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敢問路在何方?MEMS振盪器的未來之路怎麼走?

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振盪器逐步打開市場;特別是在消費電子領域,MEMS振盪器將會得到廣泛應用,成為石英晶振的有力挑戰者,未來可能對晶振市場有顛覆性衝擊甚至一統晶振江湖。

MEMS振盪器概述

MEMS振盪器實現方式也有多種,如利用MEMS技術實現諧振腔的傳統MEMS振盪器、結合石英晶體技術的QMEMS振盪器、以及完全相容半導體工藝的全矽MEMS振盪器,目前全矽MEMS振盪器發展趨勢最好。

與傳統石英相比,全矽MEMS振盪器不管從生產工藝還是元件設計結構上,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。

全矽的MEMS振盪器技術,由兩個晶片堆疊起來,如下圖所示:


下方是驅動晶片,上方則是MEMS諧振器,以QFN IC封裝方式完成。為與石英晶振競爭,通常封裝尺寸以及焊接管腳與傳統標準石英晶振的腳位完全相容,可直接替代原來石英晶振。

MEMS振盪器市場分析

傳統石英振盪器自誕生之日起,已經統治頻率控制器件近60年,然而十幾年前,隨著第一顆矽MEMS振盪器的量產,局勢逐漸改變了。石英振盪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。而全矽MEMS振盪器體積更小、更可靠、功耗更低,近年來隨著封裝技術的成熟,其生產成本更是已經低過石英振盪器。

MEMS振盪器已在許多應用領域包括電腦周邊相關產品、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程式設計輸出的石英振盪器。

根據調研機構的分析資料,2014年全球MEMS振盪器市場規模約為1.65億美元,預計到2020年市場規模將達15億美元,MEMS振盪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。

中國作為全球最大的電子產品生產基地,消耗了全球四分之一的MEMS器件,吸引了全球的目光。但目前中國MEMS振盪器仍依賴進口。2014年,中國MEMS振盪器市場規模約為0.34億美元,預計到2020年市場規模將達3.5億美元。

MEMS振盪器優缺點

 MEMS矽振盪器與石英振盪器優缺點對比:

1. 集成化

可採用多種集成方法將MEMS振盪器與微電子電路集成,製作成單晶片、單諧振器或多諧振器的集成器件,實現多頻率輸出;而石英晶振加工工藝與現有半導體工藝不相容,在集成化發展方面有較大劣勢。

2.成本

MEMS振盪器採用矽工藝,可在任何一家半導體工廠代工,如大批量加工,生產成本會大幅下降;石英晶振的生產線設備均是專用設備,建設成本相對較高。目前隨著石英晶振工藝成熟度的提升,生產成本逐年下降;而MEMS振盪器仍未形成大規模市場效應,因此目前MEMS振盪器在成本優勢上並不明顯。

3.頻率範圍

MEMS振盪器通過合理的諧振結構或參數設計,頻率範圍可以達到GHz,而石英晶體受限於加工工藝和可靠性,在高頻應用上受限。

4.環境適應性

MEMS振盪器對衝擊、振動的耐受能力極大,可承受的衝擊可達50000G以上,而石英晶振通常僅能承受20000G的衝擊。

5.性能指標

目前市場上主流的MEMS振盪器通過溫度補償、電路優化等手段,性能指標已經可以媲美部分中低端石英晶振。得益于石英晶體的超高Q值,在高端應用領域,如高穩定、低雜訊應用場合,石英晶振目前仍然無可替代。

6. 體積

MEMS振盪器採用了半導體加工工藝,體積可以減小到目前器件的1/10;而要切割微小體積的石英晶體則非常困難,因此在小型化發展方面MEMS振盪器相比石英晶體振盪器更具備優勢。

MEMS振盪器競爭格局

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振盪器行業也一直面臨很大的挑戰。

近年來,由於全球經濟復蘇緩慢,終端需求疲弱,再加上競爭激烈導致價格不斷下滑,傳統晶體振盪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振盪器要代替石英晶體振盪器,其價格下跌也無法阻止。沒有足夠的利潤支撐,MEMS振盪器廠商紛紛被並購或放棄該產品。

最早商用化的MEMS振盪器由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%的市場絕對佔有率,引領著全球電子廠商全面從石英晶振轉向全矽MEMS振盪器。其他幾家逐漸式微甚至銷聲匿跡了。

我們看到,目前IDT與Silicon lab(收購Silicon Clocks)已逐步退出該市場;而Discera,這家最早商用化的MEMS振盪器公司,先被Micrel收購,後隨同Micrel被Microchip收購,其市場地位漸漸式微。

成立於2007年的Sand 9公司,從美國波士頓大學的實驗室分拆出來,曾是一家頗有前途的新創公司,其MEMS振盪器技術具有相位雜訊低和性能穩定等優點,在業界率先滿足了無線和有線應用需求,但後來經營不佳,被ADI悄然收購後消失了。

SiTime雖然後來也被MegaChips公司收購,成為其旗下子公司獨立運行,但收購後業務未受影響。SiTime產品的晶圓由博世(Bosch)、Tower Jazz代工,模擬IC則由台積電(TSMC)提供代工。2015年,SiTime的MEMS振盪器出貨量已經達到2014年的兩倍,總量超4億顆,預計2016年出貨量也將達到2015年的兩倍。

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

由於MEMS制程在微型加工的優異性能,Epson Toyocom也將此技術用於其振盪器的製造。于2006年推出了結合石英材料穩定性和MEMS製造技術的QMEMS技術,利用感光印刷技術對晶體實施精細加工,繼續推進石英器件向更小尺寸、更高精度和更高穩定性發展。從而突破傳統石英制程在100MHz的頻率上限。

NXP、德州儀器(TI)與村田(Murata)也在研發MEMS振盪器,但均還未有量產的產品出來。

MEMS振盪器衝擊並且也在影響著石英晶體振盪器市場的發展。MEMS振盪器在交貨週期、供貨靈活度等方面有較為明顯的優勢,將會在對小型化要求較高的市場或某些特定的應用場所如物聯網、可穿戴等逐漸取得主導地位。但其在電流和抖動值上略差,在對精度要求較高、高速通信或需要極佳信噪比性能的應用中,仍然會以傳統石英晶振為主。

總結:目前MEMS振盪器與石英晶體振盪器都在各自擅長的應用領域發揮特點,呈現出各分天下的並存局面。未來MEMS振盪器能否一統晶振江湖,我們拭目以待。

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