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什么是宇宙开发用晶体振荡器?
1. 关于电子设备在宇宙空间中的影响
人造卫星等在宇宙中使用电子设备时，必须承受辐射影响和剧烈的温度变化等极其严苛的使用环境。一旦发生故障，将无法维修，会造成j巨大的费用损失（例如HⅡ-A火箭发射费用：约100亿日元，人造卫星制造费用：数百亿日元），甚至人造卫星本身会成为太空垃圾（space debris）等，带来严重影响（参见图1）。因此，用于宇宙的元器件必须具备极高的可靠性。
图1. 宇宙环境对航天器的影响示意图（框内红字为设计时考虑的项目）
2. 对宇宙用元器件的要求
对宇宙用元器件的一般要求如下：
・ 气密封装
・ 高抗振性
・ 排放气体和可燃性控制
・ 长期可靠性
・ 抗辐射性
・ 批次保证试验
・ 批次级可追溯性
3. 宇宙用晶体振荡器的可靠性保证方针
作为人造卫星搭载用晶体振荡器，我们在设计及质量管理中纳入了以下四个要点，以满足宇宙用元器件的要求，并确保高可靠性：
(1) 在搭载元器件等级上确保可靠性
(2) 具备耐环境性能的振荡器结构
(3) 实施严格的工序管理（在各工序进行确认与检验）
(4) 实施筛选及批次保证的质量确认试验
（适用《宇宙开发用可靠性保证混合集成电路通用规范书》：JAXA-QTS-2020）
以下对各项进行说明。
(1) 在搭载元器件等级上确保可靠性
通过用元器件等级来保证可靠性的JAXA认证元器件和MIL认证元器件（Space grade），或采用进行过和MIL认证元器件同等质量确认试验的元器件，来确保晶体振荡器的可靠性。
尤其在抗辐射性（SEE及TID）(*1)方面，半导体元器件采用已保证一定水平以上抗辐射性的半导体；晶体谐振器则使用与JAXA认证宇宙用晶体谐振器相同的高品质晶体原石切割出的晶片。
此外，也会在质量确认试验中对晶体振荡器实施辐射耐受试验（TID），以确保品质。
| (*1)抗辐射性 | |
| a) SEE（单粒子效应） | |
| 高能粒子单发射入半导体器件，由其电离作用引起的影响。故障模式包括SEL（单粒子闩锁：瞬时故障、比特翻转等）以及SEU（单粒子翻转：永久性故障）。 | |
| b) TID: TID（总剂量效应） | |
| 大量低能粒子射入半导体器件，由电离作用逐渐导致器件劣化，如漏电流增加、阈值电压变化等。 | |
(2) 具备耐环境性能的晶体振荡器结构
本晶体振荡器的一个显著要求是宽范围的工作温度。当低温与高温交替作用于晶体振荡器时，特别是元器件焊接部位可能因热应力而引起焊锡劣化，这令人担忧。
因此，对于部分体积较大的有源器件，采用粘合剂固定及键合线连接而非焊接，以减少热应力影响。而被动元器件因尺寸较小，则采用已有宇宙使用实绩的焊料进行安装。
晶体谐振器采用封装好的晶体谐振器进行双重密封结构，既确保晶体谐振器自身的耐环境性能，又提升了晶体振荡器整体性能。封装方面，为了在火箭发射时分散振动与冲击，采用多引脚结构。
这些均是已有宇宙应用实绩的结构，通过采用这些措施来确保结构方面的品质。（参见图2）
图2. 振荡器结构图
(3) 实施严格的工序管理（在每道工序进行确认与检查）
如ISO9001（品质管理体系）那般，制定宇宙开发用通用元器件等一般共通规格书（jaaxa - qts -2000）为基准的质量保证计划书，通过切实运用来管理工程品质。
(4) 实施筛选及批次保证的质量确认试验
适用符合 MIL-STD-883 的 JAXA规范（JAXA-QTS-2020）。
a) 筛选
为剔除初期不良，作为筛选措施，对表1所示项目实施全数检查。
Table 1 筛选
| 顺序 | 测试项目 | 测试方法/条件 (*2) |
| 1 | 稳定烘烤 | 1008 条件C（150°C，24小时）(*3) |
| 2 | 热循环试验 | 1010 条件C |
| 3 | 机械冲击试验 | 2002 条件B，仅Y1方向 |
| 4 | 外观检查 | |
| 5 | 粒子碰撞噪声检测试验 | 2020 条件A |
| 6 | 序列编号 | |
| 7 | 射线透视检验 | 2012 Y1与X2方向 |
| 8 | 中间点电气参数测试 （老化前，组别 A，子组 1） |
频率、功耗、电压波形等 |
| 9 | 老化试验 | 1015（240小时，+125°C） |
| 10 | 中间点电气参数测试 （老化后，组别 A，子组1） |
频率、功耗、电压波形等（老化后，组别 A，子组 1） |
| 11 | 频率老化 | 适用 MIL-PRF-55310 4.8.35.1 +70°C，32天 |
| 12 | 密封性测试 | 1014 |
| 13 | 最终电气参数测试 1) 25°C（组别 A，子组 1） 2) 最高与最低工作温度（组别 A，子组 2, 3） |
频率、功耗、电压波形等 |
| 14 | 外观最终检查 | 2009 |
(*2) 四位数字表示 MIL-STD-883 的试验方法编号。
(*3) 稳定化烘烤在工序内检验中实施，在筛选中省略。
b) 为批次保证而进行的质量确认试验
为保证批次层级的质量，作为质量确认试验，对表2所示项目进行抽样试验。
表2 质量确认试验
| 组别 | ● | 测试项目 | 测试方法(*4) | 测试条件 |
| A | 1 | 电气特性检查（常温） | - | 频率、功耗、输出波形等 |
| 2 | 电气特性检查（低温） | |||
| 3 | 电气特性检查（高温） | |||
| B | 1 | 尺寸检查 | 2016 | |
| 引脚强度测试 | 2004 | 条件B | ||
| 密封性测试 | 1014 | 条件A2和C1 | ||
| 内部水汽含量检查 | 1018 | |||
| 2 | 溶剂耐受性试验 | 2015 | 溶剂a | |
| 内部目视与机械检查 | 2013, 2014 | |||
| 键合强度测试 | 2011 | 条件C或条件D | ||
| 芯片剥离强度测试 | 2019 | |||
| 3 | 可焊性测试 | 2003 | +245℃±5℃ | |
| C | 1 | 稳态工作寿命试验 | 1005 | +125℃ 1,000小时 |
| 终点电气参数测试 | - | Group A测试 子组1、2、3 | ||
| 2 | 外观检查 | - | 按照试验方法2009的检验标准 | |
| 热循环试验 | 1010 | 条件C 100循环 | ||
| 冲击试验 | 2002 | 条件B | ||
| 振动试验 | 2007 | 条件A | ||
| 密封性测试 | 1014 | 条件A2和C1 | ||
| 粒子碰撞噪声试验 | 2020 | |||
| 外部外观检查 | - | 按照试验方法2009的检验标准 | ||
| 终点电气参数测试 | - | 组别 A测试 子组1、2、3 | ||
| 3 | 静电破坏试验 | 3015 | ||
| 终点电气参数测试 | - | 组别 A测试 子组1 | ||
| D | 1 | 热冲击试验 | 1011 | 条件B 15循环 |
| 耐湿性试验 | 1004 | |||
| 密封性试验 | 1014 | 条件A2和C1 | ||
| 外观检查 | - | 试验方法1010或1011所规定的检验标准 | ||
| E | 1 | 抗辐射试验 | 1019 | |
| 终点电气参数测试 | - | 组别 A测试 子组1 |
(*4)四位数字表示 MIL-STD-883 的试验方法编号。
如上所述，通过在元器件、结构、工序管理及保证试验各方面实施质量管理，确保了作为卫星搭载用振荡器的高可靠性。
由此，本产品符合《宇宙开发用可靠性保证混合集成电路通用规范书 JAXA-QTS-2020》，并已取得日本国立研究开发法人宇宙航空研究开发机构（JAXA）的认证。宇宙用振荡器的外观如图3所示，其电气特性见表3。
图3 宇宙用振荡器外观（15.8 × 15.0 × 3.5 mm）
表3 电气性能
| 频率范围 | 41 ～ 100 MHz |
| 电源电压 | DC +3.3 V ± 5 % |
| 频率公差 | ± 15 ppm |
| 频率/温度特性 | ± 50 ppm |
| 功耗 | 40 mA max. |
| 输出电平 | ACMOS |
| 长期频率稳定度 | ±3 ppm/年（第1年）、±1.5 ppm/年（第2年及以后） |
| 工作温度范围 | -45 ～ +125 ℃ |
4. 总结
未来我们将考虑根据需求扩大频率范围并增加封装类型。同时，还将把本设计中确立的结构与质量控制方法应用到其他市场的高可靠性产品中。