這顆被日本人統治了60年的電子小器件，是怎麼被拉下神壇的？

引言

隨著封裝技術的成熟，精度的不斷提升以及價格的進一步降低，MEMS振蕩器逐步打開市場；特別是在汽車及消費電子等領域，MEMS振蕩器將會得到廣泛應用，成為石英晶振的有力挑戰者。

晶體振蕩器，習慣稱做晶振，是電子產品最常用的組件，小到手機、電腦，大到汽車、飛機、飛彈、衛星都需要晶體振蕩器，其被譽為電子設備的心臟,在電子系統中扮演關鍵角色。

傳統石英振蕩器自誕生之日起，已經統治頻率控制器件近60年。

近幾年，由於整個晶體振蕩器市場競爭激烈，價格下滑，其營收額增長幅度十分有限,2014年全球晶體振蕩器市場營收為21.5億美元，預計2015年到2020將年複合增長5％，2020達到30億美元。

數據來源：電子發燒友產業分析師整理預測

十幾年前，隨著第一顆矽MEMS振蕩器的量產，晶體振蕩器局勢逐漸注入新元素。

石英振蕩器受傳統製造工藝的限制以及下游原材料(起振電路和基座)市場的壟斷，性價比無法進一步提升。

而矽MEMS振蕩器體積更小、更可靠、功耗更低，近年來隨著封裝技術的成熟，其生產成本更是不斷降低。

MEMS振蕩器已在許多應用領域包括計算機周邊相關產品、消費電子、網通設備、通訊裝置、車用電子、以及工業產品等，開始逐漸取代傳統固定頻率或可編程輸出的石英振蕩器。

根據調研機構的分析數據，2014年全球MEMS振蕩器市場規模約為1.65億美元，預計到2020年市場規模將達15億美元，MEMS振蕩器的年複合增長率將超過50％，成為時鐘市場增長的主要推動力。

數據來源：電子發燒友產業分析師整理預測

1不可忽視的晶體振蕩器發展趨勢

1、小型化、薄片化和片式化為滿足行動電話為代表的可攜式產品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉變。

例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍。

採用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm。

2、高精度與高穩定度無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm，VCXO的頻率穩定度在10～7℃範圍內一般可達±20～100ppm，而OCXO在同一溫度範圍內頻率穩定度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。

3、低噪聲，高頻化 在GPS通信系統中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數。

OCXO主流的產品相位噪聲性能有很大改善。

除 VCXO外，其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz。

例如用於GSM等行動電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為 650～1700MHz，電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。

4、低功耗，快速啟動，低電壓工作， 低電平驅動和低電流消耗已成為一個趨勢 電源電壓一般為3.3V。

許多TCXO和VCXO產品，電流損耗不超過2mA。

石英晶體振蕩器的快速啟動技術也取得突破性進展。

例如日本精工生產的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規定值範圍條件下，頻率穩定時間小於4ms。

日本東京陶瓷公司生產的 SMD TCXO，在振蕩啟動4ms後則可達到額定值的90%。

在預熱5分鐘後，則能達到±0.01ppm的穩定度。

與傳統石英晶振相比，全矽MEMS振蕩器不管從生產工藝還是組件設計結構上，都更符合現代電子產品的標準，也是對傳統石英產品的升級換代。

如上圖示，MEMS振蕩器是由兩顆晶片組成；一個是全矽MEMS諧振器，另一個是具溫補功能之啟動電路暨鎖相環CMOS晶片；利用標準半導體晶片MCM封裝方式完成。

2

MEMS振蕩器優勢

1. 製程採用全自動化標準半導體製造流程；與生產在線人工素質無關。

與所有電子產品設計中所使用的IC一樣，具備優良的穩定性以及質量，不易在生產過程中出現人為失誤。

2. 支持頻率、精度、電壓可編程，可滿足客戶不同規格組合的晶振需求。

支持所有業界標準封裝(7050、5032、3225、2520)，無需改動PCB板，管腳完全兼容。

而且所有規格產品交貨期僅需2-4周。

3．封裝無密封問題，標準MCM封裝，防震性達石英產品的25倍，出貨不良率低於1dppm。

4．振蕩器內部起振鎖相環晶片，具備溫補功能；頻率精度相對於溫度的變化為線性關係，規格所標示的頻率精度涵蓋震動頻偏、溫度頻偏、老化頻偏等。

5．產品質量一致性乃透過設計階段完成。

與石英產品在量產階段控制質量之製造控管方式不同，系統廠商無須擔心來料與量產樣品認證之不一致性。

MEMS振蕩器從設計和工藝的角度完全杜絕了傳統石英晶振生產工藝中引起的電路不起振、停振、氣密性問題、一致性差等一系列品質問題，抗震可達50000G，徹底消除了設計人員擔心小封裝的成本和供貨的顧慮。

MEMS振蕩器將大大降低採購的風險，降低返修率，減少產品的維護的成本。

3

MEMS振蕩器的挑戰

從晶體振蕩器技術三要素：頻率、精確度、尺寸大小的橫向比較看，在頻率發展上以歐美廠商見長，由於其對無線通訊技術的領先發展，使其在設計、開發上具很強能力，但在生產效率上較低。

而日本廠商居技術領導地位，在精確度、尺寸大小上具有非常好的產品改良能力，同時能夠將其進一步予以量產、自動化生產。

我國台灣廠商，大都是直接購買原料配方、機器設備或直接購買製程，產品上市時間講求迅速，已逐步透過設備、製程能力的改善，將技術內化成自身能力並予以提升。

中國大陸生產的晶體振蕩器以低附加值的低端產品為主，而高附加值的高端產品很少。

同許多其他MEMS器件類似，雖然看似前景廣闊，但前進的道路曲折，一路困難重重，MEMS振蕩器行業也一直面臨很大的挑戰。

近年來，由於全球經濟復甦緩慢，終端需求疲弱，再加上競爭激烈導致價格不斷下滑，傳統晶體振蕩器廠商營收普遍差強人意；在市場需求不佳和產品競爭日益加劇下，盈利能力下降。

同樣MEMS振蕩器要代替石英晶體振蕩器，其價格下跌也無法阻止。

沒有足夠的利潤支撐，MEMS振蕩器廠商紛紛被併購或放棄該產品。

最早商用化的MEMS振蕩器由Discera（現屬於Microchip）於2003年所提出,之後，包括SiTime(現屬於MegaChips）、Silicon Clocks（現屬於Silicon lab）、IDT等業者陸續推出相關產品。

時至今日，SiTime以超90%的市場絕對占有率，引領著全球電子廠商全面從石英晶振轉向全矽MEMS振蕩器。

其他幾家逐漸式微甚至銷聲匿跡了。

雖然SiTime被MegaChips公司收購，但收購後業務未受影響。

SiTime目前成為MEMS振蕩器的霸主，該領域專利數達100項，築起了相當的技術壁壘。

為了快速提高MEMS振蕩器的市場滲透率，並解決客戶心中供貨來源太過集中的疑慮，SiTime也在與傳統晶體振蕩器廠商如Abracon、深圳揚興科技等展開合作，授權生產MEMS振蕩器。

小結

憑藉著優異的性能，SiTime MEMS振蕩器將會改變傳統晶振產業，提供更多功能、更高效能、更小尺寸、更低功耗、更加穩定的晶振產品。