矽/MEMS振盪器下帖　石英晶體振盪器備戰

長久以來，由石英晶體(Quartz Crystal)所主導的振盪器市場即將變天，包括矽振盪器(Silicon Oscillator)與微機電系統振盪器(MEMS Oscillator)均已突破以往技術瓶頸，並挾可編程(Programmable)、體積小、交期短且價格更具競爭力等優勢異軍突起，試圖瓜分振盪器市場大餅。
 

其中，又以MEMS振盪器的發展最受矚目，除新創公司Discera、SiTime日前陸續發表新一代方案外，原本石英振盪器市場龍頭台灣愛普生(Epson Taiwan)也以獨有的QMEMS技術突破現今石英振盪器的發展極限；此外，已成功推出加速度計(Accelerometer)與陀螺儀(Gyroscope)的MEMS元件大廠意法半導體(ST)也已著手進行MEMS振盪器研發。
 

另一方面，完全以標準互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程所實現的矽振盪器，也在Maxim、ST、芯科實驗室(Silicon Labs)與凌力爾特(Linear Technology)等類比大廠力拱之下，逐漸在市場上展露鋒芒。
 

面對新興技術的宣戰，石英晶體振盪器大廠也已進入警戒狀態，並採取以守為攻的策略，密切注意對手發展動態，並持續在產品上推陳出新，甚至投入新技術研發，進一步鞏固城池。
 

交期/高頻化夢魘揮之不去
 

振盪器猶如人類的心臟，在電子系統中扮演著極為關鍵的角色，藉由其所提供的精準時脈頻率，系統各個元件間得以維持正常的溝通與作業。然而，一旦頻率發生漂移或抖動現象，則將引發「心律不整」，甚至癱瘓整體系統運作，重要性可見一斑。

圖1　石英振盪器基本架構

石英材料是地表上第二普遍的物質，由於具有較佳的精準度與穩定性，已廣泛用於現今各種電子產品的時脈設計，幾乎已成為振盪器的代名詞。而為滿足不同應用產品對時脈精準度與設計成本的要求，以石英晶體為基礎再搭配控制晶片或鎖相迴路(PLL)所開發出的石英晶體振盪器(Crystal Oscillator, XO)也應運而生(圖1)，依精準度等級可分為普通石英晶體振盪器、電壓控制晶體振盪器(VCXO)、溫度補償晶體振盪器(TCXO)、恆溫控制晶體振盪器(OCXO)與數位控制晶體振盪器(DCXO)(表1)。

資料來源：Discera、芯科實驗室

不過，由於石英晶體係透過不同的切割角度來決定其振盪頻率，因此，為符合不同客戶的頻率需求，石英振盪器製造商往往須在客戶確定所需頻率後，才能進行生產加工，使得產品交期長達數月之久，深受市場詬病。
 

為解決此一問題，振盪器業者一方面著手將市場需求量較大的特定頻率進行標準化並大量生產，另一方面也研發出可編程石英振盪器，來滿足客戶對特殊頻率的要求。
 

圖2　台灣愛普生電子零件事業群產品企劃一部經理殷之江(左)表示，利用倍頻或除頻方式所達到的振盪頻率，在相位雜訊與抖動的效能表現均不盡理想。左為台灣愛普生電子零件事業群行銷業務一部業務經理蔡宇寬

Epson即是最早發表可編程石英振盪器的業者，該公司電子零件事業群產品企劃一部經理殷之江(圖2左)表示，不同頻率的晶體振盪器所使用的製程亦不相同，因而衍生成本與交期的問題。可編程石英振盪器係由一顆固定基本頻率的石英晶體搭配鎖相迴路所構成，並利用鎖相迴路的調整，來達到編程的目的，以實現客製化的石英振盪器方案，快速因應市場所需。
 

儘管可編程石英振盪器的製造更為靈活並解決以往交期過長的問題，但這種以鎖相迴路實現不同振盪頻率的產品效能，仍無法與固定頻率的石英振盪器相比擬，精準度、抖動值均不甚理想，價格也因為須二次加工而居高不下。
 

微型化、高頻化則是石英振盪器所面臨的另一發展瓶頸。由於本身材料特性，石英元件的振盪頻率與厚度呈反比，厚度愈薄，頻率則愈高，但相對也較容易發生碎裂，所以，利用傳統石英製程所開發的石英振盪器，一直無法突破100MHz的頻率關卡。
 

針對此一難題，大多數的業者會採用倍頻的方式進行設計，例如使用一顆基本頻率為33MHz的石英晶體，再透過三倍頻處理來得到100MHz的振盪頻率。殷之江分析，這種做法雖可達到同樣規格，但其頻率的穩定性與抖動表現均不如直接採用主振頻率為100MHz的石英晶體。
 

不難想像，在電子產品生命週期逐漸縮短、外觀設計更趨輕薄及通訊功能日益吃重的趨勢下，石英振盪器交期長與高頻化的發展僵局，已是相關業者所面臨的棘手挑戰，但也反而成為新興技術與後進業者積極布局與突破的目標。
 

採用標準CMOS製程　矽振盪器「三低」搶進
 

為能充分利用半導體產業既有的基礎建設，改善石英振盪器量產與交貨情形，以矽材料取代石英來實現振盪器的想法於焉誕生。歷經多年研發，如今已有ST、芯科實驗室等類比業者及數家新創公司，成功推出全矽振盪器(表2)。

有別於石英振盪器利用石英的壓電(Piezoelectric)特性來產生頻率，矽振盪器則是利用內部的電阻電容時間常數(RC Time Constant)而非共振結構來獲得振盪頻率。此一先天架構上的設計差異，讓矽振盪器可免於受到外部共振結構影響，不但耐震、耐撞，且對濕氣與電磁干擾(EMI)也具有較大耐受度。

圖3　意法半導體APM台灣區技術開發部專案經理劉岳光指出，32.768kHz頻率應用甚廣，是該公司矽振盪器鎖定的重要市場。

此外，矽振盪器還兼具低成本、低功耗與低元件總數的「三低」特性。意法半導體APM台灣區技術開發部專案經理劉岳光(圖3)指出，矽振盪器由於可採用標準CMOS製程，因而可大幅降低生產成本，同時加快量產速度，讓交期由數月縮短至4～8周；加上不須額外使用外部電阻及電容，設計上亦更為精簡，有助縮小晶片尺寸與電路板面積。再者，矽振盪器的操作電流極低，最大僅達900微安培，待機電流則可維持在3微安培以下，尤其適用於以電池供電的應用，可延長產品使用壽命。
 

不僅如此，矽振盪器的快速啟動特性對於開機後須快速進行系統運作，或由睡眠模式切換至操作模式時須迅速恢復運作的應用而言，也相當重要。
 

然而，美中不足的是，矽振盪器極易受到溫度變化影響，造成頻率不穩定的現象。劉岳光進一步解釋，矽振盪器之所以精準度不佳，是先天材料與製程的特性使然，除矽本身對溫度變化相當敏感外，電路設計進入半導體製程時也會產生許多變異，因而使得矽振盪器的精準度約在±1%，相較於石英振盪器百萬分比(ppm)等級的精準度，差距頗大。
 

也因此，目前意法半導體所推出的10MHz、12MHz、16MHz及32.768kHz四款矽振盪器方案，主要均鎖定在對精準度要求相對不高的應用領域，包括計時器、通用序列匯流排(USB)喇叭、馬達控制器、無線感測網路與8051等運算速度較低微控制器的時脈設計。
 

圖4　芯科實驗室時脈產品資深行銷經理James Wilson強調，該公司矽振盪器的精準度已與石英振盪器相匹敵。

一般而言，電子產品對振盪器精準度的要求，多半取決於通訊標準的規定。如高速USB所需求的時脈精準度為±0.25%。相較之下，不須與外部進行通訊或同步訊號處理的系統，即使時脈來源精準度僅達5%、10%，甚或20%，仍可正常運作。
 

不過，對於矽振盪器精準度不高的問題，芯科實驗室則提出不同觀點。該公司時脈產品資深行銷經理James Wilson(圖4)表示，芯科實驗室已成功突破技術瓶頸，讓矽振盪器的溫度穩定性可達±100ppm至±150ppm等級，足以媲美石英振盪器的效能，可在多種應用領域中取代石英振盪器的使用。
 

據了解，芯科實驗室日前所發表的Si500，可產生0.9M～200MHz間的任何頻率，相位抖動值約1.5ps RMS，週期抖動值最大為2ps RMS，操作溫度在0～70℃間；此外，該元件還支援CMOS、LVPECL、LVDS、HCSL與SSTL等廣泛的輸出格式，並宣稱是市場上唯一支援CMOS雙輸出模式的振盪器，可在相同的頻率上產生兩個輸出時脈，而毋須額外使用時脈緩衝器。
 

MEMS振盪器來勢洶洶
 

同樣也以矽做為材料的MEMS振盪器，則是利用MEMS製程的微型化加工能力，製造出矽基共振結構，再藉由系統級封裝(SiP)方式，將控制晶片與鎖相迴路整合於單一晶片封裝中。
 

最早商用化的矽MEMS振盪器方案，係由Discera於2003年所提出，而後，包括SiTime、Silicon Clocks與Abracon等業者也陸續推出相關產品，讓市場熱度逐漸升溫，就連原本石英振盪器一哥Epson與著重在MEMS慣性感測元件(IMU)的意法半導體，也雙雙展開MEMS振盪器的開發，足見此一產品未來的發展潛力。
 

圖5　Discera首席工程師白明凡表示，MEMS振盪器已廣受數位電視、可攜式攝錄影機與軍事產品導入量產。

Discera目前所推出的MOS1與MOS2方案，已可支援1M～150MHz的頻率應用，操作溫度可涵蓋0～70℃、-20～70℃甚至-40～85℃的範圍，精準度則可達±50～100ppm。在常用的27MHz頻率操作下，電流消耗約4.5毫安培，即使是125MHz的高頻運作也可低於11毫安培；更令人側目的是，該款MEMS振盪器的靜態電流僅不到1微安培，尤其適合電池供電的手持式消費性電子產品應用。
 

Discera首席工程師白明凡(圖5)指出，此款方案具可編程彈性，可應用的頻率範圍甚廣，且精準度已直逼石英振盪器，再加上體積小、功耗低、交期快等優勢，因此在數位電視、可攜式攝錄影機及對堅固性要求嚴苛的軍事產品中，均已有導入量產的成功案例。
 

另一方面，SiTime也於日前發表一系列低功耗、可快速啟動的MEMS振盪器SiT8003、SiT8033與SiT8003XT，以及新一代展頻振盪器SiT9003。其中，前三款方案更是特別針對可攜式產品應用所設計。
 

圖6　SiTime產品行銷總監Jeff Gao指出，MEMS振盪器可與石英振盪器相容，開發工程師毋須變更設計即可進行替換。

SiTime產品行銷總監Jeff Gao(圖6)強調，相較於石英振盪器容易受切割狀況、溼度及溫度而影響性能，MEMS振盪器則具備高度可編程性，因此SiT8003、SiT8033與SiT8003XT系列產品能在不同頻率、精度與操作電壓規格的組合上，均透過可編程方式，輕易組合不同設計參數，來滿足不同設計人員需求。在正常工作狀態下，此三款產品之電流消耗量約為3.5毫安培，在睡眠模式中則降至10微安培，而啟動時間僅需3.5毫秒。
 

至於SiTime新發表的展頻振盪器，功耗更僅為同類型石英產品的三分之一，讓電路設計人員可用單一晶片取代原有雙晶片方案，降低設計電路的EMI達12dB，因而能協助開發人員以較短時間通過EMI環境相容測試。除SiT9003外，SiTime先前已發布過的兩款展頻振盪器SiT9001和SiT9002，均整合該公司已大量交貨且成熟穩定的MEMS共振器作為振盪器內部的參考基頻，並可提供四種業界標準封裝及焊接管腳設計，其中最小可達2.5毫米×2毫米，適用於空間有限的設計。
 

Gao指出，MEMS振盪器不但可實現大規模量產且良率高達90%以上，產品的尺寸與厚度也分別為石英振盪器的十分之一與四分之一，防震能力更達50,000G，遠優於石英產品。加上MEMS振盪器與傳統石英振盪器可完全相容，設計人員毋須變更任何設計，即可直接使用並進行測試，有助快速導入量產和節省成本，因而備受市場矚目。
 

事實上，有鑑於MEMS製程在微型加工的優異性能，Epson也已將此一技術用於其石英共振器結構的製造，從而突破傳統石英製程在100MHz的頻率上限，以持續穩坐石英振盪器市場龍頭的寶座。
 

為避免與矽MEMS振盪器混為一談，Epson便將這種用MEMS製程來製造以石英為基材的共振結構的技術，稱之為QMEMS。Epson電子零件事業群行銷業務一部業務經理蔡宇寬(圖2右)表示，目前該公司已將QMEMS技術用於32.768kHz音叉式石英晶體、感測元件、AT-cut石英晶體與高頻基本波模式(High-frequency Fundamental, HFF)石英晶體振盪器，並已大量生產，藉由其微型加工能力與三維微影(3D Photolithographic)製程，可將石英晶體的導角(Bevel)處理得更為精確，讓頻率更加精準，同時實現更薄的石英晶體設計。
 

此外，劉岳光也透露，由於MEMS振盪器的精準度較矽振盪器更高，且應用範圍也更為廣泛，因此意法半導體已著手進行MEMS振盪器的開發，將進一步結合該公司豐富的時脈矽智財組合與MEMS製程技術的專業，切入此一市場。
 

另一個值得注意的發展現象，則是MEMS振盪器業者所採取的商業模式。為快速提高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採用疑慮，MEMS振盪器業者已開始藉由與傳統石英振盪器業者合作方式，來增加銷售管道。其中，Silicon Clocks更提出授權設計和製程技術矽智財的商業模式，試圖擴大MEMS振盪器的市場規模。
 

新興技術萌芽　石英振盪器拉警報
 

圖7　台灣晶技產品研發中心協理郭啟榮透露，該公司已朝向石英與MEMS製程結合的方向進行研究。

儘管新技術的普及尚須歷經市場重重的考驗，但新創公司的陸續崛起與市場老將的加碼投入，實為石英晶體振盪器製造商發展的一大警訊，尤其對在石英振盪器產業已占有一席之地的台灣業者而言，更不能等閒視之。

台灣晶技產品研發中心協理郭啟榮(圖7)坦言，矽振盪器與MEMS振盪器已是難以抵擋的發展潮流，儘管目前可銷售的市場規模仍不及石英振盪器，但未來發展潛力仍不容小覷。因此，該公司已開始積極構築防禦工事，降低其所造成的衝擊。 蔡宇寬也透露，短期而言，矽振盪器與MEMS振盪器雖無法趕上石英振盪器的主流地位，但Epson日本總部已對這些新技術保持高度戒備，並密切掌握相關發展動態。
 

儘管現階段矽振盪器或MEMS振盪器的精準度仍有極大進步空間，但就技術本身的創新性來說，不啻為整體產業注入一股新的成長契機，尤其是32.768kHz頻率的音叉式石英晶體製造專利多半為日系石英大廠所掌握，讓台系廠商難以在此市場上一展身手，僅能藉由購買現成石英元件來進行組裝，賺取微薄毛利。若能藉由這些創新技術，爭脫專利桎梏的羈絆，不但有助提升市場競爭力，更可進一步擴大市場發展版圖。也因此，包括台灣晶技等不少石英振盪器業者也已悄悄投入研發。
 

不過，矽與石英是兩種截然不同的專業領域，石英振盪器業者若要跨足，絕非易事。劉岳光認為，相較於矽振盪器，MEMS振盪器可涵蓋的頻率範圍與應用領域更大，對晶體振盪器業者而言，投資效益較大。然而，不論選擇何者，都具有一定的進入門檻。
 

郭啟榮也指出，這些新興技術均是相關業者投入鉅資所研發而成，石英振盪器業者若要重新建立一套不同領域的技術，困難度相當高。因此，台灣晶技傾向延續既有石英專業知識並結合MEMS創新技術，來開發新的產品，目前已與知名研究機構展開密切合作。