Auf dem Markt für Quarzprodukte, besonders im kHz-Bereich, ist ein Trend ungebrochen: Nach wie vor wird einer der Hauptmärkte, mit vermutlich über 1 Milliarde produzierter Endgeräte (Handys) in 2008 die mobile Telekommunikation sein. Immer mehr Funktionen bei immer flacheren und kleineren Gehäusen erfordern eine kontinuierliche Verkleinerung der Komponenten. Hinzu kommen ein möglichst geringer Stromverbrauch und steigende Qualitätsanforderungen. Immer häufiger wird verlangt, dass die verwendeten Bauteile auch den Ansprüchen aus der Automobilindustrie entsprechen. Der daraus erwachsende Druck auf die Hersteller von piezoelektrischen Schwingern führt anscheinend zu Amplituden in zwei entgegen gesetzten Richtungen. Entweder kommt es zu Firmenzusammenschlüssen, wie bei EPSON-Toyocom oder auch bei Kyocera-Kinseki. Oder aber man konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Produkte und Fertigungstechnologien.
Innovationen im Quarzmarkt müssen nicht notwendigerweise aus Fernost kommen. Es gibt auch in Europa technologisch führende Alternativen zu den großen japanischen Herstellern auf diesem Gebiet. Neben dem Trend, immer flachere Telefone auf den Markt zu bringen, hat sich inzwischen ein neuer Markt aufgetan: der Markt für Smart Cards. Darunter versteht man Applikationen im Kreditkartenformat, die eine aktive Logik beherbergen. Dies können zum Beispiel Karten mit Authentifizierungsfunktion sein (zur Verschlüsselung). Das Problem dieser Applikationen: die bisher geforderte Bauhöhe für alle Komponenten von maximal 0,5 mm. Micro Crystal wird mit dem Quarzbaustein der Serie CC7V-T1A 0.5 erstmals in der Quarzgeschichte eine Familie vorstellen, die die gewünschten Anforderungen erfüllt. Die Entwicklung eines komplett neuen Quarzes, die Ultra Miniature Tuning Fork (UMTF, Ultra-Minaturstimmgabel), brachte hier den Durchbruch. Es hätte nämlich nicht ausgereicht, lediglich das Gehäuse des Quarzes anzupassen, um den Erfordernissen dieser Applikationen gerecht zu werden. Da die meisten der betreffenden Anwendungen batteriebetrieben sind, spielt ein möglichst niedriger Serienwiderstand, der sich direkt auf den Stromverbrauch und die Anschwingsicherheit auswirkt, die entscheidende Rolle. Mit der UMTF machen wir es möglich, einen typischen Serienwiderstand unter 60 kOhm zu erreichen. Muster dieses Produktes sind bereits erhältlich, in Serie gehen die Produkte ab Herbst dieses Jahres. Ebenfalls wird für Smart Cards gefordert, dass sie eine Biegeprüfung überstehen müssen. Das bedeutet: Die verwendeten Komponenten müssen eine extreme Biegung der Karte unbeschadet überstehen. Hier zeigen Quarze mit einem Glasverschluss einen deutlichen Nachteil, weswegen wir beim aktuellen Quarz einen Keramikverschluss verwenden.
Uneinigkeit unter den Marktbeobachtern besteht über die Größe des Smart-Card-Marktes und die Anzahl der Modelle, die einen Quarz erfordern. Aktuell spricht man von einstelligen Millionenstückzahlen. Sollte sich die aktive Smart Card auch im Bereich Kreditkarten durchsetzen, lässt sich hier schnell eine Größenordnung erreichen, die sogar den Markt der mobilen Telekommunikation übertreffen wird. Dann stellt sich nur noch die Frage, ob es sich um einen ein- oder zweistelligen Milliardenmarkt handeln wird.
Stärkster Treiber: Automotive
Immer häufiger wird gefordert, dass Komponenten funktionsfähig arbeiten innerhalb von -40 bis 85 °C. Dieser Temperaturbereich hat sich als Industriestandard etabliert. In der Automobilindustrie stellt dieser jedoch nur die Minimalforderung dar; je nach Position im Fahrzeug werden Betriebstemperaturen von -40 bis 125 °C bis hin zu -55 bis 150 °C gefordert. Hinzukommen mehr oder minder standardisierte Qualitätsnormen und Zuverlässigkeitstestverfahren, die die Komponentenhersteller zu erfüllen haben. Das Gremium „Automotive Electronics Council“ (AEC), von führenden Herstellern gegründet, hat zum Beispiel die gültige Testvorschrift AEC Q200 lanciert, die unter anderem auch für Quarze gilt. Noch gibt es sehr wenige Quarzhersteller, die ihre Produkte entsprechend dieser Richtlinie auf Zuverlässigkeit testen. Mit der Automotive-Variante des Quarzbausteins CC4 hat Micro Crystal seinerseits den ersten kHz-Quarz im Programm, der die Vorgaben des Gremiums erfüllt.
Weitere Produkte werden folgen, allerdings erfordert das Testprogramm, das die Richtlinie verlangt, einiges an Zeit und Aufwand, so dass sich bis Ende dieses Jahres voraussichtlich für unser Haus zwei weitere Produkte realisieren lassen. Generell sind wir seit diesem Jahr gemäß ISO/TS 16949 zertifiziert, um den Anforderungen der Automobilbranche gerecht zu werden. Damit haben wir alle Voraussetzungen geschaffen, auch eine kundenspezifische Zertifizierung nach dieser Norm vornehmen zu lassen.
Weiter als diese Anforderungen gehen die Erfordernisse in der Luft- und Raumfahrt. Hier kommt es auf Betriebstemperaturen von -55 bis 150 °C an, denen Bauteile standhalten müssen. Als Lösung bieten wir für dieses Umfeld unsere MHz-Oszillatoren der Reihe MCSO an, die auch darüber hinaus gehende Umweltkriterien einhalten. Wir spezifizieren hier bereits Temperaturen von -55 bis 175 °C.
Standards bei der genauen Zeitmessung
32,768-kHz-Quarze werden in der Regel immer dann gebraucht, wenn es um das Thema (Uhr-)Zeit geht. Es liegt in der Natur der Sache, dass die Genauigkeit hier einen entscheidenden Parameter darstellt. Die Quarzindustrie spezifiziert diese Genauigkeit anhand von Frequenztoleranz und Frequenz-Temperatur-Charakteristik.
Die Temperatur stellt den wichtigsten Umweltfaktor dar, wenn es um die Stabilität der Frequenz eines Quarzes geht und somit um eine möglichst minimale Zeitabweichung. Micro Crystal bietet interessante Lösungen an, wenn es darum geht, eine möglichst genaue Zeitmessung auch unter extremeren Umweltbedingungen umzusetzen. In der Regel wird für eine Echtzeituhr ein Quarz in der Frequenz von besagten 32,768 kHz verwendet. Teilt man diese Frequenz fünfzehn Mal durch zwei, erhält man genau eine Schwingung pro Sekunde. Nachteil: Das Verhalten von Quarzen mit dieser für die Zeitermittlung so praktischen Frequenz ändert sich im Hinblick auf die Temperatur. Will heißen: Bei einer unkompensierten Anwendung bei Temperaturen von -40 bis 85 °C kann es zu Abweichungen von über 90 s pro Woche kommen.
Unsere Lösung: In Zusammenarbeit mit EM Microelectronic-Marin, Tochter der Schweizer Swatch Group, entwickelten wir mit der Smart Temperature Compensation (STC) eine entsprechende Technik, die wir erstmals in die Muster einer aktuellen Familie von Real-Time-Clock(RTC)-Bausteinen einbauen werden. Erhältlich sind diese Muster zum Jahresende hin. Ein Mitglied dieser Familie, die RTC RV-3049, kommuniziert via SPI-Schnittstelle mit ihrer Umwelt. Bei diesem Verfahren misst ein integrierter Sensor die aktuelle Temperatur und kompensiert digital. Die Logik der Uhr addiert oder subtrahiert entsprechend Temperaturdrift und Grundtoleranz-Pulse. Mittels STC wird es eine werkskalibrierte Version geben, die eine maximale Abweichung von ±6 ppm über den Industrietemperaturbereich aufweist. Das entspricht einer maximalen Abweichung von knapp 3,6 s pro Woche – selbst wenn die Uhr über den kompletten Temperaturbereich von -40 bis 85 °C eingesetzt wird.
Darüber hinaus wird die Uhr auch für den erweiterten Temperaturbereich bis 125 °C spezifiziert sein, wobei die Frequenzabweiung selbst über diesen Bereich auf ±8 ppm begrenzt bleibt. Sie unterstützt somit Applikationen aus dem Automobilbereich. Die Daten des integrierten Temperatursensors lassen sich jederzeit für andere Anwendungen auslesen. Im Vergleich zu temperaturkompensierten 32-kHz-Oszillatoren (TCXOs) erreicht dieses Modell sogar eine bessere Kompensation der Frequenz-Temperaturdrift, braucht dabei mit typisch 350 nA aber nur etwa ein Zehntel bis Zwanzigstel des Stroms – dies ist insofern ein wichtiges Argument, weil ein reduzierter Stromverbrauch mittlerweile auch ein ganz heißes Thema für die Automobilindustrie ist.
Die erwähnten Beispiele zeigen einerseits entscheidende, andererseits in gewissem Sinne auch gegenläufige Trends auf dem Markt der Quarzbausteine. Ursache hierfür ist natürlich der Druck, immer höhere Produktionskapazität zur Verfügung zu stellen (was die Bereiche Mobiltelefone und Smart Cards zeigen). Dem gegenüber steht die Forderung nach stetig steigender Qualität, die eben nicht nur aus Nischenmärkten kommt, sondern auch das ungebrochene Wachstum in der Automobilelektronik bedingt. Daher gilt es, kontinuierlich an Innovationen zu arbeiten, um auf einem Markt zu bestehen, der, wie der Quarzmarkt zeigt, in der letzten Zeit vor allem durch Firmenzusammenschlüsse geprägt ist. Mit dem richtigen Mix aus Quantität und Qualität und vor allem mit der Konzentration auf Produktneuheiten wird es für ein Unternehmen auch in Zukunft möglich sein, ohne Zukäufe eine entscheidende Rolle auf dem Quarzmarkt zu spielen.
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