水晶振動子・経年変化はなぜ起こる？

経年変化/エージングの規格について、数ppm/年で規定されているが、5年、10年後の周波数変化は規格の5倍、10倍で単純な掛け算になるのか？といったご質問がよく耳に入ります。

例えば、エージングが5ppm/年の時、10年エージングは
5ppm/年×10年　⇒　50ppm??

確かに、数ppm/年　だけでは数年後の変化量が分からないですね。結論から申し上げますと、単純な掛け算ではありません！周波数変化量は年数が経つにつれて収束していきますので、最終的にはほとんど変化が起こらなくなります。この仕組みをご説明しましょう。

経年変化はなぜ起こるのでしょうか？

一般的に水晶振動子の経年変化の原因は
①アウトガス
⓶ひずみ
によるものと考えられます。

最も支配的なのが①の接着剤によるアウトガスです。アウトガスの影響で周波数が変化します。PKGや水晶チップのひずみによる影響もありますが、ひずみについてはベーキング等の熱処理の工程で平準化され、エージングにはそれほど影響を与えません。

以下の図は一般的は水晶振動子のエージング特性（85℃）を示したグラフになります。縦軸が周波数偏差（ppm）、横軸が時間（Hour）になります。85℃恒温槽に入れ加速度試験を行い、時間が経つにつれて周波数がどのように変化するかを示したグラフになります。

上記でも説明したように周波数経年変化はアウトガスによる影響が最も大きな要因となります。
ではなぜアウトガスが周波数に影響を与えるのでしょうか？

まず水晶の特徴として『質量負荷』という特性があります。
簡単に説明しますと、水晶（チップ）に負荷される質量（重さ）によって周波数が変化するというものです。負荷される質量が重ければ重いほどチップにかかる負荷が大きくなりますので周波数はどんどん低くなる、といった現象になります。

この『質量負荷』という特性が周波数経年変化に関係してきます。
水晶振動子はもちろん水晶デバイス全般で、PKG内の水晶チップとPKGを結合/つなげる部分は接着剤を用います。接着剤で水晶チップをPKGにマウント（結合）した後、接着剤の乾燥や、製品とにしてのアニール（熱処理）等でガス抜きは行われますが、全てが放出されるわけではなく、リッドで蓋をした後も水晶振動子内で接着剤からのアウトガスは微小ながら放出されています。

この放出されたアウトガス粒子が水晶チップ上に付着することで、質量負荷の特性から周波数が徐々に下がり始めます。アウトガス粒子が水晶チップ上に降り積もっていくと周波数は下がり続けますが、PKG内でアウトガス粒子が飽和状態になると、周波数の低下は収束してほとんど変化がなくなります。

周波数経年変化のメカニズムは理解していただけたでしょうか。
結果、周波数は低下しますが、ある地点で飽和状態となり周波数の低下は収束してほとんど変化しなくなります。

したがいまして、最初の質問で、経年変化で数ppm/年で5年、10年後は単純な掛け算ではないということが分かっていただけたかと思います。

昨今の小型化で経年変化の影響は大きくなってきております。PKGの大きさで経年変化量は変わってきますので、仕様で明記されることがあまりない5年後、10年後、等の変化量で検討が必要な場合は、都度メーカ様に確認する必要がございます。