MEMS時脈挑戰石英地位　全面普及仍待東風

近年來，微機電系統(MEMS)隨著加速計、陀螺儀、麥克風等感測元件在消費性裝置應用市場大行其道而廣受矚目。然而，MEMS技術不只能運用在感測器領域，在時脈市場上，也被許多業界人士看好將成為研磨/切割工法的接班人，因而展開研發。然而，存在超過一甲子的傳統石英元件，已經在電子業界擁有極為深厚的基礎，對以MEMS製程技術製造的新一代時脈方案而言，要跨越其所設下的障礙並非易事。  

全矽時脈方案來勢洶洶  

以高可靠度與微型化潛力做為主要訴求的全矽時脈方案，近年來在新創公司SiTime的大力推廣下，在市場上迭有斬獲。根據SiTime所提供的資料顯示，目前該公司全球已有超過一千個合作或測試計畫，也有客戶以其方案取代既有石英元件的案例，顯示全矽微機電時脈元件已具備問鼎石英時脈市場的潛力。  

圖1　SiTime行銷總監Jeff Gao認為，以傳統研磨切割工法製造的石英時脈元件，已經無法滿足許多新一代應用的需求。

SiTime行銷總監Jeff Gao(圖1)指出，問世已經超過一甲子的石英時脈元件，雖然具有訊號極為精準的特性，但在傳統切割工法的限制下，其微型化發展已經接近極限。相較之下，以半導體微機電製程生產的全矽時脈元件，在微型化方面還有很大的發展潛力，如SiTime日前針對高容量用戶身份識別模組卡(HC SIM)應用所發表的時脈元件便是最好的案例。在這類卡片型的應用中，全矽時脈元件可以實現傳統石英所難以達成的超薄型化設計，其封裝厚度最薄可達0.25毫米，而一般石英時脈元件的封裝厚度最薄也僅能做到1毫米左右。  

除了微型化之外，全矽時脈元件也不會有老化、不耐機械衝擊等石英時脈元件的缺點，因此在穩定性與可靠度方面有非常顯著的優勢。這點對於車用資通訊系統等對元件品質要求嚴苛的應用市場而言，也是一大優勢。  

值得一提的是，SiTime的微機電製程技術來源，正是以汽車電子聞名的德國博世(Bosch)集團，因此SiTime在第一款時脈元件推出後，很快便能推出對應的車規方案，將全矽時脈解決方案的先天優勢發揮得淋漓盡致。  

微機電技術加持　石英時脈仍有競爭力  

圖2　愛普生電子零件事業群產品企劃一部經理殷之江表示，微機電製程是時脈元件未來必然的發展方向，但並不表示石英材料將被淘汰。

然而，微機電製程並非全矽時脈的專利，以石英為基礎的時脈元件也可以利用微機電技術生產，以突破研磨工法所設下的微縮障礙。愛普生(Epson)電子零件事業群產品企劃一部經理殷之江(圖2)指出，以研磨切割方式生產的石英時脈元件，確實在微縮方面遇到很多技術挑戰。愛普生也認為，未來若要在時脈市場上持續推出有競爭力的產品，一定要在製程技術方面取得新突破，也因此愛普生在2006年便投入QMEMS技術研發，試圖延續石英材料在時脈應用上的未來發展。  

其實，以石英為基礎的時脈元件在精準度、溫度漂移等指標性能上，仍比矽材料來得更為優異。這是材料本身的特性使然，也是愛普生當初仍堅持使用石英材料的原因。例如在射頻通訊如無線區域網路(WLAN)、藍牙(Bluetooth)、全球衛星定位系統(GPS)等應用中，其射頻元件對參考時脈的穩定程度要求至少須達到20ppm，甚至1ppm以下。為了達到這個目標，晶體本身必須具備極佳的溫度漂移性能，因此能夠達到上述要求的時脈元件，通常又被稱為溫度補償晶體振盪器(TCXO)。  

殷之江進一步指出，射頻通訊系統對TCXO的精度要求仍持續提高，這個趨勢的主要驅動力量有二，第一，更精準的參考時脈將有助於射頻晶片廠商縮小其晶片內建的可變電容尺寸，進一步實現更小，成本更低廉的射頻晶片元件；第二，新應用出現促使TCXO的精度必須進一步提高，如最近非常熱門的毫微微型蜂巢式基地台(Femtocell Basestation)，便要求射頻電路的參考時脈精度必須達到0.1ppm。目前所有主要的TCXO供應商正大力投入0.1ppm產品研發，大多是為了搶攻毫微微型蜂巢式基地台所帶來的可觀商機。  

相較之下，目前在訊號精準度方面，全矽時脈元件與石英時脈元件仍有顯著的差異。從SiTime與愛普生的時脈元件產品線組合(表1)來看，就可看出現階段全矽時脈元件的精準度，仍無法完整涵蓋目前採用TCXO的應用市場。

表1　矽/石英振盪器產品線比較(以精度為比較基準)
廠商\產品精度(PPM)	+-100	+-50	+-30	+-25	+-10	+-0.5	+-0.05
SiTime	◎	◎	◎	◎	◎	--	--
愛普生	◎	◎	◎	◎	◎	◎	--

◎代表已有產品， --代表產品開發中
資料來源：SiTime, 愛普生

事實上，以矽為基礎的時脈方案要在溫度飄移性能追上以石英為基礎的產品，還有一段路要走，因為TCXO這類元件內部除了振盪器之外，負責進行溫度補償的電路，亦即TCXO驅動器，也是決定元件效能的關鍵。矽與石英兩種材料對溫度變化的反應差異極大，因此在驅動器的設計上，勢必要做出對應的設計變更，甚至推出全新產品。因此，業界普遍認為新材料要運用在TCXO這類產品上所須跨越的門檻更高，且任何新技術導入的初期，都一定要經過一段試用驗證的過程，才能評估供應商所提供的方案是否真能滿足可靠度的要求。畢竟客戶在沒有實際案例證明新產品穩定可靠前，通常不會讓自己貿然成為新技術的實驗白老鼠。  

對高精度產品線涵蓋範圍不足的問題，Gao僅回應，由於SiTime目前仍是一家由創投公司支持的新創企業，因此在產品開發策略上必須先鎖定幾項策略重點來發展，以求迅速創造收入。在這個大原則下，產品線的涵蓋範圍無法跟已經在市場上存在多年的老牌供應商相提並論。但這並不意味著矽時脈方案無法滿足射頻系統的需求，SiTime內部也有進軍射頻參考時脈市場的計畫，只是目前尚未進展到可以對外發表產品的階段。  

客場作戰吃力　MEMS時脈還有硬仗要打  

其實，不管是以終結石英時代作為號召的SiTime，或是本身就是石英晶體主要供應商的愛普生，在推廣新一代微機電時脈方案時，還是得面對傳統石英晶體產品仍為市場主流的現實。殷之江不諱言，過去經愛普生內部評估曾認為研磨技術幾乎快要走到盡頭，但也不乏新式切割工法適時出現，使其元件尺寸能夠繼續微縮。這對於主打微型化優勢的MEMS而言，並不是一件好消息。他並強調：「如果在產品規格上無法獨一無二，就不能談價值，只能談價格了。」不少設計工程師的觀點也呼應殷之江的看法，指出若沒有急單這類特殊情況，多半仍傾向使用傳統石英晶體，因其價格具有壓倒性的優勢。  

另一個現實的問題則是，即便MEMS技術有能力作出更微型化的產品，在業界普遍依照石英元件的標準封裝規格如3225、2016等來進行產品設計時，時脈元件的供應商為了滿足需求，即使振盪器本體能做得再小，封裝尺寸還是跟石英晶體一樣大。這點可以從SiTime的一些產品命名編號刻意與現有石英振盪器一致，甚至完全接腳相容的現象得到印證。除非業界能接受微機電時脈元件徹底走自己的路，否則這個問題將難以解決。  

Gao認為，環顧目前的時脈市場現況，上述問題確實存在。至於SiTime對產品命名的規畫上，則是基於直接取代現有石英方案的策略，才能夠最快獲得投資回報。當微機電時脈方案的供應商家數增加，始可凝聚成一股改變市場跟業界觀念的力量，或是找到像HC SIM這種傳統石英方案無力切入的新市場，才有發言的權力。因此，Gao表示，站在SiTime的立場，其實非常希望其他具備微機電時脈開發能力的廠商盡快推出產品，一起把市場做大。畢竟光靠一家公司的力量，是無法扭轉業界觀念的。