MEMS振蕩器攻進(jìn)高階時(shí)脈市場(chǎng)　石英晶體“瘦身”應(yīng)戰(zhàn)

三級(jí)鐘MEMS振蕩器的問世，讓MEMS技術(shù)順利切入高端精密時(shí)脈元件市場(chǎng)，并對(duì)石英振蕩器帶來全面性的威脅。面對(duì)MEMS振蕩器來勢(shì)洶洶，石英振蕩器業(yè)者也已積極備戰(zhàn)，并突破封裝技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步降低產(chǎn)品尺寸及成本，鞏固既有的市場(chǎng)地位。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器和諧振器(Resonator)由于可與半導(dǎo)體制程和封裝技術(shù)相容，可大幅縮減產(chǎn)品尺寸及封裝成本，在取代傳統(tǒng)石英晶體振蕩器的發(fā)展上，可說是愈演愈烈。  

值得注意的是，業(yè)界首款三級(jí)鐘(Stratum 3)MEMS振蕩器于日前正式問世，原本石英晶體藉精準(zhǔn)、穩(wěn)定度高等特性固守高端時(shí)脈元件領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)已不復(fù)存在。因此，往后石英晶體將如何防堵MEMS振蕩器的猛烈攻勢(shì)，已成業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)。  

直搗石英晶體主陣地　MEMS三級(jí)鐘來勢(shì)洶洶

美商賽特時(shí)脈(SiTime)憑藉三級(jí)鐘MEMS振蕩器進(jìn)軍高精密恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)市場(chǎng)，向傳統(tǒng)石英晶體振蕩器全面宣戰(zhàn)。MEMS振蕩器積極取代石英振蕩器，特別是三級(jí)鐘產(chǎn)品推出后，已能切入以往石英晶體獨(dú)占鰲頭的高階時(shí)脈元件市場(chǎng)，可預(yù)見往后MEMS與石英晶體的市場(chǎng)滲透率將明顯拉近。  

圖1 SiTime市場(chǎng)行銷副總裁Piyush Sevalia認(rèn)為，MEMS振蕩器相容于半導(dǎo)體制程，故未來亦可望與SoC開發(fā)商進(jìn)行整合，進(jìn)一步發(fā)揮成本效益。
SiTime市場(chǎng)行銷副總裁Piyush Sevalia(圖1)表示，三級(jí)鐘元件必須具備相當(dāng)優(yōu)異的穩(wěn)定性，全溫度范圍誤差值須控制在0.1～0.28ppm以內(nèi)，且24小時(shí)內(nèi)須保持小于0.37ppm，以及20年不得超過4.6ppm的水準(zhǔn)；以往僅有石英晶體才能實(shí)現(xiàn)如此精密的要求。然而，SiTime推出業(yè)界首款SiT530x系列全矽MEMS三級(jí)鐘解決方案后，證明MEMS振蕩器已能切入高端時(shí)脈元件市場(chǎng)，將能進(jìn)一步發(fā)揮產(chǎn)品尺寸及成本優(yōu)勢(shì)，全面替代傳統(tǒng)石英OCXO和溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)。  

Sevalia進(jìn)一步指出，SiT530x系列三級(jí)鐘MEMS振蕩器與半導(dǎo)體制程相容，可采塑膠封裝，相較于采用金屬或陶瓷封裝的石英晶體振蕩器，成本可大幅降低；同時(shí)也能輕易達(dá)成25毫米(mm)×20毫米的微型尺寸，且高度僅0.75毫米，適合各類輕薄型產(chǎn)品應(yīng)用。此外，其支援2.5～3.3伏特低電壓運(yùn)行、可程式設(shè)計(jì)功能，且抗沖擊及抗震能力優(yōu)于石英振蕩器七至十倍，而其工作時(shí)間更長(zhǎng)達(dá)5億小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出一般OCXO/TCXO的2,000萬小時(shí)。  

也因此，SiT530x系列主要鎖定在電信網(wǎng)路、量測(cè)儀器及智慧電網(wǎng)(Smart Grid)等訴求高精密時(shí)脈效能的市場(chǎng)，支援客戶快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化策略。Sevalia透露，目前全球前五大原始設(shè)計(jì)制造商(ODM)及原始設(shè)備制造商(OEM)中，已有多家采用SiTime的MEMS振蕩器。  

Sevalia強(qiáng)調(diào)，全球總體時(shí)脈市場(chǎng)規(guī)模達(dá)50億美元，雖目前MEMS振蕩器市場(chǎng)占有率仍在4%以下，但預(yù)估2011～2014年，將有高達(dá)100%的年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)，后勢(shì)成長(zhǎng)空間可期。  

據(jù)了解，SiTime已規(guī)畫于2011年12月提供SiT530x樣品予客戶導(dǎo)入設(shè)計(jì)，商用量產(chǎn)時(shí)程則定于2012年上半年。  

捍衛(wèi)疆土　石英晶體技術(shù)再精進(jìn)

不過，石英振蕩器具備功耗低、頻率干凈、溫度穩(wěn)定度高且范圍廣等優(yōu)勢(shì)，將能有效防堵MEMS振蕩器在市場(chǎng)上全盤取代。  

雖然MEMS與半導(dǎo)體制程和封裝技術(shù)相容而樹立低成本優(yōu)勢(shì)；然而，其在溫度及相噪(Phase Noise)的表現(xiàn)遠(yuǎn)不及石英晶體成熟，短期內(nèi)僅能切入有線通訊應(yīng)用的時(shí)脈元件，在無線通訊領(lǐng)域仍以石英晶體為主流技術(shù)。  

圖2 臺(tái)灣晶技行銷處長(zhǎng)李翰林(右)提到，臺(tái)灣晶技擁有石英晶體、MEMS及聲表面波三種技術(shù)，可提供完整解決方案。左為研發(fā)處長(zhǎng)姜健偉
臺(tái)灣晶技行銷處長(zhǎng)李翰林(圖2右)表示，在時(shí)脈元件市場(chǎng)，MEMS技術(shù)取代石英晶體的范圍其實(shí)有局限性。舉例來說，以全矽組成的MEMS諧振器，將無法達(dá)成如石英振蕩器的超高品質(zhì)因子(Q Factor)、-40～85℃溫度范圍及穩(wěn)定度，其須透過外部鎖相回路(PLL)電路加溫度補(bǔ)償，才能符合溫度要求。  

李翰林也指出，由于MEMS振蕩器須搭配鎖相回路電路，使其在功耗、底部及近端相噪的規(guī)格，無法延伸到無線領(lǐng)域；故短期內(nèi)僅能在通用序列匯流排(USB)、串列式先進(jìn)附加介面(SATA)等領(lǐng)域有所發(fā)揮。  

臺(tái)灣晶技研發(fā)處長(zhǎng)姜健偉(圖2左)補(bǔ)充說明，MEMS技術(shù)在有線應(yīng)用市場(chǎng)又可分為低頻率的諧振器與高頻率的振蕩器，由于諧振器為被動(dòng)元件而振蕩器為主動(dòng)元件，因此，在客戶端應(yīng)用中考量多重供應(yīng)商來源的情況下，諧振器市場(chǎng)將不會(huì)被MEMS技術(shù)所威脅，石英元件仍將憑藉既有的材料特性優(yōu)勢(shì)，持續(xù)在時(shí)脈元件市場(chǎng)發(fā)光發(fā)熱。  

不過，姜健偉不諱言，由于愈來愈多的時(shí)脈元件應(yīng)用產(chǎn)品，要求精簡(jiǎn)尺寸及價(jià)格親民，特別是行動(dòng)裝置的要求最為迫切。如此一來，MEMS技術(shù)基于半導(dǎo)體制程的批量生產(chǎn)，輔以元件尺寸的微縮讓單一晶圓產(chǎn)出數(shù)量增加，確能以成本及尺寸優(yōu)勢(shì)吸引廠商目光，而逐步拉抬市場(chǎng)滲透率。  

為維持石英晶體的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，姜健偉透露，臺(tái)灣晶技針對(duì)石英產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，目前量產(chǎn)的封裝尺寸已縮小至1.6毫米(mm)×1.2毫米，可滿足行動(dòng)裝置要求；同時(shí)更積極開發(fā)下一代1.2毫米×1.0毫米封裝，以持續(xù)在行動(dòng)裝置領(lǐng)域站穩(wěn)一席之地。此外，針對(duì)TCXO，目前量產(chǎn)尺寸亦達(dá)2.0毫米×1.6毫米，同步正在開發(fā)1.6毫米×1.2毫米封裝。如此一來，尺寸優(yōu)勢(shì)將不再是MEMS強(qiáng)壓地頭蛇的利器。  

另一方面，姜健偉表示，由于石英晶體目前仍仰賴傳統(tǒng)的陶瓷基座或金屬外殼封裝方式，故成本隨經(jīng)濟(jì)規(guī)模與良率控制而有所起伏，讓MEMS技術(shù)有可趁之機(jī)。因此，在臺(tái)灣晶技下一代的技術(shù)藍(lán)圖中，已提出石英晶體相容半導(dǎo)體制程的概念來降低成本，以持續(xù)擘畫此一傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展前景。