt an welcher sich der Röntgenstrahl reflektiert. Die gemessene Gitterebene entspricht dem sogenannten Braggschen Winkel welcher als Referenz zur Bestimmung des Schnittwinkels benutzt wird.
(Schnittwinkelgenauigkeit bis zu 10 Sekunden maximal je nach Bedarf)
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3. Schritt: Bearbeitung der Wafer
Zweck des Arbeitsganges
Bearbeitung der Wafer um eine bestimmte geometrische Form zu erhalten.
Arbeitsgangbeschreibung
Zur Herstellung von runden Quarzscheiben werden Rundiermaschinen benutzt, während für rechteckige Diamantsägen zum Auftrennen der Wafer verwendet werden.
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4. Schritt: Läppen und Polieren
Zweck des Arbeitsganges
Mittels Läppen und Polieren werden die Quarzscheiben nun auf eine bestimmte Dicke gebracht , sowie eine festgelegte Oberflächenrauhigkeit, Oberflächenflachheit und Parallelität erzeugt.
Arbeitsgangbeschreibung
Zweiseitenläppmaschine. Die Oberflächenrauhheit wird durch das entsprechend zu verwendende Schleifmedium bestimmt.
Arbeitsgangbeschreibung
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[Zweiseitenläppmaschine]
Der innere und äußere Zahnkranz drehen sich entgegengesetzt, sodass die dazwischen liegenden Läppkarrier mit den Quarzscheiben rotieren , was zu einer sehr effektiven Schleifbewegung führt.
[Typen von Schleifmitteln]
Läppen: AIO3 oder SiC; Polieren: Zeriumoxyd.
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*Prinzip des Polierens
Im Unterschied zum Läppen wird beim Polieren mit Hilfe weicherer Polierscheiben weniger Druck auf die Oberflächen ausgeübt und damit der Abrieb durch das Schleifmittel reduziert. Die Quarzscheiben werden auch langsamer durch den Prozess geführt um Bruch zu vermeiden.. |
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*Prinzip des Läppens:
Zwischen den sich bewegenden Läpplatten und Quarzscheiben befindet sich das Schleifmittel welches Schritt für Schritt die Oberfläche der Quarzscheiben abträgt. Die Größe der Schleifmittelkörner bestimmt die Oberflächenrauhigkeit. Eine kleinere Korngröße ergibt eine feinere Oberfläche, verlangsamt allerdings auch den Abtragungsprozess |
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5. Schritt: Ätzen und Reinigung
Zweck des Arbeitsganges
Die Quarzscheiben werden zuerst geätzt um zerstörte Atomgitter an der Oberfläche zu beseitigen und im Anschluß gereinigt.
Arbeitsgangbeschreibung
Ätzen wird im Tauchverfahren in einem temperaturstabilisierten Bad ausgeführt. Gereinigt wird mit sauren und basichen Lösungen um alle Arten von Verschmutzung zu beseitigen.
Arbeitsganganweisungen
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*Frequenzsortierung
Vor dem Ätzprozess werden die Quarzscheiben in Frequenzgruppen sortiert um am Ende die von den vorherigen Prozessen erhaltene Frequenzstreuung wieder zu verringern
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Die Oberfläche der Quarzscheiben ist durch den Läpprozess zerklüftet, eine relativ rauhe Oberfläche ist noch vorhanden.
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*Ätzen
Die durch das Läppen entstandene rauhen Oberflächen, werden chemisch bearbeitet. Bild 1 zeigt die Quarzscheiben in einer Ätzvorrichtung und Bild 2 zeigt diese im Ätzbad.
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Durch das Ätzen wird die rauhe Oberfläche geglättet.
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*Reinigung
Durch Reinigung mit Ultraschall und chemischen Lösungen, werden Verunreinigungen bis zu einem Mikrometer entfernt.
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6. Schritt: Bedampfung
Zweck des Arbeitsganges
Aufdampfen einer Elektrode zum Anlegen von elektrischer Spannung, welche zum Betrieb des Schwingquarzes nötig ist.
Arbeitsgangbeschreibung
Bedampt wird der Metallfilm mittels einer Vakuumbedampfungsanlage.
Arbeitsganganweisungen
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*Masken bestücken . Um die richtige Größe und Form der aufzudampfenden Elektroden zu erhalten, werden die Quarzscheiben in Masken eingelegt.
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| The evaporation film thickness is monitored by the frequency of the monitor crystal unit bis control the film thickness and evaporation speed. The exhaust system uses a cryopump oder an oil diffusion pump. The cryopomp is used in combination with a mechanical pump, and provides clean and high vacuum by trapping gas molecules on the adsorption surface chilled down. |
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*Vakuumverdampfung
In der Vakuumverdampfungsanlage wird das Metall verdampft, sodass es auf die Quarzscheiben aufgetragen werden kann. Verschiedene Methoden zur Vorbehandlung, wie Plasmareinigung oder Erhitzen , werden verwendet um eine gute Haftung der Metallschicht zu erzielen .
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*Masken entleeren
Für die Elektroden werden Metalle wie Gold, Silber oder Aluminum mit guter Leitfähigkeit verwendet. Am Häufigsten ist die Verwendung von Silber. Aluminum mit seinem geringen spezifischen Gewicht wird für hohe Obertöne oder hohe Frequenzen verwendet. Gold kommt durch seine gute Resistenz gegen chemische Einflüsse vor allem für Quarze mit hohen Alterungsanforderungen in Frage.
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7. Schritt: Montage
Zweck des Arbeitsganges
Die Montage der Quarzscheibe in einen Halter und die Herstellung der mechanischen sowie elektrischen Verbindung zu den Anschlüssen.
Arbeitsgangbeschreibung
Die Quarzscheibe wird in den Halter eingesetzt und mit einem Kontaktkleber fixiert.
Arbeitsganganweisungen
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*Montage
Die Quarzscheibe wird in einen Halter eingesetzt, wobei nur der Rand der Scheibe festgehalten werden darf um die mechanische Schwingung des Quarzes nicht zu stark zu dämpfen.
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Distribution of vibration
The displacement of vibration is the greatest around midrange and is less at both ends. |
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| Tunnel-oven temperature profile |
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*Kontaktkleber auftragen
Kontaktkleber wird an beiden Seiten aufgetragen, um eine elektrische und mechanische Verbindung herzustellen.
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*Kontaktkleber aushärten
Der Kontaktkleber wird in einem Ofen ausgehärtet.
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Um einen modernen SMD Schwingquarz herzustellen wird die Quarzscheibe direkt mit Kontaktkleber in dem Keramikgehäuse eingeklebt.
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8. Schritt: Frequenzabgleich
Zweck des Arbeitsganges
Abgleich der Frequenz so das diese in den spezifizierten Toleranzbereich fällt.
Arbeitsgangbeschreibung
Aufdampfen von zusätzlichem Metall auf die bereits vorhandene Elektrode während der Schwingquarz in einem Oszillator betrieben wird.
Arbeitsganganweisungen
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*Bestückung der Vorrichtung und Aufsetzen von Masken
Da der nun aufgedampfte Abgleichfleck in seiner Größe und Position die Parameter des fertigen Schwingquarzes beeinflußt, ist es wichtig diesen richtig zur Abmessung zu positionieren.
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| Sectional diagram of crystal wafer after frequency adjustment |
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| Functional diagram of frequency adjustment machine |
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*Frequenzabgleich durch Vakuumverdampfung
Metall ist wird auf den schwingenden Quarz unter Vakuum aufgedampft. Dies wird so lange fortgeführt, bis die Frequenz im Zielbereich ist. Bei Erreichen der Zielfrequenz wird das Shutter geschlossen und mit dem nächsten Quarz der Vorgang fortgesetzt. Abgleichgenauigkeiten von bis zu ±3ppm können damit erzielt warden.
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9. Schritt: Verschluss
10. Schritt: Inspektion und Prüfung
Zweck des Arbeitsganges
Zum Sicherstellen dass alle gefertigten Schwingquarze der Kundenspezifikation entsprechen.
Arbeitsgangbeschreibung
Inspektion von mechanischen und elektrischen Parametern der Schwingquarze.
Mechanische Inspektion |
| 1.Dichtheit |
Nicht hermetischer Verschluss könnte das Eindringen von Luft und Feuchtigkeit zur Folge haben, was wiederum eine schnelle Alterung der Schwingquarze zur Folge hätte. Ein Heliumdetektor wird zur Dichtheitsprüfung verwendet.
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| 2. Visuelle Inspektion |
Visuelle Inspektion wird durchgeführt um die Beschriftung, das Gehäuse und die Anschlussdrähte entsprechend der Vorgaben zu beurteilen.
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Helium-leak-detector
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| Elektrische Prüfung |
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| 1. Isolationswiderstand |
Der Isolationswiderstand wird mit einem Megaohmmeter gemessen damit unzureichende Isolation nicht zum Ausfall des Schwingquarzes führen kann.
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| 2. Co und C1 |
Diese Parameter können Frequenzänderungen im Zusammenwirken mit der Lastkapazität verursachen.Ungünstige Werte vermindern aber auch eine beabsichtigte Frequenzziehbarkeit.
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| 3. CI (Crystal Impedance) |
Die Quarzimpedanz, oder auch Widerstand , kann bei zu großen Werten zu einer Verringerung des Oszillatorausgangspegels oder gar zum Aussetzen der Schwingung führen.
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| 4. Frequenz |
Die Prüfung der Frequenz, dem wohl wichtigsten Parameter eines Schwingquarzes, wird mittels spezieller Schwingquarzmeßgeräte durchgeführt. Diese Meßgeräte haben dafür ein PI-Netzwerk entsprechend der Vorschriften durch Internationale Standards.
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| 5. Nebenwellen |
Um den Einfluß von Nebenwellen zu vermeiden werden diese mit Hilfe von Networkanalyzern gestützten Meßsystemen ausgemessen.
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| 6. Charkteristik über Arbeitstemperaturbereich |
Frequenzänderungen über den Arbeitstemperaturbereich werden mit einem automatischen Testsystem geprüft.
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Megaohmmete
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Parameter Testsystem
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Automatisches Frequenz- Temperature- Testsystem
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Technischer Service 
