作者：潘九堂

盡管石英晶體振蕩器存在于所有電子產(chǎn)品中，但因為石英很多缺點(diǎn)，如價格昂貴、比硅低20倍的可靠性、尺寸大，且通常由客戶定制，制造時間長，與CMOS不兼容，而且一種封裝只能對應(yīng)一種頻率...在過去30多年間，業(yè)界一直在探索石英晶體振蕩器的替代產(chǎn)品，如今這一探索取得了重大突破。

4月20日，美國初創(chuàng)公司SiTime在北京宣布，推出可代替?zhèn)鹘y(tǒng)石英振蕩器的SiT11xx系列MEMS First振蕩器(硅機(jī)電振蕩器)。SiT11xx系列提供1MHz～125MHz輸出頻率，適合數(shù)瑪相機(jī)、游戲機(jī)、機(jī)頂盒、MP3播放器等各類消費(fèi)電子產(chǎn)品，汽車電子及工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用。SiTime的振蕩器在-40℃～85℃溫度變化范圍內(nèi)提供50ppm～100ppm的頻率精度，而操作電壓僅在3.3V、2.5V或1.8V。SiTime目前已經(jīng)可以提供樣片，預(yù)計9月量產(chǎn)出貨。SiTime公司還宣布和香港先思行有限公司(AV Concept Limited)簽定中國大陸及香港地區(qū)獨(dú)家銷售代理權(quán)。

SiTime聯(lián)盟總裁Joe Brown表示：“硅機(jī)電振蕩器是革命性的產(chǎn)品，將在未來10年內(nèi)取代超過90%的石英晶體振蕩器。因為硅機(jī)電振蕩器極大地節(jié)約了尺寸和成本，容易使用，高度集成，可靠性高并具備超越晶體振蕩器的性能。”

石英晶體與硅機(jī)電振蕩器的技術(shù)性能比較。

雖然硅機(jī)電振蕩器已經(jīng)出現(xiàn)多年，但于硅機(jī)電振蕩器沒有很好解決一些重大技術(shù)問題，所以一直處于研究階段，主要問題包括：比較差的長時間穩(wěn)定性，溫度遲滯現(xiàn)象，以及達(dá)30ppm/℃的頻率-溫度系數(shù)；另外就是較高的成本和封裝尺寸。

Brown表示，MEMS-first和EpiSeal封裝的發(fā)明允許硅諧振器封裝于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低成本塑料封裝，并解決了維持潔凈真空的問題，實際上消除了空腔污染物和老化現(xiàn)象，減輕了溫度補(bǔ)償和漂移的復(fù)雜性。MEMS-first和EpiSeal清除了MEMS諧振器推出市場的障礙，解決包括溫度/頻率滯后、長期穩(wěn)定性及包裝成本等問題。SiTime的MEMS振蕩器基于200mm標(biāo)準(zhǔn)SOI(絕緣硅)CMOS兼容的晶圓制造，采用標(biāo)準(zhǔn)QFN封裝，QFN包裝內(nèi)包括一個CMOS驅(qū)動IC和MEMS諧振器，組成一個完整的振蕩器。SiTime的產(chǎn)品目前由臺積電采用0.18微米工藝代工。

他介紹說，SiTime諧振器比同類型石英諧振器的體積少1,000倍，性能優(yōu)異。例如傳統(tǒng)石英晶體的長期穩(wěn)定性或老化程度一般為0.050ppm，對SiTime測試樣本而言卻是目前的上限。一般來說，傳統(tǒng)石英晶體的首年老化程度在+2及+5ppm之間，超過十年老化程度在+10及+15ppm之間，在最差的情況下，非MEMS硅時鐘振蕩器的容許頻偏為2,500到25,000ppm。溫度對頻率滯后誤差，在超過攝氏4度的情況下，SiTime諧振器速率為每分鐘少于1ppm，同類型石英諧振器在同樣情況下的表現(xiàn)則為每分鐘±ppm。

此外，Brown還指出，在PCB的layout上，傳統(tǒng)石英振蕩器需要3個外部元件，包括2個負(fù)載電容和一個分流電阻，而SiTime振蕩器可以節(jié)省三個元件，而且沒有ESD、EMC、負(fù)阻、振動和沖擊等問題。相比于需要額外器件連接的石英晶體，SiTime振蕩器不容易受干擾的影響，貼裝可以遠(yuǎn)離ASIC。SiTime振蕩器與石英晶體連接ASIC 一樣使用，僅僅需要驅(qū)動Xin引腳而使Xout引腳開路。

對于有快速需求的客戶，SiTime提供有SiT11xx的可編程版本SiT8002，SiT8002已有樣片并可用于量產(chǎn)。相比于SiT11xx，SiT8002提供相似的特性。SiT11xx系列和SiT8002提供2.0×2.5mm、2.5×3.2mm、3.2×5.0mm三種封裝尺寸，厚度均為0.85mm。SiT11xx售價低于0.49美金(每百萬片采購量/月)，SiT8002售價低于0.69美金(每百萬片采購量/月)。

精度和成本是關(guān)鍵問題

雖然傳統(tǒng)的晶振廠商一直也在關(guān)注硅振蕩器的發(fā)展，但SiTime的產(chǎn)品出現(xiàn)著實讓他們大吃一驚。廈門克萊斯特電子有限公司華南區(qū)經(jīng)理高波表示：“很早就聽說了硅晶體 只不過想不到來得這么快，這是危急(我們)飯碗的事情。長遠(yuǎn)來看，理論上普通的石英行業(yè)會消失大半。”廈門克萊斯特電子有限公司是從事傳統(tǒng)石英晶振生產(chǎn)與銷售的專業(yè)廠商，主要產(chǎn)品有石英晶體諧振器、單片晶體濾波器、鐘控振蕩器、陶瓷諧振器、陶瓷濾波器、介質(zhì)諧振器和介質(zhì)濾波器等。

石英晶體/硅機(jī)電振蕩器：設(shè)計關(guān)注的問題。

不過，他們都對SiTime產(chǎn)品的精度和價格提出了質(zhì)疑，并認(rèn)為這也是未來硅振蕩器能夠在多大程度上取代石英晶振的關(guān)鍵。深圳市晶科鑫實業(yè)有限公司總經(jīng)理孫剛表示，此前也出現(xiàn)過類似這種產(chǎn)品，但價格很貴，而且精度都很難達(dá)到100ppm，即使“精度為50ppm的話，對于通信應(yīng)用恐怕不夠，例如手機(jī)一般要求2.5ppm，而藍(lán)牙等2.4GHz和5.8GHz應(yīng)用要求10ppm以內(nèi)。如果精度還能夠提高的話，對晶振產(chǎn)業(yè)會影響很大。”晶科鑫實業(yè)有限公司是專業(yè)生產(chǎn)石英晶振，陶瓷晶振，鐘振及晶體濾波器的集團(tuán)公司，可以為客戶提供高精度、可靠性強(qiáng)的軍用及民用晶體，月產(chǎn)量達(dá)600萬只，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于3C等領(lǐng)域，并大量出口歐美市場。

而SiTime的銷售及市場部總裁John McDonald則認(rèn)為，就消費(fèi)電子應(yīng)用，SiTime產(chǎn)品的精度已經(jīng)足夠。他對《國際電子商情》表示：“晶振是一個古老的市場，也是一個很細(xì)分的市場，不同的精度對應(yīng)不同的應(yīng)用，如2.5ppmm的產(chǎn)品通常用于手機(jī)，5ppm和10ppm通常面向藍(lán)牙等無線通信應(yīng)用，20-30ppm的產(chǎn)品應(yīng)用于存儲。而消費(fèi)電子應(yīng)用一般采用50-100ppm的產(chǎn)品，這也是目前SiTime的目標(biāo)市場。”

但高波不同意McDonald這種50ppm已經(jīng)足夠的說法。他表示，雖然對于一般應(yīng)用領(lǐng)域，50ppm沒有問題。而中國工程師有個特點(diǎn)，對振蕩器了解有限，但是由于振蕩器類似于電路心臟的作用，又不敢馬虎，所以會用低誤差的料以彌補(bǔ)和防范可能的用料風(fēng)險。另外，還有一個原因是行業(yè)混亂，本來如果是實實在在的50ppm而且各項指標(biāo)都達(dá)標(biāo)的話，工程師用了也放心，但是由于廠商素質(zhì)不一樣，導(dǎo)致說50ppm的用了會出問題，給工程師的印象是，50ppm的不能用。他指出：“據(jù)我們所知，一些設(shè)計方案最初的BOM單中都是50ppm的，但到了中國都改成了20或者30ppm的晶振。”

對于這種現(xiàn)象，McDonald表示理解。他解釋說：“例如，盡管一個石英晶體振蕩器的頻率精度是±20ppm，但可能會因為電壓變動有±1ppm的影響，焊接溫度有±5ppm的影響，機(jī)械震動與沖擊有±3ppm的影響，溫度范圍可能有±5-20ppm的影響等等。這些都是十分常見的影響精度的因素，必須考慮進(jìn)去，但石英晶體振蕩器廠商卻只告訴客戶產(chǎn)品的精度是±20ppm，事實上，實際應(yīng)用環(huán)境中精度可能只能達(dá)到50ppm。因此，客戶需要50ppm精度的時候，選擇了20ppm的石英晶體振蕩器是正確的，是從實際經(jīng)驗出發(fā)。”他強(qiáng)調(diào)，“對于SiTime的而言，承諾50ppm的時候，已經(jīng)包括了所有溫度變化、電壓變化和老化這些因素的影響。事實上，由于采用硅工藝，沒有外圍器件，這些影響因素幾乎沒有，都接近0。”

McDonald透露說：“事實上，目前SiTime的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了5ppm，我們生產(chǎn)了8,000個測試樣品都可以達(dá)到5ppm，但我們現(xiàn)在不承諾可以大量制造5ppm的產(chǎn)品，我們希望等到一年后一切都沒有問題的時候再宣布。一方面，這是對客戶負(fù)責(zé)，另一方面，這也是給SiTime的經(jīng)營策略。”他解釋說，要以低成本實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，內(nèi)部掌握的技術(shù)必須更高。如果我現(xiàn)在掌握了5ppm的技術(shù)，我向客戶承諾可以做到10ppm，那對我的生產(chǎn)成本要求很高，因為生產(chǎn)出的產(chǎn)品可能有一部分不合格，那就需要檢測，而檢測的成本也是非常高的。如果我現(xiàn)在已經(jīng)掌握5ppm的技術(shù)，要生產(chǎn)出50ppm的產(chǎn)品，可能就根本不需要檢測，生產(chǎn)成本會很低，因為即使生產(chǎn)過程控制不好，也不會超過50ppm，可能是大部分產(chǎn)品的精度達(dá)5ppm，少部分產(chǎn)品的精度也在30ppm以內(nèi)。如果我要向客戶承諾2.5ppm，可能內(nèi)部掌握的技術(shù)要低于1ppm，才能實現(xiàn)低成本生產(chǎn)。

McDonald不愿意說出具體什么時候推出5ppm的產(chǎn)品，稱目前談?wù)?ppm還太早。他表示：“很多年輕的公司，為了達(dá)到非常高的目標(biāo)，研發(fā)上付出了大量的精力。對于SiTime來說，我們希望一步步地達(dá)到目標(biāo)，首先面向消費(fèi)電子市場，隨著精度的提升，接著是存儲應(yīng)用，然后是無線通信應(yīng)用。我們有嚴(yán)格的產(chǎn)品路線圖，希望每6個月都推出新的產(chǎn)品，有新的發(fā)展，持續(xù)地獲得收入。”他強(qiáng)調(diào)：“將來我們一定會進(jìn)入通信市場，因為我們的技術(shù)已經(jīng)沒有問題，只是一個時間的問題。”

另外一個關(guān)鍵問題就是價格，目前SiTime的目標(biāo)市場是消費(fèi)電子市場，而在這一市場上，價格十分敏感。孫剛指出：“出于成本考慮，一般的數(shù)瑪相機(jī)、游戲機(jī)、機(jī)頂盒和MP3播放器都使用諧振器，很少使用振蕩器。SiTime的產(chǎn)品每百萬片采購量/月的采購量價格才低于49美分，而一般的諧振器價格為10-20美分，最高也不過30美分，價格相差一倍多，因此SiTime的產(chǎn)品對諧振器影響不大。”

高波也同意這個觀點(diǎn)：“SiTime的報價振蕩器差不多，對振蕩器的廠家來說，確實不是個好消息，諧振器暫時安全。因為諧振器的附加值沒有振蕩器高，初步估計他們還不會完全涉足，再加上因為目前硅晶體還沒有實現(xiàn)大量量產(chǎn)，市場也需要預(yù)熱，它只能一個一個來進(jìn)攻。”

McDonald則表示，SiTime的目標(biāo)是取代小尺寸SMT晶振，面向?qū)w積要求很嚴(yán)格的應(yīng)用。相比小尺寸SMT晶體，SiTime的性價比更高。他解釋說：“因為對于SMT晶體來說，價格隨著體積變動，體積越小，價格越貴；而對MEMS振蕩器，體積越小，占用的硅片越小，越便宜。例如一個數(shù)碼相機(jī)上可能有5個石英晶振，由于體積很小，可能單價超過0.7美元。”他還指出，“對于中國晶振制造商而言，由于大尺寸晶振可以依賴更多的人工，更少的設(shè)備，因此可以做得很便宜；但當(dāng)尺寸很小的時候，手工已經(jīng)不可能，需要依賴昂貴的自動化設(shè)備，并沒有價格優(yōu)勢。”

McDonald還暗示，量產(chǎn)后的價格可能低于最初49美分的報價。他表示：“價格通常很難預(yù)測，取決于市場。因為這個產(chǎn)品發(fā)布是面向全球，包括歐美，所以價格比較“虛”。對于美國市場上來說，售價會很高，因為客戶并不是買產(chǎn)品用于大量生產(chǎn)，而是用于研發(fā)，價格不是問題，因此在新聞稿中設(shè)定了一個比較高的價格。”SiTime公司中國區(qū)經(jīng)理裘浩也補(bǔ)充說：“北美的價格和中國的價格有一定的差異。我們相信我們的價格一定是非常有競爭力的，因為我們要面向消費(fèi)電子市場，我不能夠說我們的價格有多低，但至少針對我們要做的市場，我們的價格是有競爭力的，這樣才能夠保證我們會進(jìn)入這個市場。”

2008年可能是MEMS振蕩器的分水嶺

從目前來看，由于SiTime主要是面向振蕩器和小尺寸SMT晶體，因此對中國供應(yīng)商的影響暫時有限，影響最大的是日本供應(yīng)商。因為目前中國供應(yīng)商仍以諧振器為主，振蕩器為輔，振蕩器和小尺寸SMT晶體主要為NDK、Kyocera、Toyocom、Epson等日本供應(yīng)商把持。有意思的是，SiTime的可編程版本SiT8002的料號都與愛普生的可編程晶振SG-8002一樣。

然而SiTime的野心不僅是這個每年超過90億顆石英晶體振蕩器、價值30億美金規(guī)模的石英市場，還包括ICS/IDT、賽普拉斯(Cyperss)和ADI等廠商所在的時鐘芯片市場，后者也超過20億美元。由于很多電子系統(tǒng)中需要多個頻率，而一個晶體只能夠產(chǎn)生一個頻率，用多個晶體成本會很高，所以需要用時鐘芯片。對于SiTime而言，一個芯片可以集成幾個MEMS，直接產(chǎn)生不同的頻率，無需使用時鐘芯片，可以節(jié)省很多成本。SiTime將于2008年推出這種單芯片時鐘產(chǎn)品。Brown還表示，目前的時鐘市場中，做晶振的廠商不做時鐘芯片，做時鐘芯片的不做晶振，結(jié)果是客戶要找兩個廠家買，一旦出了問題，兩個廠家都推卸責(zé)任，如果將來SiTime推出單芯片方案，所有的問題都有SiTime負(fù)責(zé)。另有意思的是，在SiTime的團(tuán)隊中，有多位高管是來自Cyperss這類時鐘芯片供應(yīng)商。

不過在現(xiàn)階段，SiTime還只是瞄準(zhǔn)石英晶體市場。McDonald介紹說，目前SiTime已經(jīng)和客戶簽訂了100萬顆的訂單，將于2006年第四季度交貨。很多廠商對SiTime的產(chǎn)品有興趣，在和SiTime接觸。但還是需要時間，特別是一些重要的產(chǎn)品，如手機(jī)，需要將近一年的設(shè)計時間。他指出：“到2008年，MEMS振蕩器會獲得很大的市場份額(significant market share)，成為市場主流產(chǎn)品。”

除了此次推出的產(chǎn)品外，SiTime下一個產(chǎn)品將是面向?qū)崟r時鐘應(yīng)用的32KHz產(chǎn)品，可能在2007年1月發(fā)布，于2007年第一季度提供工程樣片。SiTime也將于今年第四季度發(fā)布200MHz的高頻產(chǎn)品，面向存儲等應(yīng)用。香港先思行有限公司(AV Concept Limited)是美國SiTime公司授權(quán)的中國大陸、香港及新加坡地區(qū)指定代理銷售商，同時也是三星半導(dǎo)體(Samsung)和飛兆半導(dǎo)體(Fairchild)在大陸、香港及新加坡授權(quán)的代理。先思行公司在香港、深圳、上海及新加坡設(shè)有分支機(jī)構(gòu)。

盡管SiTime成立于2004年12月，但其主要創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊成員在過去30年來一直從事于MEMS技術(shù)開發(fā)，并有創(chuàng)辦多個相關(guān)領(lǐng)域公司的經(jīng)歷。SiTime公司的董事長、CEO和共同創(chuàng)始人Kurt Petersen博士1976年就在IBM開始研究MEMS諧振器。而SiTime公司的現(xiàn)任COO、執(zhí)行副總裁和共同創(chuàng)始人Markus Lutz在Robert Bosch GmbH公司參與了MEMS First技術(shù)開發(fā)。SiTime獲得了Robert Bosch GmbH的獨(dú)家專利技術(shù)授權(quán)。SiTime的主要投資者是Greylock、NEA風(fēng)險資金和Robert Bosch GmbH。

除了SiTime外，美國還有Discera Inc.和Innovative Biotechnologies International Inc.等公司從事MEMS振蕩器開發(fā)。例如，Discera公司于2003年6月推出的MRO-100就是一個功能齊備的MEMS振蕩器，它包括一個MEMS諧振器和一個振蕩IC，采用一個3mm×3mm的陶瓷封裝。該器件的初步目標(biāo)是針對手機(jī)應(yīng)用，可以取代手機(jī)中的電壓控制溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(VCTCXO)，其初期產(chǎn)品的振蕩頻率為19.2MHz，用于CDMA手機(jī)。

McDonald強(qiáng)調(diào)：“與同類廠商相比，SiTime關(guān)鍵的不同是成本。”他介紹說，SiTime的諧振是集成在硅片內(nèi)，因此所需要的硅片面積小(0.6×0.8mm)，封裝成本低，所以總體成本低；而Discera采用的兩個裸片堆棧，所需要的硅片面積大(2.0×2.0mm)，封裝成本也高，整體成本非常高，因此只能夠面向手機(jī)等成本不敏感的領(lǐng)域。但由于要進(jìn)入手機(jī)市場非常艱難，而且Discera的產(chǎn)品還沒有解決熱滯后(thermal hysteresis)和長期穩(wěn)定性等問題，所以一直沒有實現(xiàn)量產(chǎn)。他笑道：“我們不把Discera視為競爭對手，事實上，我們希望它取得成功，讓人們更多了解MEMS技術(shù)，我們的競爭對手是石英。”