ムラタ独自のパッケージ技術を利用したパーティクルスクリーニング手法

水晶振動子は、水晶ブランクのQ値が高いことによって任意の安定した周波数を得ることのできる電子部品です。しかしながら、Q値が高いゆえに水晶ブランクの表面上にパーティクルが付着すると、圧電特性により得られた振動は阻害され、CI特性が大きく上昇します。CI特性が上昇し、規定のCI値が得られないと発振が停止することがあります。

ここでは、水晶振動子の特性劣化を引き起こすパーティクルが付着した不良品を製造段階で確実に選別することを可能とする独自のパーティクルスクリーニング技術を紹介します。


1. 水晶振動子とは

水晶振動子とは、水晶の圧電特性を利用し、IC (マイコン) に周波数精度の高い信号を送ることが可能な電子部品です。圧電体である水晶ブランクの表裏面にはスパッタにより電極が成膜されており、表裏の電極に電界を印加することにより、ATカットでは厚みすべりモードの励振を発生することができます。水晶振動子のパッケージは、これまでシーム溶接、ガラス溶着、半田による封止など気密封止が一般的でしたが、HCR®ではセラミック基板と金属キャップを樹脂接着剤により封止する独自の樹脂封止パッケージ技術を確立しています (図1) 。

図1. HCR®の構造図


2. 水晶振動子のパーティクル問題

水晶ブランク上にパーティクルが付着すると、振動は阻害され図2のようにCI値が上昇し、発振が停止する問題が生じます。水晶振動子に対するパーティクルの影響を調査した結果、 (1) パーティクルが水晶ブランク上に付着する位置 (2) パーティクルの種類 (3) パーティクルの固着状態によりCI特性への影響が変わることがわかりました。

図2. パーティクル付着前後での特性変化

(1) パーティクルが水晶ブランク上に付着する位置による影響

水晶ブランク上へ意図的にパーティクルを付着させ、水晶ブランク上での付着位置によるCI特性への影響を調査したところ、図3のように水晶ブランクの中心部で影響が大きいことがわかりました。水晶ブランクの中心部は振動の変位量がもっとも大きく、パーティクルのような質量負荷により振動が阻害されやすい位置となります。

図3. パーティクルの搭載位置によるCI特性への影響

(2) パーティクルの種類による影響

パーティクルには人体由来や繊維屑といった有機系パーティクルや電極屑といった無機系パーティクルがあり、製造工程には少なからず存在します。そこで、有機系と無機系のパーティクルを水晶ブランク上に載せCI特性への影響を調査した結果を図4に示します。実験では無機系パーティクルによるCI値の上昇は有機系よりも小さい結果となりました。無機系パーティクルは、水晶ブランクとの接触面積が小さく、定在波が伝播しにくかったからではないかと推測されます。

図4. パーティクルの種類によるCI特性への影響

(3) パーティクルの固着状態による影響

パーティクルが水晶ブランク上に付着した際に、接触面積や固着の状態変化によりCI特性への影響が変化するか調査しました。パーティクルをそのまま載せたときと、潰して固着の状態を変えたときのCI特性への影響を調べたところ、パーティクルを潰して水晶ブランクへの接触面積を大きくするとCI値が大きく上昇することがわかりました (図5) 。有機系のパーティクルより、無機系パーティクルでCI値の変化が小さかったのは、無機系パーティクルは変形しにくく固着性の変化が小さかったためだと考えられます。無機系パーティクルでも10%ほどのCI値の変化が生じたのは、無機系パーティクル表面に微量の有機系パーティクルが図6のように付着しており、潰すことで多少接触状態が変わったからではないかと考えられます。パーティクルの固着性による水晶ブランクへの影響を調査するため、パーティクルと水晶ブランクの接触面でヤング率を変え、固着性による影響をシミュレーションしました。ヤング率とCI変化率との関係を図7に示します。ヤング率が高いものほどCI値への影響が大きいことがわかります。固着性が高まる、すなわちヤング率が高くなるにつれ、パーティクルに水晶の振動が伝わりやすくなるからだと考えられます。振動が伝わると、パーティクルの減衰項 (1/Qm) が作用するため、振動が阻害されCI値が大きくなります。 ヤング率がある程度大きくなると、振動はほぼすべてパーティクルに伝わるため、CI値はパーティクルの減衰項に依存した一定の値に近づきます。上述のようにパーティクルの影響が大きいことから、これまでの水晶振動子の製造プロセスとしては、図8のようにキャップを封止する前に過励振工程を設けています。過励振工程は、水晶ブランクに高電力の信号を印加し、水晶ブランクを励振させることで、水晶ブランク上のパーティクルを振るい落とす工程です。過励振工程は、振動の変位が大きい水晶ブランク中心部ではパーティクルを振るい落とすのに有効な手段でありますが、変位が小さいところでは、十分にはパーティクルを落としきれません。そこで、キャップ封止後には、過励振工程で除去しきれなかったパーティクルを顕在化させるため、製品を高温環境下に入れることでパーティクルを水晶ブランクに固着させる高温処理工程を設けています。

図5. パーティクルの固着状態によるCI特性への影響

図6. 無機系パーティクルの表面分析

図7. 接触面のヤング率を変化させたときの影響

図8. 工程系列


用語解説

Q値: 発振のシャープさを表す値で周波数安定性の指標となる。
パーティクル: 粒子などの微小異物。
CI: Crystal Impedance の略。水晶振動子の特性。


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