这颗被日本人统治了60年的电子小器件,是怎么被拉下神坛的?

引言

随着封装技术的成熟,精度的不断提升以及价格的进一步降低,MEMS振荡器逐步打开市场;特别是在汽车及消费电子等领域,MEMS振荡器将会得到广泛应用,成为石英晶振的有力挑战者。

晶体振荡器,习惯称做晶振,是电子产品最常用的组件,小到手机、电脑,大到汽车、飞机、导弹、卫星都需要晶体振荡器,其被誉为电子设备的心脏,在电子系统中扮演关键角色。

传统石英振荡器自诞生之日起,已经统治频率控制器件近60年。近几年,由于整个晶体振荡器市场竞争激烈,价格下滑,其营收额增长幅度十分有限,2014年全球晶体振荡器市场营收为21.5亿美元,预计2015年到2020将年复合增长5%,2020达到30亿美元。

数据来源:电子发烧友产业分析师整理预测

十几年前,随着第一颗硅MEMS振荡器的量产,晶体振荡器局势逐渐注入新元素。石英振荡器受传统制造工艺的限制以及下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断,性价比无法进一步提升。而硅MEMS振荡器体积更小、更可靠、功耗更低,近年来随着封装技术的成熟,其生产成本更是不断降低。

MEMS振荡器已在许多应用领域包括计算机周边相关产品、消费电子、网通设备、通讯装置、车用电子、以及工业产品等,开始逐渐取代传统固定频率或可编程输出的石英振荡器。

根据调研机构的分析数据,2014年全球MEMS振荡器市场规模约为1.65亿美元,预计到2020年市场规模将达15亿美元,MEMS振荡器的年复合增长率将超过50%,成为时钟市场增长的主要推动力。

数据来源:电子发烧友产业分析师整理预测

1不可忽视的晶体振荡器发展趋势

1、小型化、薄片化和片式化  为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求,石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如TCXO这类器件的体积缩小了30~100倍。采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm。

2、高精度与高稳定度   无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm,VCXO的频率稳定度在10~7℃范围内一般可达±20~100ppm,而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001~5ppm,VCXO控制在±25ppm以下。

3、低噪声,高频化  在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的,相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。OCXO主流的产品相位噪声性能有很大改善。除 VCXO外,其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器,其频率为 650~1700MHz,电源电压2.2~3.3V,工作电流8~10mA。

4、低功耗,快速启动,低电压工作, 低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势  电源电压一般为3.3V。许多TCXO和VCXO产品,电流损耗不超过2mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG—2320SC型VCXO,在±0.1ppm规定值范围条件下,频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的 SMD TCXO,在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。在预热5分钟后,则能达到±0.01ppm的稳定度。

与传统石英晶振相比,全硅MEMS振荡器不管从生产工艺还是组件设计结构上,都更符合现代电子产品的标准,也是对传统石英产品的升级换代。

如上图示,MEMS振荡器是由两颗芯片组成;一个是全硅MEMS谐振器,另一个是具温补功能之启动电路暨锁相环CMOS芯片;利用标准半导体芯片MCM封装方式完成。

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MEMS振荡器优势

1. 制程采用全自动化标准半导体制造流程;与生产在线人工素质无关。与所有电子产品设计中所使用的IC一样,具备优良的稳定性以及质量,不易在生产过程中出现人为失误。

2. 支持频率、精度、电压可编程,可满足客户不同规格组合的晶振需求。支持所有业界标准封装(7050、5032、3225、2520),无需改动PCB板,管脚完全兼容。而且所有规格产品交货期仅需2-4周。

3.封装无密封问题,标准MCM封装,防震性达石英产品的25倍,出货不良率低于1dppm。

4.振荡器内部起振锁相环芯片,具备温补功能;频率精度相对于温度的变化为线性关系,规格所标示的频率精度涵盖震动频偏、温度频偏、老化频偏等。

5.产品质量一致性乃透过设计阶段完成。与石英产品在量产阶段控制质量之制造控管方式不同,系统厂商无须担心来料与量产样品认证之不一致性。

MEMS振荡器从设计和工艺的角度完全杜绝了传统石英晶振生产工艺中引起的电路不起振、停振、气密性问题、一致性差等一系列品质问题,抗震可达50000G,彻底消除了设计人员担心小封装的成本和供货的顾虑。 MEMS振荡器将大大降低采购的风险,降低返修率,减少产品的维护的成本。

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MEMS振荡器的挑战

从晶体振荡器技术三要素:频率、精确度、尺寸大小的橫向比较看,在频率发展上以欧美厂商见长,由于其对无线通讯技术的领先发展,使其在设计、开发上具很强能力,但在生产效率上较低。而日本厂商居技术领导地位,在精确度、尺寸大小上具有非常好的产品改良能力,同时能够将其进一步予以量产、自动化生产。

我国台湾厂商,大都是直接购买原料配方、机器设备或直接购买制程,产品上市时间讲求迅速,已逐步透过设备、制程能力的改善,将技术內化成自身能力并予以提升。中国大陆生产的晶体振荡器以低附加值的低端产品为主,而高附加值的高端产品很少。同许多其他MEMS器件类似,虽然看似前景广阔,但前进的道路曲折,一路困难重重,MEMS振荡器行业也一直面临很大的挑战。

近年来,由于全球经济复苏缓慢,终端需求疲弱,再加上竞争激烈导致价格不断下滑,传统晶体振荡器厂商营收普遍差强人意;在市场需求不佳和产品竞争日益加剧下,盈利能力下降。同样MEMS振荡器要代替石英晶体振荡器,其价格下跌也无法阻止。没有足够的利润支撑,MEMS振荡器厂商纷纷被并购或放弃该产品。

最早商用化的MEMS振荡器由Discera(现属于Microchip)于2003年所提出,之后,包括SiTime(现属于MegaChips)、Silicon Clocks(现属于Silicon lab)、IDT等业者陆续推出相关产品。时至今日,SiTime以超90%的市场绝对占有率,引领着全球电子厂商全面从石英晶振转向全硅MEMS振荡器。其他几家逐渐式微甚至销声匿迹了。

虽然SiTime被MegaChips公司收购,但收购后业务未受影响。SiTime目前成为MEMS振荡器的霸主,该领域专利数达100项,筑起了相当的技术壁垒。

为了快速提高MEMS振荡器的市场渗透率,并解決客户心中供货来源太过集中的疑虑,SiTime也在与传统晶体振荡器厂商如Abracon、深圳扬兴科技等展开合作,授权生产MEMS振荡器。

小结

凭借着优异的性能,SiTime MEMS振荡器将会改变传统晶振产业,提供更多功能、更高效能、更小尺寸、更低功耗、更加稳定的晶振产品。

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