タイミングデバイス

低ノイズ化を実現した差動クロック用水晶発振器の技術に迫る

小型化と高周波化を両立させた設計技術について紹介します。

概要

　京セラは、位相ジッタ30フェムト秒（fs）という業界最高レベル^※1の低ノイズ性能を実現した差動クロック用水晶発振器「Xシリーズ」を開発しました。AI（人工知能）サーバーや次世代ネットワーク機器向けの高速・高信頼なデータ通信を支える中核デバイスとして注目される製品です。

　5Gネットワークの拡大やAIデータセンターの高速化が進む中、通信機器にはさらなる高速化と安定性の両立が求められています。特に、高速データ通信ではわずかなノイズや信号のずれがビットエラーの原因となるため、信号タイミングのばらつきを示す「位相ジッタ」の極小化が重要となります。加えて、通信速度の向上に伴い、高周波対応へのニーズも一段と高まっています。

　今回開発した製品は、こうした市場要求に応え、位相ジッタを極限まで抑えた低ノイズ性能と高周波帯域での安定動作を確保しました。さらに独自の素子設計技術による小型化も実現しました。

　つづけて、低ジッタ化に加え、小型化と高周波化を両立させた設計技術について紹介します。

※1　差動クロック用水晶発振器312.5MHzの周波数、3.3Vにおいて（2025年12月　京セラ調べ）

高周波時代を支える独自ブランク技術

　スマートフォンやAIサーバー、通信インフラの高速化を支える「水晶デバイス」。その性能を左右するのが、内部に組み込まれる極薄の水晶片（ブランク）です。周波数が高くなるほどブランクは薄くなり、例えば156.25MHzでは厚さわずか約11μmという繊細さが求められます。

　京セラは、この極薄化ニーズに応えるため、フォトリソ加工と独自の「プラズマCVM技術^※2」を原子単位での精密加工を可能とし、水晶材料にダメージを与えることなく高精度なブランクの製造を実現しました。プラズマCVM技術は、プラズマ中の中性ラジカルと表面の化学反応を利用することで、従来の機械加工では難しかった“無負荷加工”を可能にしたのが特長です。これにより、近年ますます進む高周波化に対応しつつ、品質の安定化を実現できるようになりました。

　さらにウエハ表面の微細な凹凸を高精度に測定し、プラズマを緻密に制御することで加工ばらつきを2nm以下、つまり1mmの50万分の1という驚異的なレベルまで低減させ、ウエハの均一性を飛躍的に高めることができました。この超精密加工は、あらゆる電子機器において正確な時間を刻む「水晶」本来の特性を最大限に引き出す設計・生産を可能にしたのです。

　これにより、時間信号のずれを極限まで抑える位相ジッタの極小化 ――Xシリーズの位相ジッタ30fsという業界最高レベルの低ノイズ性能を実現し、小型化と高周波化の両立という次世代通信に不可欠な高性能化に成功しました。

※2　プラズマCVM技術：京セラが大阪大学と共同開発した超高精度加工技術。CVMは、Chemical Vaporization Machining（化学的気化加工法）の略。

独自プラットフォームで長期供給を可能とする柔軟設計

　京セラが展開する水晶デバイスの安定供給を支える独自技術「プラットフォーム構造」をXシリーズにも採用しました。この構造は、水晶振動子とICを一体化した小型の「ヘッドユニット」と、ガラスエポキシ製の「ボトムベース」を組み合わせる独自設計が特長で、2016サイズの小型品から2520サイズ、3225サイズまで、幅広い製品サイズに柔軟に対応できます。

　さらに、ヘッドユニットに採用されるセラミックパッケージも自社で設計・生産し最適化することで、さらなる小型化と高性能化を実現しています。このプラットフォーム構造の強みは、先端材料を用いた高精度なヘッドユニットにあります。製品サイズのトレンド変化にも迅速に対応でき、長期にわたる安定供給を可能にする設計となっています。

　加えて、主要部材をヘッドユニットに集約したことで、サイズが異なる製品間でも共通材料の活用が可能となり、生産効率を向上させました。リードタイムの短縮にも大きく貢献しています。

　市場の変化に強い柔軟性と、供給の途切れを防ぐ設計思想－京セラのプラットフォーム構造は、次世代電子部品の安定供給を支える構造といえるでしょう。