水晶発振器の発振周波数の調整方法、水晶発振器及びその製造方法

【課題】発振周波数の経年変化の改善が可能であって、しかも、水晶発振器全般において汎用的に適用可能な水晶発振器の発振周波数の調整方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る水晶発振器の発振周波数の調整方法は、製造された水晶発振器に対して、２水準以上の温度加速試験を実施し（ステップＳ１）、温度加速試験の結果より、周波数経年変化のモード分類、及び加速モデルの推定を行い（ステップＳ２）、モード分類が、収束モードを含むか否かを判定し（ステップＳ３）、判定の結果、収束モードを含むと判定された場合には、推定した加速モデルに基づいて、使用前加速エージングの条件を決定する（ステップＳ４）ものである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶発振器の発振周波数の調整方法、並びに前記調整方法により調整された水晶発振器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶発振器は、周波数の基準源として各種の電子機器に広く用いられている。高安定発振器として、周囲温度・電源電圧・接続負荷・経年変化等の影響による周波数変動を抑制する水晶発振器が、精力的に研究され、報告されている。
【０００３】
特許文献１においては、水晶振動子（水晶発振器）の経時変化特性を良好とする方法として、封止前に、真空中で２５０℃〜４００℃の温度領域で、１時間〜１０時間、加熱処理工程を行う方法が提案されている。
【０００４】
特許文献２においては、水晶振動子の経年変化を抑える方法として、封止前に、導電性接着材を加熱硬化する工程と、真空雰囲気中で加熱する工程を備え、さらに、封止後に３００℃で少なくとも２時間放置する加熱処理工程が提案されている。
【０００５】
特許文献３においては、表面実装型圧電デバイス（水晶発振器）に対して、個々のアニール工程における加熱処理時間を長くするのではなく、アニール処理回数を増やすとともに、アニール炉内に充満しているアウトガス成分を除去する回数を増やす方法が提案されている。これにより、導電性接着剤から発生したアウトガス成分が圧電振動素子に付着して周波数の安定性を阻害したり、水晶振動素子に内在する応力ひずみが十分に解消されずにエージング特性の不安定化を招いたりする問題を解消することができることが記載されている。
【０００６】
特許文献４においては、圧電発振器（水晶発振器）の周波数の合わせ込み精度を向上させる方法として、図１５のフローチャート図に示すような製造方法が提案されている。具体的には、ステップＳ１０１において、圧電振動片に励振電極を形成する。次いで、ステップ１０２として、圧電振動片を容器にマウントする。ステップＳ１０３として、励振電極の質量を調整して圧電振動子の周波数を調整する（第１の周波数調整工程）。その後、ステップＳ１０４として、圧電振動片がマウントされた容器を加熱処理する。続いて、ステップＳ１０５として励振電極の質量を調整して圧電振動子の周波数を調整する（第２の周波数調整工程）。最後に、ステップＳ１０６として、容器を機密に封止することにより圧電発振器を製造する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３０７３６７号公報
【特許文献２】特開２００６−５６７６号公報
【特許文献３】特開２００７−３３６３２０号公報
【特許文献４】特開２００８−１９９１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水晶発振器においては、前述したとおり、水晶発振器の周波数の経年変化を抑制する技術が極めて重要である。上記特許文献１〜４の方法によれば、水晶発振器全般において汎用的に適用可能な技術ではなかった。また、上記それぞれの文献に開示された特有の構成においても、水晶振動子等を構成する部材の種類等によって最適条件は変動し得るものであり、発振周波数の最適化が図られているとは言えなかった。
【０００９】
本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発振周波数の経年変化の改善が可能であって、しかも、水晶発振器全般において汎用的に適用可能な水晶発振器の発振周波数の調整方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る水晶発振器の発振周波数の調整方法は、水晶発振器の発振周波数の調整方法であって、製造された水晶発振器に対して、２水準以上の温度加速試験を実施し、前記温度加速試験の結果より、周波数経年変化のモード分類、及び加速モデルの推定を行い、前記モード分類が、収束モードを含むか否かを判定し、前記判定の結果、収束モードを含むと判定された場合には、推定した前記加速モデルに基づいて、使用前加速エージングの条件を決定するものである。
【００１１】
本発明に係る水晶発振器の製造方法は、基板に水晶振動素子を支持固定する工程と、前記水晶振動素子を封止する工程と、上記態様の水晶発振器の発振周波数の調整方法により決定された前記使用前加速エージングの条件に基づいて加熱処理を実施する工程とを備えるものである。
【００１２】
本発明に係る水晶発振器は、上記態様の水晶発振器の製造方法により製造されたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発振周波数の経年変化の改善が可能であって、しかも、水晶発振器全般において汎用的に適用可能な水晶発振器の発振周波数の調整方法を提供することができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１に係る水晶発振器の発振周波数の調整方法のフローチャート図。
【図２】実施形態１に係る水晶発振器の模式的断面図。
【図３】『収束／減少モード』の経年変化の一例を示すグラフ。
【図４】『収束／減少モード』の加速モデルの一例を示すグラフ。
【図５】『収束／増加モード』の経年変化の一例を示すグラフ。
【図６】『収束／増加モード』の加速モデルの一例を示すグラフ。
【図７】『単調／減少モード』の経年変化の一例を示すグラフ。
【図８】『単調／減少モード』の加速モデルの一例を示すグラフ。
【図９】『単調／増加モード』の経年変化の一例を示すグラフ。
【図１０】『単調／増加モード』の加速モデルの一例を示すグラフ。
【図１１】実施形態１に係る温度加速試験結果の数値例を示すグラフ。
【図１２】実施形態１に係る加速モデルの推定結果の数値例を示すグラフ。
【図１３】実施形態１に係る使用前加速エージング特性の数値例を示すグラフ。
【図１４】実施形態１に係る使用前加速エージングの効果を示す数値例を示すグラフ。
【図１５】特許文献４に記載の圧電発振器に係る製造方法を示すフローチャート図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。
［実施形態１］
本実施形態１に係る水晶発振器の発振周波数の調整方法を図１のフローチャート図を参照しつつ説明する。本実施形態１に係る水晶発振器の発振周波数の調整方法は、図１に示すように、少なくとも以下のステップＳ１〜Ｓ４の工程を備える。
【００１６】
ステップＳ１において、製造された完成品である水晶発振器に対し、２水準以上の温度加速試験を実施する。本実施形態１に適用可能な水晶発振器は、その種類を問わず、無線通信装置等に適用される水晶発振器全般に適用可能である。図２に、水晶発振器１００の一例（特開２００４−３６３７３５号公報）の断面図を示す。
【００１７】
水晶発振器１００は、機能主要部として立体配線基板１と、ベース基板３と、水晶振動素子４と、制御ＩＣ５とを有している。立体配線基板１は、制御ＩＣ５を実装する内面側に信号配線パターン２が形成されている。この信号配線パターン２は、立体配線基板１の前記内面側に金属を全面塗布し、エッチング等により金属の配線パターン２を形成する。このようにして信号配線パターン２が形成された立体配線基板１に、制御ＩＣ５をバンプ１０によるバンプ接続により実装する。
【００１８】
ベース基板３には、水晶振動素子４を導電性接着剤１１により機械的に固定する。導電性接着剤１１により接着することで、水晶振動素子４とベース基板３とが電気的に接続される。
【００１９】
水晶振動素子４が実装されたベース基板３と、制御ＩＣ５が実装された立体配線基板１とは、半田付け、導電性接着剤、超音波などの手法によって接続され、立体配線基板１とベース基板３とで形成される内部空間が外気を遮断されるように接続される。この時、立体配線基板１に形成された信号配線パターン２とベース基板３の上面に設けられたパット６とが電気的に接続され、制御ＩＣ５からの信号がパット６、ＩＯ端子１２を介して外部に出力される。立体配線基板１とベース基板３とで形成される内部空間は、真空、又は不活性ガスで充填されている。
【００２０】
なお、本発明に係る水晶発振器の発振周波数の調整方法は、前述したとおり、水晶発振器の構成によらずに水晶発振器全般に対して適用可能である。従って、水晶発振器１００の構造や構成部材は、一例であって、必須構成要素ではないことは言うまでもない。
【００２１】
完成された水晶発振器１００に対し、前述した通り、２水準以上の温度加速試験を実施する。換言すると、少なくとも２以上の温度条件において、加速試験をそれぞれ実施する。ここで、２水準以上の温度加速試験を実施する理由は、温度条件に対する加速モデル（故障時間の関数）を推定するためである。かかる観点より、温度加速試験は、多水準で行うことが好ましい。
【００２２】
ステップＳ２において、温度加速試験の結果より、周波数経年変化のモード分類、及び加速モデルの推定を行う。周波数経年変化のモード分類として、表１のモードを挙げることができる。
【表１】

【００２３】
本実施形態１においては、ステップＳ１の温度加速試験の結果に基づき、表１に示す４つのモード、若しくはこれらの複合型に分類する。そして、得られた温度加速試験結果に基づいて加速モデルを推定する。
【００２４】
（１）収束／減少モードの場合の、温度加速試験の典型的な一例を図３に示す。図３中の横軸は、時間（Ｈ）であり、縦軸は、周波数変化量（ｐｐｍ）を示している。また、図４に、試験温度に対して、周波数変化量が１０ｐｐｍ変動したときの周波数変動時間をプロットしたものを示す。図４においては、１０℃２倍速に従った例となっている。
【００２５】
（１）収束／減少モードにおいては、周波数の減少が時間経過とともに収束し、その後一定となる。このモードは、周波数の減少発現期が使用後の初期段階にある。このモードは、水晶素板接着部等からのアウトガスの発生、若しくは、電極部、水晶素板接着部等より水晶素板に加えられた応力の変動により振動モードが抑制された場合等に発生すると考えられる。
【００２６】
（２）収束／増加モードの場合の、温度加速試験の典型的な一例を図５に示す。図５中の横軸は、時間（Ｈ）であり、縦軸は、周波数変化量（ｐｐｍ）を示している。また、図６に、試験温度に対して、周波数変化量が１０ｐｐｍ変動したときの周波数変動時間をプロットしたものを示す。図６においては、１０℃２倍速に従った例となっている。
【００２７】
（２）収束／増加モードにおいては、周波数の増加が時間経過とともに収束し、その後一定となる。このモードは、周波数の増加発現期が使用後の初期段階にある。このモードは、電極部、水晶素板接着部等より水晶素板に加えられた応力の変動により振動モードが開放された場合に発生すると考えられる。
【００２８】
（３）単調／減少モードの場合の、温度加速試験の典型的な一例を図７に示す。図７中の横軸は、時間（Ｈ）であり、縦軸は、周波数変化量（ｐｐｍ）を示している。また、図８に、試験温度に対して、周波数変化量が１０ｐｐｍ変動したときの周波数変動時間をプロットしたものを示す。図８においては、１０℃２倍速に従った例となっている。
【００２９】
（３）単調／減少モードにおいては、時間経過とともに出力周波数が単調減少する。このモードは、周波数の減少発現期が使用後、ある程度の期間が経過してからのことが多い。このモードは、気密封止パッケージ内への外気進入、電極部の化学変化等により振動モードが抑制された場合に発生すると考えられる。
【００３０】
（４）単調／増加モードの場合の、温度加速試験の典型的な一例を図９に示す。図９中の横軸は、時間（Ｈ）であり、縦軸は、周波数変化量（ｐｐｍ）を示している。また、図１０に、試験温度に対して、周波数変化量が１０ｐｐｍ変動したときの周波数変動時間をプロットしたものを示す。図１０においては、１０℃２倍速に従った例となっている。
【００３１】
（４）単調／増加モードにおいては、時間経過とともに出力周波数が単調増加する。このモードは、比較対象用として示したが、長期的には様々な要因により振動モードが抑制されるため、単調／増加モードは現実的でない。
【００３２】
ステップＳ３において、モード分類が、収束モードを含むか否かを判定する。ここで、収束モードを含むと判定された場合には、ステップＳ４に進む。一方、収束モードが含まれないと判定された場合には、水晶発振器の完成後の使用前加速エージングによる発振周波数の調整の必要がないと判定し、ステップＳ４をスキップして終了する。なお、ステップＳ３において、「モード分類が、収束モードを含む」とは、モード分類が収束モードのみに帰属される（１）収束／減少モード、（２）収束／増加モードの場合の他、収束モードと他のモードが含まれた複合型の場合も含む。例えば、上記（１）収束／減少モードと（３）単調／減少モードの複合型モードの場合等を含む。
【００３３】
ステップＳ４において、前述のステップＳ２において推定した加速モデルに基づいて、使用前加速エージングの条件を決定する。使用前に、使用前加速エージングを実施することにより、収束モードによる周波数経年変化を除去する。これにより、経年変化を改善することができる。使用前加速エージングの条件（温度、時間）は、実施した多水準の温度加速試験を基に決定する。
【００３４】
上記水晶発振器の発振周波数の調整方法は、水晶発振器の構造や構成する部材等の変更を行った際には、新たに実施する。完成した水晶発振器に対し、上記ステップＳ４により決定した使用前加速エージングの条件（温度、時間）に基づいて、加熱処理を実施する。これにより、周波数経年変化の収束モード成分を除去することができる。
【００３５】
次に、数値例を用いて、本実施形態１の効果を検証する。まず、３水準（Ｔａ＝８０℃、１００℃、１２０℃）の温度加速試験を行う（ステップＳ１）。そして、図１１に示すように、加速試験時間に対し、周波数変化をプロットする。図１１の例においては、Ｔａ＝１２０℃の場合、加速試験実施後５０時間までは＋１０ｐｐｍの周波数増加がみられる。その後、２００時間まではほぼ変化がなく、２００時間以降は、６ｐｐｍ程度の周波数減少がみられる。
【００３６】
次に、表１のモード分類及び加速モデルの推定を行う（ステップＳ２）。図１１の例においては、（１）収束／増加モードと（３）単調／減少モードの複合型と推定される。図１１の例において、試験温度に対して出力周波数が＋１０ｐｐｍとなる時間をプロットしたものを図１２に示す。図１２の加速モデルにおいては、１０℃３倍則が成立している。
【００３７】
次に、収束モードを含むか否かを判定する（ステップＳ３）。ここでは、前述したとおり、（１）収束／増加モードと（３）単調／減少モードの複合型であるので、ステップＳ４に進む。図１１の例においては、使用前加速エージングを＜１＞Ｔａ＝８０℃、４０５０時間、＜２＞Ｔａ＝１００℃、４５０時間、＜３＞Ｔａ＝１２０℃、５０時間等の条件にて実施すれば、経年変化＋１０ｐｐｍの（１）収束／増加モードを除去できる可能性がある。ここでは、短時間で実施する観点から、＜３＞Ｔａ＝１２０℃、５０時間に条件を設定する。
【００３８】
上記のようにして決定された使用前加速エージングの条件に基づき、完成品である水晶発振器に使用前加速エージングを実施する。図１３に、完成品である水晶発振器に対し、使用前加速エージングを実施した際の実施時間に対する周波数変化をプロットした図を示す。なお、図１３においては、使用前加速エージングを実施した後の出力周波数を基準（Δｆ＝０ｐｐｍ）としている。
【００３９】
図１４に、本実施形態１に係る使用前加速エージングを実施した後の使用環境Ｔａ＝６０℃における経年変化の推定値を示す。また、比較例として、使用前加速エージングを未実施とした場合の使用環境Ｔａ＝６０℃における経年変化の推定値を示す。
【００４０】
使用前加速エージングを行わない比較例の場合、図１４の例においては、収束／増加モードの影響により約２０，０００時間（約２．３年）にて＋１０ｐｐｍ程度の周波数増加が発生する。一方、使用前加速エージングを実施した場合、図１４の例においては、（１）収束／増加モードの影響が除去されているため、１００，０００時間（１１．４年）以上にわたってほぼ平坦な経年変化となる。図１４の例においては、使用前加速エージングにより除去できない（３）単調／減少モードの影響により３ｐｐｍ程度の周波数減少がみられるものの、比較例に係る使用前加速エージング未実施の場合に比して、経年変化改善の効果は明らかである。
【００４１】
水晶発振器においては、前述したとおり、水晶発振器の周波数の経年変化を抑制する技術が極めて重要である。従来例においては、加熱処理工程を経験的に行っている面があり、最適化が図られているとは言い難かった。本実施形態１によれば、個々の水晶発振器に応じた加速モデルを推定することにより、周波数の経年変化をさらに改善することができる。従って、最適条件を設定することが可能となる。これにより、必要以上に加熱温度を高めに設定したり、加熱時間を長く設定したりする必要がない。これにより、省エネルギー化を図ることも可能となる。
【００４２】
また、本実施形態１によれば、水晶発振器の出力周波数の経年変化及びその改善の可能性を簡便に検討することができるという優れた効果を有する。さらに、完成した水晶発振器に対して、使用前加速エージングを実施すればよいので、製造メーカ側で実施する場合のほか、ユーザ側において実施することも可能である。また、水晶発振器の完成品に対して行うため、既存の製造工程を変更することなく、使用前加速エージングを追加するだけでよい。従って、製造設備の新たな設置が不要である。
【００４３】
また、加速モデルを推定することにより、数年にわたる長期の経年変化の予測が可能となる。これにより、ニーズや用途に応じた水晶発振器の構造、若しくは構成する部材を選定することも可能となる。
【００４４】
［実施形態２］
次に、上記実施形態１とは異なる水晶発振器の製造方法の一例について説明する。本実施形態２に係る水晶発振器の発振周波数の調整方法は、上記実施形態１と同様である。但し、上記実施形態１においては、製造工程後の完成品に使用前加速エージングを実施していたのに対し、本実施形態２においては、製造工程中の水晶発振器に対して使用前加速エージングを実施する点において相違する。
【００４５】
本実施形態２においては、上記実施形態１の水晶発振器の調整方法に基づいて決定された使用前加速エージング条件を、完成前の製造工程中の水晶発振器に対して実施する。本実施形態２においては、上記特許文献４のように、封止前に加熱処理工程を行い、その加熱処理工程において、上述の方法で決定された使用前加速エージング条件にて加熱処理を実施する。
【００４６】
本実施形態２に係る水晶発振器の製造方法によれば、上記実施形態１と同様の水晶発振器の発振周波数の調整方法を適用しているので、上記実施形態１と同様の効果が得られる。また、完成前の製造工程中に、使用前加速エージングを実施することにより、完成した段階で、周波数経年変化が改善された製品を得ることができる。また、封止前に、水晶素板接着部等からのアウトガス除去及び電極部、水晶素板接着部等より水晶素板に加えられた応力除去作用のための加熱処理工程等と同時に実施すれば、製造工程の効率化を図ることができる。
【００４７】
なお、上記実施形態１及び２においては、周波数経年変化のモード分類として表１の４つのモードを挙げたが、上記モードに限定されるものではない。また、上記実施形態１及び２においては、加熱処理工程として、使用前加速エージング条件にて加熱処理を実施する例を述べたが、製造工程中に、上述の条件以外の加熱処理工程を実施することを排除するものではない。言い換えると、発振周波数の経年変化を改善するための加熱処理工程以外の目的の加熱処理工程等を適宜行うことを排除するものではない。
【００４８】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
１立体配線基板
２信号配線パターン
３ベース基板
４水晶振動子
５制御ＩＣ
６パッド
１１導電性接着剤
１２ＩＯ端子
１００水晶発振器

【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶発振器の発振周波数の調整方法であって、
製造された水晶発振器に対して、２水準以上の温度加速試験を実施し、
前記温度加速試験の結果より、周波数経年変化のモード分類、及び加速モデルの推定を行い、
前記モード分類が、収束モードを含むか否かを判定し、
前記判定の結果、収束モードを含むと判定された場合には、推定した前記加速モデルに基づいて、使用前加速エージングの条件を決定する水晶発振器の発振周波数の調整方法。
【請求項２】
前記使用前加速エージングの温度は、前記温度加速試験の試験温度のいずれかとし、前記使用前加速エージングの時間は、当該試験温度における収束時間を適用することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器の製造方法。
【請求項３】
基板に水晶振動素子を支持固定する工程と、
前記水晶振動素子を封止する工程と、
請求項１又は２に記載の水晶発振器の発振周波数の調整方法により決定された前記使用前加速エージング条件に基づいて加熱処理を実施する工程とを備える水晶発振器の製造方法。
【請求項４】
前記加熱処理は、完成された水晶発振器に対して行うことを特徴とする請求項３に記載の水晶発振器の製造方法。
【請求項５】
前記加熱処理は、完成前の製造工程中の水晶発振器に対して行うことを特徴とする請求項３に記載の水晶発振器の製造方法。
【請求項６】
請求項３〜５の水晶発振器の製造方法により製造された水晶発振器。

【図１】