MEMS振荡器攻进高阶时脉市场　石英晶体“瘦身”应战

三级钟MEMS振荡器的问世，让MEMS技术顺利切入高端精密时脉元件市场，并对石英振荡器带来全面性的威胁。面对MEMS振荡器来势汹汹，石英振荡器业者也已积极备战，并突破封装技术瓶颈，进一步降低产品尺寸及成本，巩固既有的市场地位。
微机电系统(MEMS)振荡器和谐振器(Resonator)由于可与半导体制程和封装技术相容，可大幅缩减产品尺寸及封装成本，在取代传统石英晶体振荡器的发展上，可说是愈演愈烈。  

值得注意的是，业界首款三级钟(Stratum 3)MEMS振荡器于日前正式问世，原本石英晶体藉精准、稳定度高等特性固守高端时脉元件领域的优势已不复存在。因此，往后石英晶体将如何防堵MEMS振荡器的猛烈攻势，已成业界关注焦点。  

直捣石英晶体主阵地　MEMS三级钟来势汹汹

美商赛特时脉(SiTime)凭藉三级钟MEMS振荡器进军高精密恒温控制晶体振荡器(OCXO)市场，向传统石英晶体振荡器全面宣战。MEMS振荡器积极取代石英振荡器，特别是三级钟产品推出后，已能切入以往石英晶体独占鳌头的高阶时脉元件市场，可预见往后MEMS与石英晶体的市场渗透率将明显拉近。  

图1 SiTime市场行销副总裁Piyush Sevalia认为，MEMS振荡器相容于半导体制程，故未来亦可望与SoC开发商进行整合，进一步发挥成本效益。
SiTime市场行销副总裁Piyush Sevalia(图1)表示，三级钟元件必须具备相当优异的稳定性，全温度范围误差值须控制在0.1～0.28ppm以内，且24小时内须保持小于0.37ppm，以及20年不得超过4.6ppm的水准；以往仅有石英晶体才能实现如此精密的要求。然而，SiTime推出业界首款SiT530x系列全矽MEMS三级钟解决方案后，证明MEMS振荡器已能切入高端时脉元件市场，将能进一步发挥产品尺寸及成本优势，全面替代传统石英OCXO和温度补偿晶体振荡器(TCXO)。  

Sevalia进一步指出，SiT530x系列三级钟MEMS振荡器与半导体制程相容，可采塑胶封装，相较于采用金属或陶瓷封装的石英晶体振荡器，成本可大幅降低；同时也能轻易达成25毫米(mm)×20毫米的微型尺寸，且高度仅0.75毫米，适合各类轻薄型产品应用。此外，其支援2.5～3.3伏特低电压运行、可程式设计功能，且抗冲击及抗震能力优于石英振荡器七至十倍，而其工作时间更长达5亿小时，远远高出一般OCXO/TCXO的2,000万小时。  

也因此，SiT530x系列主要锁定在电信网路、量测仪器及智慧电网(Smart Grid)等诉求高精密时脉效能的市场，支援客户快速实现产品差异化策略。Sevalia透露，目前全球前五大原始设计制造商(ODM)及原始设备制造商(OEM)中，已有多家采用SiTime的MEMS振荡器。  

Sevalia强调，全球总体时脉市场规模达50亿美元，虽目前MEMS振荡器市场占有率仍在4%以下，但预估2011～2014年，将有高达100%的年复合成长率(CAGR)，后势成长空间可期。  

据了解，SiTime已规画于2011年12月提供SiT530x样品予客户导入设计，商用量产时程则定于2012年上半年。  

捍卫疆土　石英晶体技术再精进

不过，石英振荡器具备功耗低、频率干净、温度稳定度高且范围广等优势，将能有效防堵MEMS振荡器在市场上全盘取代。  

虽然MEMS与半导体制程和封装技术相容而树立低成本优势；然而，其在温度及相噪(Phase Noise)的表现远不及石英晶体成熟，短期内仅能切入有线通讯应用的时脉元件，在无线通讯领域仍以石英晶体为主流技术。  

图2 台湾晶技行销处长李翰林(右)提到，台湾晶技拥有石英晶体、MEMS及声表面波三种技术，可提供完整解决方案。左为研发处长姜健伟
台湾晶技行销处长李翰林(图2右)表示，在时脉元件市场，MEMS技术取代石英晶体的范围其实有局限性。举例来说，以全矽组成的MEMS谐振器，将无法达成如石英振荡器的超高品质因子(Q Factor)、-40～85℃温度范围及稳定度，其须透过外部锁相回路(PLL)电路加温度补偿，才能符合温度要求。  

李翰林也指出，由于MEMS振荡器须搭配锁相回路电路，使其在功耗、底部及近端相噪的规格，无法延伸到无线领域；故短期内仅能在通用序列汇流排(USB)、串列式先进附加介面(SATA)等领域有所发挥。  

台湾晶技研发处长姜健伟(图2左)补充说明，MEMS技术在有线应用市场又可分为低频率的谐振器与高频率的振荡器，由于谐振器为被动元件而振荡器为主动元件，因此，在客户端应用中考量多重供应商来源的情况下，谐振器市场将不会被MEMS技术所威胁，石英元件仍将凭藉既有的材料特性优势，持续在时脉元件市场发光发热。  

不过，姜健伟不讳言，由于愈来愈多的时脉元件应用产品，要求精简尺寸及价格亲民，特别是行动装置的要求最为迫切。如此一来，MEMS技术基于半导体制程的批量生产，辅以元件尺寸的微缩让单一晶圆产出数量增加，确能以成本及尺寸优势吸引厂商目光，而逐步拉抬市场渗透率。  

为维持石英晶体的市场竞争力，姜健伟透露，台湾晶技针对石英产品的尺寸进行优化，目前量产的封装尺寸已缩小至1.6毫米(mm)×1.2毫米，可满足行动装置要求；同时更积极开发下一代1.2毫米×1.0毫米封装，以持续在行动装置领域站稳一席之地。此外，针对TCXO，目前量产尺寸亦达2.0毫米×1.6毫米，同步正在开发1.6毫米×1.2毫米封装。如此一来，尺寸优势将不再是MEMS强压地头蛇的利器。  

另一方面，姜健伟表示，由于石英晶体目前仍仰赖传统的陶瓷基座或金属外壳封装方式，故成本随经济规模与良率控制而有所起伏，让MEMS技术有可趁之机。因此，在台湾晶技下一代的技术蓝图中，已提出石英晶体相容半导体制程的概念来降低成本，以持续擘画此一传统技术发展前景。