MEMS振荡器会一统晶振江湖?

   日期:2018-11-24     浏览:417    评论:0    
核心提示:MEMS振荡器能不能一统晶振江湖
 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;特别是在消费电子领域,MEMS振荡器将会得到广泛应用,成为石英晶振的有力挑战者,未来可能对晶振市场有颠覆性冲击甚至一统晶振江湖。(具体可以查看YXC扬兴官网《sitime硅晶振的优势不容忽视》)

MEMS振荡器概述

MEMS振荡器实现方式也有多种,如利用MEMS技术实现谐振腔的传统MEMS振荡器、结合石英晶体技术的QMEMS振荡器、以及完全兼容半导体工艺的全硅MEMS振荡器,目前全硅MEMS振荡器发展趋势最好。

与传统石英相比,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。

全硅的MEMS振荡器技术,由两个芯片堆栈起来,如下图所示:

下方是驱动芯片,上方则是MEMS谐振器,以QFN IC封装方式完成。为与石英晶振竞争,通常封装尺寸以及焊接管脚与传统标准石英晶振的脚位完全兼容,可直接替代原来石英晶振。

MEMS振荡器市场分析

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,然而十几年前,随着第一颗硅MEMS振荡器的量产,局势逐渐改变了。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。而全硅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,其生产成本更是已经低过石英振荡器。

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。

中国作为全球最大的电子产品生产基地,消耗了全球四分之一的MEMS器件,吸引了全球的目光。但目前中国MEMS振荡器仍依赖进口。2014年,中国MEMS振荡器市场规模约为0.34亿美元,预计到2020年市场规模将达3.5亿美元。

MEMS振荡器优缺点

MEMS硅振荡器与石英振荡器优缺点对比:

MEMS振荡器竞争格局

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)、SiliconClocks(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。

我们看到,目前IDT与Silicon lab(收购SiliconClocks)已逐步退出该市场;而Discera,这家最早商用化的MEMS振荡器公司,先被Micrel收购,后随同Micrel被Microchip收购,其市场地位渐渐式微。

成立于2007年的Sand 9公司,从美国波士顿大学的实验室分拆出来,曾是一家颇有前途的新创公司,其MEMS振荡器技术具有相位噪声低和性能稳定等优点,在业界率先满足了无线和有线应用需求,但后来经营不佳,被ADI悄然收购后消失了。

SiTime虽然后来也被MegaChips公司收购,成为其旗下子公司独立运行,但收购后业务未受影响。SiTime产品的晶圆由博世(Bosch)、Tower Jazz代工,模拟IC则由台积电(TSMC)提供代工。2015年,SiTime的MEMS振荡器出货量已经达到2014年的两倍,总量超4亿颗,预计2016年出货量也将达到2015年的两倍。

为了快速提高MEMS振荡器的市场滲透率,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、TXC、深圳扬兴科技等展开合作,授权生产MEMS振荡器。

由于MEMS制程在微型加工的优异性能,EpsonToyocom也将此技术用于其振荡器的制造。于2006年推出了结合石英材料稳定性和MEMS制造技术的QMEMS技术,利用感光印刷技术对晶体实施精细加工,继续推进石英器件向更小尺寸、更高精度和更高稳定性发展。从而突破传统石英制程在100MHz的频率上限。

NXP、德州仪器(TI)与村田(Murata)也在研发MEMS振荡器,但均还未有量产的产品出来。

深圳扬兴科技有限公司创立于1986年7月,是一家专业的晶振服务商。30年来,扬兴科技一直专研于晶振技术的研究与开发。2016年,SiTime授权扬兴工厂大规模投产MEMS振荡器,扬兴科技成为中国首家MEMS振荡器生产厂商。

另外值得一提的是国内本土MEMS振荡器创新科研团队-广东合微,已在MEMS振荡器上进行了多年的研究和产业化的前期准备工作,并建立硅MEMS振荡器研发和测试平台,填补这一产业的国内空白,打破国外垄断。创新团队在MEMS振荡器产品研发方面取得了很多成就,拥有多项核心技术,并发表论文276篇,申请专利92项,已获授权发明专利39项。期待广东合微能在MEMS振荡器市场中占有一席之地。

MEMS振荡器冲击并且也在影响着石英晶体振荡器市场的发展。MEMS振荡器在交货周期、供货灵活度等方面有较为明显的优势,将会在对小型化要求较高的市场或某些特定的应用场所如物联网、可穿戴等逐渐取得主导地位。但其在电流和抖动值上略差,在对精度要求较高、高速通信或需要极佳信噪比性能的应用中,仍然会以传统石英晶振为主。

总结:目前MEMS振荡器与石英晶体振荡器都在各自擅长的应用领域发挥特点,呈现出各分天下的并存局面。未来MEMS振荡器能否一统晶振江湖,我们拭目以待。

 
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