順應可攜式裝置小型化趨勢　石英晶體振盪器尺寸下探

2008年是第一個晶體振盪器誕生的90周年。因為其高Q值、無可取代的頻率溫度穩定性、低成本、技術成熟性及廣泛的商業取得性，石英晶體持續成為在日益擴展的數位世界中，提供穩定頻率來源的最佳選擇，通常也是唯一選擇。  

因為有線及無線市場的快速成長，石英晶體及其高頻所需的表面聲波(SAW)裝置已受到廣泛運用，範圍從電子玩具所使用的簡單被動石英晶體，到最精密電信網路骨幹時脈所使用的複雜同步計時模組(STM)(表1)。如前篇文章所述，從2000～2001年的「.COM」市場瓦解之後，對於石英晶體及石英振盪器的需求，以每年4～10%之間穩定增加。而頻率控制產品的產業大環境，也經歷巨大的變化。

小尺寸成最佳市場基石

娛樂、遊戲及可攜式電子產品在過去幾年的巨幅成長，將小型石英晶體及晶體振盪器的需求帶向一個空前的層級。目前已能大量供應小至2毫米×1.6毫米的AT切割石英晶體(圖1)，而金屬管封裝32.768kHz的膠模石英音叉亦已供貨多年，但這在幾年前仍難以想像。近年來，使用傳統AT切割晶體封裝方法的石英音叉亦能以極小的尺寸供貨4.1毫米×1.5毫米、3.2毫米×1.5毫米及2毫米×1.2毫米(圖2)。目前主要的目標是將這類石英音叉的厚度推向0.4毫米或更薄，以供輕薄型產品使用。預計在幾年後，即會出現需要更小尺寸石英晶體(1.6毫米×1毫米及1毫米×0.8毫米)的應用，而石英晶體製造商正對此進行因應準備。

圖1　2mm×1.6mm 24M～54MHz石英晶體

圖2　2毫米×1.2毫米 32.768kHz石英音叉

體積小於5毫米×3.2毫米的石英晶體，通常須要密封在真空中，以維持正確的阻抗值。低MHz的小型石英晶體晶片亦須要製成圓邊(Beveling)，以維持有效的能陷(Energy Trapping)。數家晶體振盪器供應商已開始採用光微影製程，以處理小尺寸的石英晶體及低MHz頻率石英晶體。這對於單純仰賴傳統研磨法製造石英晶體的廠商來說，將是發展小型石英晶體產品時，最主要的技術鴻溝。另外，在石英晶體電鍍、黏晶及封裝過程中的技術性難題，也將是處理小型石英晶體晶片的挑戰。  

在晶體振盪器方面，目前受到廣泛應用的是2.5毫米×2毫米互補式金屬氧化層半導體(CMOS)固定頻率晶體振盪器(圖3)，並已開始供應更小的2毫米×1.6毫米版本。2.5伏特供應電壓是目前通用的規格，但1.8伏特或更低供應電壓的市場也在開始興起當中。

圖3　2.5毫米×2毫米 2M～48MHz CMOS晶體振盪器

上列晶體振盪器的可程式化版本(PCXO)則是以7毫米×5毫米、5毫米×3.2毫米及3.2毫米×2毫米等封裝規格出現。這些振盪器具有鎖相迴路(PLL)程式，可依據單一低頻率石英晶體(例如25MHz)，在工作頻率範圍內(例如2M～200MHz)設定為任何需要的頻率。這些振盪器對於設計師極具吸引力，因為它們可以快速設定成開發用途所需要的頻率，但PLL式振盪器同時亦具有較高訊號抖動的先天缺點。另外，具有差動LVPECL/LVDS輸出的晶體振盪器亦以14毫米×9毫米、7毫米×5毫米及5毫米×3.2毫米等封裝出現。上述石英晶體、晶體振盪器及可程式化晶體振盪器的頻率對溫度穩定性，依操作的溫度範圍不同，通常指定頻偏值須低於±100、50及25ppm。至今，AT切割石英晶體是唯一已知能提供這種穩定性，而不需要任何補償的共振元件。  

TCXO的推出，在於能提供更佳的頻率穩定性。AT切割石英晶體具有三次方的頻率溫度穩定性，而TCXO振盪器電路則具有電壓頻率調變功能，能夠以類比或數位方式，將三次方頻率溫度以極佳的頻率對溫度變更率，補償至溫度對sub-10ppm的程度(圖4)。對於現今的手機應用來說，通常需要頻率穩定性優於±2.5ppm的TCXO，以提供精準的參考時脈進行頻率合成；而在全球衛星定位系統(GPS)設備部分，需要的是優於±0.5ppm的TCXO。目前最小的TCXO其體積僅有2毫米×1.6毫米(圖5)。

圖4　16MHz TCXO(80單位)相對於溫度的頻率變更率(在2°C/分變化)

圖5　2毫米×1.6毫米 12M～52MHz TCXO

整體而言，在過去10年中，石英晶體及晶體振盪器製造商已完成以前所想像不到的成就，將石英晶體、XO、PCXO、VCXO和TCXO的尺寸縮小到終端產品所需要的程度。最重要的是，沒有犧牲效能及成本。現在每年已有越來越多的石英晶體元件上市，而成熟產品的平均銷售價格也持續在下降中。  

網路/儲存設備強力成長  

多年來，固定頻率石英振盪器市場主要需要的是CMOS輸出(單端)及低於70MHz的產品，低於70 MHz三倍頻波石英晶體被認為較容易製作。過去廠商主要的目標是在降低晶體振盪器的尺寸，以及降低其供應電壓。網路及儲存設備市場近年來的強力成長，也大幅提升差動輸出最高至160MHz (LVPECL及LVDS)振盪器的需求，而目前許多供應商皆已提供採用7毫米×5毫米及5毫米×3.2毫米平台的產品。  

目前主要有三個採用不同執行方式的解決方案：第一類方案包括將HFF(高頻基本波模式)石英晶體、三倍頻(OT)石英晶體，或是基本SAW共振器與傳統反饋迴路振盪器IC搭配；第二類使用低頻石英晶體(20M～35MHz)與簡單整數PLL IC搭配；第三類包括將三倍頻石英晶體與較高等級的PLL IC，例如三倍頻石英晶體與AFM(類比倍頻器，例如×2)IC、三倍頻與全程式化DSPLL振盪器IC等搭配。  

上述解決方案部分能提供低於1ps rms相位訊號抖動(12k～20MHz)，而除了SAW解決方案外，以上各者皆具備一般AT切割石英晶體的三次方頻率溫度屬性，以及提供±100、50及25ppm方案。現在已有部分供應商能提供具有二次方頻率溫度屬性的固定頻率SAW振盪器。在<160MHz的晶體振盪器市場需求增加時，平均銷售價格就會下降。預期在不久的未來，只有來自第一類的三倍頻石英晶體及SAW共振器解決方案將持續具有競爭能力，但大於160MHz晶體振盪器市場仍會持續進展。若大於160MHz市場現在就出現，第一類的HFF及三倍頻石英晶體解決方案就會因為石英晶體的生產成本過高而無法競爭。  

振盪器IC競爭加劇  

在過去，只有少數美國、歐洲及日本晶體振盪器供應商能取得專屬的振盪器IC，因此主宰了頻率控制產品的市場。其他公司只能參與低階CMOS振盪器產業，或停留在製造石英晶體的階段。而現在，已有為數不少的IC供應商投入，包括NPC、 JRC、Interchip、IDT、Phaselink、AKM、Panasonic、MAS、Glacier、KME、 百力達(Pericom)、Silicon Clocks以及EM Microelectronics等，為許多低至中階XO、PCXO、VCXO及TCXO提供振盪器IC晶粒。這些IC供應商願意與石英振盪器供應商合作，為不同的應用提供產品或發展更小及更薄的高性能振盪器IC晶粒。更多的石英振盪器供應商，特別是來自台灣、中國及韓國的公司，已能在更多頻率控制產品市場中競爭。  

計時產品業者提供晶體振盪器  

如前所述，2008年的石英晶體及晶體振盪器總市場已達41億美元。這市場的投入者通常被歸類為「石英振盪器供應商」，有些亦提供某些以SAW為基礎的產品，如濾波器、共振器及振盪器。但這41億美元之市場規模並不包括諸如EPCOS等只製造SAW產品、但不製造晶體產品的供應商的收益。尚有另一類供應商團隊，提供時脈緩衝器、時脈產生器、時脈分配器等產品。這些投入者通常被歸類為「計時元件供應商」。  

計時元件市場在2008年市場規模達18億美元。在大部分情況，使用者仍須要向石英振盪器供應商購買石英晶體或石英振盪器，以便與他們所購買的計時元件搭配。過去，石英振盪器供應商及計時元件供應商僅支援他們自己的客戶，鮮少跨界供貨，但這種情況在2004年開始有所改變。IDT(當時為ICS)成為第一家提供7毫米×5毫米 PLL式晶體振盪器(內含石英晶體)的計時元件供應商。之後，便有部分IC公司如芯科實驗室(Silicon Labs)、Maxim、安森美半導體(ON Semiconductor)等開始為網路及儲存設備市場提供7毫米×5毫米及5毫米×3.2毫米 XO/VCXO，以及為高階電信網路市場供貨(圖6)。

圖6　芯科實驗室的Si5XX系列7毫米×5毫米 XO/VCXO

這些產品正面迎戰已經在市場上有一定規模的石英振盪器，而一家美國的計時產品供應商甚至藉由購併數家亞洲的石英振盪器供應商，以強化自己的石英晶體產品線。業界中普遍存有一種想法：「只要能分得10%石英晶體和石英振盪器的市場就已經足夠。」對於計時元件供應商的爭相投入(或某些人認為是入侵)，石英振盪器供應商的因應策略各有不同。就某一方面來說，它證明石英振盪器市場非常有潛力，因為能吸引更多廠商投入。而就另一方面而言，也會造成平均銷售價格下降。

藉由電路設計提升振盪器性能  

多年以前，TCXO成為第一種使用補償網路配合振盪器電路，達到sub-10ppm溫度穩定性的石英振盪器。PCXO後來則藉由使用分數-N型PLL電路，而成為成功的產品。上述是透過電路改善石英振盪器性能的實例。而近期以來，某些石英振盪器供應商已開始提供更佳頻偏特性的XO(相較廣工作溫度範圍具有低於±15ppm的「中階」溫度補償，以及密封後調整的陣列電容值，以在室溫下達成更佳的頻率誤差範圍。)  

如前所述，第一個具有低於1ps rms相位抖動(12k～20MHz)的PLL式晶體振盪器出現在2004年。第一個完全可程式化的DSPLL式XO/VCXO則在1年後出現。這些產品有部分已開始挑戰來自現有電信網路業所採用石英振盪器供應商的VCSO和HFF式VCXO。  

上述的溫度補償及可程式架構，在前篇文章所討論的全矽微機電系統振盪器及全矽振盪器的近期發展中，扮演關鍵性的角色。在過去幾年中發展的振盪器電路改善情況，未來還會持續下去。相信對石英晶體及石英振盪器產業未來的影響，將不會只來自共振元件(微機電系統共振器、FBAR、RLC、陶瓷共振器等)的變體，也會來自振盪器電路的改善。  

電信網路市場緩慢復甦  

許多美國及歐洲晶體振盪器供應商在「.COM」市場瓦解的短短兩年內，遭受50～80%的收益損失，因為他們的商業策略主要是以中階或高階 石英晶體以及石英振盪器(HFF、XO、VCXO/ VCSO、TCXO、OCXO和計時模組)為電信大廠提供服務，但某些供應商在景氣低迷時期已消失。電信網路業所採用的石英晶體及石英振盪器市場已顯示復甦的跡象，但誰也不敢確定市場何時才能回到至少1999年時的水準。同時，更多市場中倍數成長之晶體振盪器供應商，正投資開發中至高階石英晶體及石英振盪器，以為電信網路市場的回春做準備。在景氣低迷時期受創的歐美供應商應該很樂見市場復甦，但他們也會發現有越來越多的競爭者，以及電信網路業客戶也會要求更低的價格。  

如前所述，即使現在已有小尺寸的32.768kHz石英音叉(4.1毫米×1.5毫米、3.2毫米×1.5毫米和2毫米×1.2毫米)，但膠模封裝(含金屬管封裝石英音叉)的銷售情況仍相當好，因為許多客戶並不須要或不想付出額外的金錢以得到較小的元件。由於小尺寸石英晶體(5毫米×3.2毫米及更小)的市場規模持續攀升，因此其更低廉及更大的版本的DIP型AT切割石英晶體之平均銷售價格也會成長。這些石英晶體在中國大陸具有非常高的生產量，因為中國大陸石英晶體供應商可在境內取得所有未處理素材(金屬基座、金屬蓋及石英晶體)。即使台灣的石英晶體供應商具備相關技術，也無法在台灣藉由生產這些低廉的產品獲利。  

石英晶體振盪器產業機會與挑戰並存  

在石英晶體振盪器面世即將屆滿百年的現在，其在電子產品中所扮演的角色日益重要。不但沒有因眾多挑戰者的出現而有所動搖，反而衍生了許多始料未及的發展與變革：不但體積變得更小更適合現今電子產品的要求，各項效能也同時提升。當然，就在石英晶體的技術不斷向前邁進的同時，矽陣營也不會默不作聲，同樣出現許多創新的技術與應用。因此，未來將繼續探討石英與矽的進階應用，並整合目前各界看法，推導出石英晶體產業未來的前景與挑戰。  

(本文作者任職於愛普生)