- 石英晶體/振蕩器穩(wěn)定成長(zhǎng)
- 小尺寸成最佳市場(chǎng)基石
- 網(wǎng)絡(luò)/儲(chǔ)存設(shè)備強(qiáng)力成長(zhǎng)
- 石英晶體/振蕩器的需求每年4～10%穩(wěn)定增加
- 計(jì)時(shí)組件市場(chǎng)在2008年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)18億美元
石英晶體/振蕩器穩(wěn)定成長(zhǎng)
2008年是第一個(gè)晶體振蕩器誕生的90周年。因?yàn)槠涓逹值、無(wú)可取代的頻率溫度穩(wěn)定性、低成本、技術(shù)成熟性及廣泛的商業(yè)取得性，石英晶體持續(xù)成為在日益擴(kuò)展的數(shù)字世界中，提供穩(wěn)定頻率來源的最佳選擇，通常也是唯一選擇。
因?yàn)橛芯€及無(wú)線市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)，石英晶體及其高頻所需的表面聲波(SAW)裝置已受到廣泛運(yùn)用，范圍從電子玩具所使用的簡(jiǎn)單被動(dòng)石英晶體，到最精密電信網(wǎng)絡(luò)骨干頻率所使用的復(fù)雜同步計(jì)時(shí)模塊(STM)(表1)。如前篇文章所述，從2000～2001年的「.COM」市場(chǎng)瓦解之后，對(duì)于石英晶體及石英振蕩器的需求，以每年4～10%之間穩(wěn)定增加。而頻率控制產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)大環(huán)境，也經(jīng)歷巨大的變化。
小尺寸成最佳市場(chǎng)基石
娛樂、游戲及可攜式電子產(chǎn)品在過去幾年的巨幅成長(zhǎng)，將小型石英晶體及晶體振蕩器的需求帶向一個(gè)空前的層級(jí)。目前已能大量供應(yīng)小至2毫米×1.6毫米的AT切割石英晶體(圖1)，而金屬管封裝32.768kHz的膠模石英音叉亦已供貨多年，但這在幾年前仍難以想象。近年來，使用傳統(tǒng)AT切割晶體封裝方法的石英音叉亦能以極小的尺寸供貨4.1毫米×1.5毫米、3.2毫米×1.5毫米及2毫米×1.2毫米(圖2)。目前主要的目標(biāo)是將這類石英音叉的厚度推向0.4毫米或更薄，以供輕薄型產(chǎn)品使用。預(yù)計(jì)在幾年后，即會(huì)出現(xiàn)需要更小尺寸石英晶體(1.6毫米×1毫米及1毫米×0.8毫米)的應(yīng)用，而石英晶體制造商正對(duì)此進(jìn)行因應(yīng)準(zhǔn)備。
圖1 2mm×1.6mm 24M～54MHz石英晶體
圖2 2毫米×1.2毫米 32.768kHz石英音叉
體積小于5毫米×3.2毫米的石英晶體，通常須要密封在真空中，以維持正確的阻抗值。低MHz的小型石英晶體芯片亦須要制成圓邊(Beveling)，以維持有效的能陷(Energy Trapping)。數(shù)家晶體振蕩器供貨商已開始采用光微影制程，以處理小尺寸的石英晶體及低MHz頻率石英晶體。這對(duì)于單純仰賴傳統(tǒng)研磨法制造石英晶體的廠商來說，將是發(fā)展小型石英晶體產(chǎn)品時(shí)，最主要的技術(shù)鴻溝。另外，在石英晶體電鍍、黏晶及封裝過程中的技術(shù)性難題，也將是處理小型石英晶體芯片的挑戰(zhàn)。 圖2 2毫米×1.2毫米 32.768kHz石英音叉
在晶體振蕩器方面，目前受到廣泛應(yīng)用的是2.5毫米×2毫米互補(bǔ)式金屬氧化層半導(dǎo)體(CMOS)固定頻率晶體振蕩器(圖3)，并已開始供應(yīng)更小的2毫米×1.6毫米版本。2.5伏特供應(yīng)電壓是目前通用的規(guī)格，但1.8伏特或更低供應(yīng)電壓的市場(chǎng)也在開始興起當(dāng)中。
圖3 2.5毫米×2毫米 2M～48MHz CMOS晶體振蕩器
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上列晶體振蕩器的可程序化版本(PCXO)則是以7毫米×5毫米、5毫米×3.2毫米及3.2毫米×2毫米等封裝規(guī)格出現(xiàn)。這些振蕩器具有鎖相回路(PLL)程序，可依據(jù)單一低頻率石英晶體(例如25MHz)，在工作頻率范圍內(nèi)(例如2M～200MHz)設(shè)定為任何需要的頻率。這些振蕩器對(duì)于設(shè)計(jì)師極具吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢钥焖僭O(shè)定成開發(fā)用途所需要的頻率，但PLL式振蕩器同時(shí)亦具有較高訊號(hào)抖動(dòng)的先天缺點(diǎn)。另外，具有差動(dòng)LVPECL/LVDS輸出的晶體振蕩器亦以14毫米×9毫米、7毫米×5毫米及5毫米×3.2毫米等封裝出現(xiàn)。上述石英晶體、晶體振蕩器及可程序化晶體振蕩器的頻率對(duì)溫度穩(wěn)定性，依操作的溫度范圍不同，通常指定頻偏值須低于±100、50及25ppm。至今，AT切割石英晶體是唯一已知能提供這種穩(wěn)定性，而不需要任何補(bǔ)償?shù)墓舱窠M件。
TCXO的推出，在于能提供更佳的頻率穩(wěn)定性。AT切割石英晶體具有三次方的頻率溫度穩(wěn)定性，而TCXO振蕩器電路則具有電壓頻率調(diào)變功能，能夠以模擬或數(shù)字方式，將三次方頻率溫度以極佳的頻率對(duì)溫度變更率，補(bǔ)償至溫度對(duì)sub-10ppm的程度(圖4)。對(duì)于現(xiàn)今的手機(jī)應(yīng)用來說，通常需要頻率穩(wěn)定性優(yōu)于±2.5ppm的TCXO，以提供精準(zhǔn)的參考頻率進(jìn)行頻率合成；而在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備部分，需要的是優(yōu)于±0.5ppm的TCXO。目前最小的TCXO其體積僅有2毫米×1.6毫米(圖5)。
圖4 16MHz TCXO(80單位)相對(duì)于溫度的頻率變更率(在2°C/分變化)
圖5 2毫米×1.6毫米 12M～52MHz TCXO
整體而言，在過去10年中，石英晶體及晶體振蕩器制造商已完成以前所想象不到的成就，將石英晶體、XO、PCXO、VCXO和TCXO的尺寸縮小到終端產(chǎn)品所需要的程度。最重要的是，沒有犧牲效能及成本。現(xiàn)在每年已有越來越多的石英晶體組件上市，而成熟產(chǎn)品的平均銷售價(jià)格也持續(xù)在下降中。
網(wǎng)絡(luò)/儲(chǔ)存設(shè)備強(qiáng)力成長(zhǎng)
多年來，固定頻率石英振蕩器市場(chǎng)主要需要的是CMOS輸出(單端)及低于70MHz的產(chǎn)品，低于70 MHz三倍頻波石英晶體被認(rèn)為較容易制作。過去廠商主要的目標(biāo)是在降低晶體振蕩器的尺寸，以及降低其供應(yīng)電壓。網(wǎng)絡(luò)及儲(chǔ)存設(shè)備市場(chǎng)近年來的強(qiáng)力成長(zhǎng)，也大幅提升差動(dòng)輸出最高至160MHz (LVPECL及LVDS)振蕩器的需求，而目前許多供貨商皆已提供采用7毫米×5毫米及5毫米×3.2毫米平臺(tái)的產(chǎn)品。
目前主要有三個(gè)采用不同執(zhí)行方式的解決方案：第一類方案包括將HFF(高頻基本波模式)石英晶體、三倍頻(OT)石英晶體，或是基本SAW共振器與傳統(tǒng)反饋回路振蕩器IC搭配；第二類使用低頻石英晶體(20M～35MHz)與簡(jiǎn)單整數(shù)PLL IC搭配；第三類包括將三倍頻石英晶體與較高等級(jí)的PLL IC，例如三倍頻石英晶體與AFM(模擬倍頻器，例如×2)IC、三倍頻與全程序化DSPLL振蕩器IC等搭配。
上述解決方案部分能提供低于1ps rms相位訊號(hào)抖動(dòng)(12k～20MHz)，而除了SAW解決方案外，以上各者皆具備一般AT切割石英晶體的三次方頻率溫度屬性，以及提供±100、50及25ppm方案。現(xiàn)在已有部分供貨商能提供具有二次方頻率溫度屬性的固定頻率SAW振蕩器。在<160MHz的晶體振蕩器市場(chǎng)需求增加時(shí)，平均銷售價(jià)格就會(huì)下降。預(yù)期在不久的未來，只有來自第一類的三倍頻石英晶體及SAW共振器解決方案將持續(xù)具有競(jìng)爭(zhēng)能力，但大于160MHz晶體振蕩器市場(chǎng)仍會(huì)持續(xù)進(jìn)展。若大于160MHz市場(chǎng)現(xiàn)在就出現(xiàn)，第一類的HFF及三倍頻石英晶體解決方案就會(huì)因?yàn)槭⒕w的生產(chǎn)成本過高而無(wú)法競(jìng)爭(zhēng)。
振蕩器IC競(jìng)爭(zhēng)加劇
在過去，只有少數(shù)美國(guó)、歐洲及日本晶體振蕩器供貨商能取得專屬的振蕩器IC，因此主宰了頻率控制產(chǎn)品的市場(chǎng)。其它公司只能參與低階CMOS振蕩器產(chǎn)業(yè)，或停留在制造石英晶體的階段。而現(xiàn)在，已有為數(shù)不少的IC供貨商投入，包括NPC、 JRC、Interchip、IDT、Phaselink、AKM、Panasonic、MAS、Glacier、KME、 百力達(dá)(Pericom)、Silicon Clocks以及EM Microelectronics等，為許多低至中階XO、PCXO、VCXO及TCXO提供振蕩器IC晶粒。這些IC供貨商愿意與石英振蕩器供貨商合作，為不同的應(yīng)用提供產(chǎn)品或發(fā)展更小及更薄的高性能振蕩器IC晶粒。更多的石英振蕩器供貨商，特別是來自臺(tái)灣、中國(guó)及韓國(guó)的公司，已能在更多頻率控制產(chǎn)品市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)。
計(jì)時(shí)產(chǎn)品業(yè)者提供晶體振蕩器
如前所述，2008年的石英晶體及晶體振蕩器總市場(chǎng)已達(dá)41億美元。這市場(chǎng)的投入者通常被歸類為「石英振蕩器供貨商」，有些亦提供某些以SAW為基礎(chǔ)的產(chǎn)品，如濾波器、共振器及振蕩器。但這41億美元之市場(chǎng)規(guī)模并不包括諸如EPCOS等只制造SAW產(chǎn)品、但不制造晶體產(chǎn)品的供貨商的收益。尚有另一類供貨商團(tuán)隊(duì)，提供頻率緩沖器、頻率產(chǎn)生器、頻率分配器等產(chǎn)品。這些投入者通常被歸類為「計(jì)時(shí)組件供貨商」。
計(jì)時(shí)組件市場(chǎng)在2008年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)18億美元。在大部分情況，使用者仍須要向石英振蕩器供貨商購(gòu)買石英晶體或石英振蕩器，以便與他們所購(gòu)買的計(jì)時(shí)組件搭配。過去，石英振蕩器供貨商及計(jì)時(shí)組件供貨商僅支持他們自己的客戶，鮮少跨界供貨，但這種情況在2004年開始有所改變。IDT(當(dāng)時(shí)為ICS)成為第一家提供7毫米×5毫米 PLL式晶體振蕩器(內(nèi)含石英晶體)的計(jì)時(shí)組件供貨商。之后，便有部分IC公司如芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)、Maxim、安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)等開始為網(wǎng)絡(luò)及儲(chǔ)存設(shè)備市場(chǎng)提供7毫米×5毫米及5毫米×3.2毫米 XO/VCXO，以及為高階電信網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)供貨(圖6)。
圖6 芯科實(shí)驗(yàn)室的Si5XX系列7毫米×5毫米 XO/VCXO
這些產(chǎn)品正面迎戰(zhàn)已經(jīng)在市場(chǎng)上有一定規(guī)模的石英振蕩器，而一家美國(guó)的計(jì)時(shí)產(chǎn)品供貨商甚至藉由購(gòu)并數(shù)家亞洲的石英振蕩器供貨商，以強(qiáng)化自己的石英晶體產(chǎn)品線。業(yè)界中普遍存有一種想法：「只要能分得10%石英晶體和石英振蕩器的市場(chǎng)就已經(jīng)足夠。」對(duì)于計(jì)時(shí)組件供貨商的爭(zhēng)相投入(或某些人認(rèn)為是入侵)，石英振蕩器供貨商的因應(yīng)策略各有不同。就某一方面來說，它證明石英振蕩器市場(chǎng)非常有潛力，因?yàn)槟芪鄰S商投入。而就另一方面而言，也會(huì)造成平均銷售價(jià)格下降。
藉由電路設(shè)計(jì)提升振蕩器性能
多年以前，TCXO成為第一種使用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)配合振蕩器電路，達(dá)到sub-10ppm溫度穩(wěn)定性的石英振蕩器。PCXO后來則藉由使用分?jǐn)?shù)-N型PLL電路，而成為成功的產(chǎn)品。上述是透過電路改善石英振蕩器性能的實(shí)例。而近期以來，某些石英振蕩器供貨商已開始提供更佳頻偏特性的XO(相較廣工作溫度范圍具有低于±15ppm的「中階」溫度補(bǔ)償，以及密封后調(diào)整的數(shù)組電容值，以在室溫下達(dá)成更佳的頻率誤差范圍。)
如前所述，第一個(gè)具有低于1ps rms相位抖動(dòng)(12k～20MHz)的PLL式晶體振蕩器出現(xiàn)在2004年。第一個(gè)完全可程序化的DSPLL式XO/VCXO則在1年后出現(xiàn)。這些產(chǎn)品有部分已開始挑戰(zhàn)來自現(xiàn)有電信網(wǎng)絡(luò)業(yè)所采用石英振蕩器供貨商的VCSO和HFF式VCXO。
上述的溫度補(bǔ)償及可程序架構(gòu)，在前篇文章所討論的全硅微機(jī)電系統(tǒng)振蕩器及全硅振蕩器的近期發(fā)展中，扮演關(guān)鍵性的角色。在過去幾年中發(fā)展的振蕩器電路改善情況，未來還會(huì)持續(xù)下去。相信對(duì)石英晶體及石英振蕩器產(chǎn)業(yè)未來的影響，將不會(huì)只來自共振組件(微機(jī)電系統(tǒng)共振器、FBAR、RLC、陶瓷共振器等)的變體，也會(huì)來自振蕩器電路的改善。
電信網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)緩慢復(fù)蘇
許多美國(guó)及歐洲晶體振蕩器供貨商在「.COM」市場(chǎng)瓦解的短短兩年內(nèi)，遭受50～80%的收益損失，因?yàn)樗麄兊纳虡I(yè)策略主要是以中階或高階 石英晶體以及石英振蕩器(HFF、XO、VCXO/ VCSO、TCXO、OCXO和計(jì)時(shí)模塊)為電信大廠提供服務(wù)，但某些供貨商在景氣低迷時(shí)期已消失。電信網(wǎng)絡(luò)業(yè)所采用的石英晶體及石英振蕩器市場(chǎng)已顯示復(fù)蘇的跡象，但誰(shuí)也不敢確定市場(chǎng)何時(shí)才能回到至少1999年時(shí)的水平。同時(shí)，更多市場(chǎng)中倍數(shù)成長(zhǎng)之晶體振蕩器供貨商，正投資開發(fā)中至高階石英晶體及石英振蕩器，以為電信網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的回春做準(zhǔn)備。在景氣低迷時(shí)期受創(chuàng)的歐美供貨商應(yīng)該很樂見市場(chǎng)復(fù)蘇，但他們也會(huì)發(fā)現(xiàn)有越來越多的競(jìng)爭(zhēng)者，以及電信網(wǎng)絡(luò)業(yè)客戶也會(huì)要求更低的價(jià)格。
如前所述，即使現(xiàn)在已有小尺寸的32.768kHz石英音叉(4.1毫米×1.5毫米、3.2毫米×1.5毫米和2毫米×1.2毫米)，但膠模封裝(含金屬管封裝石英音叉)的銷售情況仍相當(dāng)好，因?yàn)樵S多客戶并不須要或不想付出額外的金錢以得到較小的組件。由于小尺寸石英晶體(5毫米×3.2毫米及更小)的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)攀升，因此其更低廉及更大的版本的DIP型AT切割石英晶體之平均銷售價(jià)格也會(huì)成長(zhǎng)。這些石英晶體在中國(guó)大陸具有非常高的生產(chǎn)量，因?yàn)橹袊?guó)大陸石英晶體供貨商可在境內(nèi)取得所有未處理素材(金屬基座、金屬蓋及石英晶體)。即使臺(tái)灣的石英晶體供貨商具備相關(guān)技術(shù)，也無(wú)法在臺(tái)灣藉由生產(chǎn)這些低廉的產(chǎn)品獲利。
石英晶體振蕩器產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)并存
在石英晶體振蕩器面世即將屆滿百年的現(xiàn)在，其在電子產(chǎn)品中所扮演的角色日益重要。不但沒有因眾多挑戰(zhàn)者的出現(xiàn)而有所動(dòng)搖，反而衍生了許多始料未及的發(fā)展與變革：不但體積變得更小更適合現(xiàn)今電子產(chǎn)品的要求，各項(xiàng)效能也同時(shí)提升。當(dāng)然，就在石英晶體的技術(shù)不斷向前邁進(jìn)的同時(shí)，硅陣營(yíng)也不會(huì)默不作聲，同樣出現(xiàn)許多創(chuàng)新的技術(shù)與應(yīng)用。因此，未來將繼續(xù)探討石英與硅的進(jìn)階應(yīng)用，并整合目前各界看法，推導(dǎo)出石英晶體產(chǎn)業(yè)未來的前景與挑戰(zhàn)。
