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硅机电振荡器问世,秉持性能优势即将取代传统石英晶振

上网日期: 2006年04月25日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:硅机电振荡器? 石英晶体振荡器? SiTime? MEMS First?

作者:潘九堂

尽管石英晶体振荡器存在于所有电子产品中,但因为石英很多缺点,如价格昂贵、比硅低20倍的可靠性、尺寸大,且通常由客户定制,制造时间长,与CMOS不兼容,而且一种封装只能对应一种频率...在过去30多年间,业界一直在探索石英晶体振荡器的替代产品,如今这一探索取得了重大突破。

4月20日,美国初创公司SiTime在北京宣布,推出可代替传统石英振荡器的SiT11xx系列MEMS First振荡器(硅机电振荡器)。SiT11xx系列提供1MHz~125MHz输出频率,适合数玛相机、游戏机、机顶盒、MP3播放器等各类消费电子产品,汽车电子及工业产品应用。SiTime的振荡器在-40℃~85℃温度变化范围内提供50ppm~100ppm的频率精度,而操作电压仅在3.3V、2.5V或1.8V。SiTime目前已经可以提供样片,预计9月量产出货。SiTime公司还宣布和香港先思行有限公司(AV Concept Limited)签定中国大陆及香港地区独家销售代理权。

SiTime联盟总裁Joe Brown表示:“硅机电振荡器是革命性的产品,将在未来10年内取代超过90%的石英晶体振荡器。因为硅机电振荡器极大地节约了尺寸和成本,容易使用,高度集成,可靠性高并具备超越晶体振荡器的性能。”

石英晶体与硅机电振荡器的技术性能比较。

虽然硅机电振荡器已经出现多年,但于硅机电振荡器没有很好解决一些重大技术问题,所以一直处于研究阶段,主要问题包括:比较差的长时间稳定性,温度迟滞现象,以及达30ppm/℃的频率-温度系数;另外就是较高的成本和封装尺寸。

Brown表示,MEMS-first和EpiSeal封装的发明允许硅谐振器封装于工业标准的低成本塑料封装,并解决了维持洁净真空的问题,实际上消除了空腔污染物和老化现象,减轻了温度补偿和漂移的复杂性。MEMS-first和EpiSeal清除了MEMS谐振器推出市场的障碍,解决包括温度/频率滞后、长期稳定性及包装成本等问题。SiTime的MEMS振荡器基于200mm标准SOI(绝缘硅)CMOS兼容的晶圆制造,采用标准QFN封装,QFN包装内包括一个CMOS驱动IC和MEMS谐振器,组成一个完整的振荡器。SiTime的产品目前由台积电采用0.18微米工艺代工。

他介绍说,SiTime谐振器比同类型石英谐振器的体积少1,000倍,性能优异。例如传统石英晶体的长期稳定性或老化程度一般为0.050ppm,对SiTime测试样本而言却是目前的上限。一般来说,传统石英晶体的首年老化程度在+2及+5ppm之间,超过十年老化程度在+10及+15ppm之间,在最差的情况下,非MEMS硅时钟振荡器的容许频偏为2,500到25,000ppm。温度对频率滞后误差,在超过摄氏4度的情况下,SiTime谐振器速率为每分钟少于1ppm,同类型石英谐振器在同样情况下的表现则为每分钟±ppm。

此外,Brown还指出,在PCB的layout上,传统石英振荡器需要3个外部元件,包括2个负载电容和一个分流电阻,而SiTime振荡器可以节省三个元件,而且没有ESD、EMC、负阻、振动和冲击等问题。相比于需要额外器件连接的石英晶体,SiTime振荡器不容易受干扰的影响,贴装可以远离ASIC。SiTime振荡器与石英晶体连接ASIC 一样使用,仅仅需要驱动Xin引脚而使Xout引脚开路。

对于有快速需求的客户,SiTime提供有SiT11xx的可编程版本SiT8002,SiT8002已有样片并可用于量产。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三种封装尺寸,厚度均为0.85mm。SiT11xx售价低于0.49美金(每百万片采购量/月),SiT8002售价低于0.69美金(每百万片采购量/月)。

精度和成本是关键问题

虽然传统的晶振厂商一直也在关注硅振荡器的发展,但SiTime的产品出现着实让他们大吃一惊。厦门克莱斯特电子有限公司华南区经理高波表示:“很早就听说了硅晶体 只不过想不到来得这么快,这是危急(我们)饭碗的事情。长远来看,理论上普通的石英行业会消失大半。”厦门克莱斯特电子有限公司是从事传统石英晶振生产与销售的专业厂商,主要产品有石英晶体谐振器、单片晶体滤波器、钟控振荡器、陶瓷谐振器、陶瓷滤波器、介质谐振器和介质滤波器等。

石英晶体/硅机电振荡器:设计关注的问题。

不过,他们都对SiTime产品的精度和价格提出了质疑,并认为这也是未来硅振荡器能够在多大程度上取代石英晶振的关键。深圳市晶科鑫实业有限公司总经理孙刚表示,此前也出现过类似这种产品,但价格很贵,而且精度都很难达到100ppm,即使“精度为50ppm的话,对于通信应用恐怕不够,例如手机一般要求2.5ppm,而蓝牙等2.4GHz和5.8GHz应用要求10ppm以内。如果精度还能够提高的话,对晶振产业会影响很大。”晶科鑫实业有限公司是专业生产石英晶振,陶瓷晶振,钟振及晶体滤波器的集团公司,可以为客户提供高精度、可靠性强的军用及民用晶体,月产量达600万只,产品广泛应用于3C等领域,并大量出口欧美市场。

而SiTime的销售及市场部总裁John McDonald则认为,就消费电子应用,SiTime产品的精度已经足够。他对《国际电子商情》表示:“晶振是一个古老的市场,也是一个很细分的市场,不同的精度对应不同的应用,如2.5ppmm的产品通常用于手机,5ppm和10ppm通常面向蓝牙等无线通信应用,20-30ppm的产品应用于存储。而消费电子应用一般采用50-100ppm的产品,这也是目前SiTime的目标市场。”

但高波不同意McDonald这种50ppm已经足够的说法。他表示,虽然对于一般应用领域,50ppm没有问题。而中国工程师有个特点,对振荡器了解有限,但是由于振荡器类似于电路心脏的作用,又不敢马虎,所以会用低误差的料以弥补和防范可能的用料风险。另外,还有一个原因是行业混乱,本来如果是实实在在的50ppm而且各项指标都达标的话,工程师用了也放心,但是由于厂商素质不一样,导致说50ppm的用了会出问题,给工程师的印象是,50ppm的不能用。他指出:“据我们所知,一些设计方案最初的BOM单中都是50ppm的,但到了中国都改成了20或者30ppm的晶振。”

对于这种现象,McDonald表示理解。他解释说:“例如,尽管一个石英晶体振荡器的频率精度是±20ppm,但可能会因为电压变动有±1ppm的影响,焊接温度有±5ppm的影响,机械震动与冲击有±3ppm的影响,温度范围可能有±5-20ppm的影响等等。这些都是十分常见的影响精度的因素,必须考虑进去,但石英晶体振荡器厂商却只告诉客户产品的精度是±20ppm,事实上,实际应用环境中精度可能只能达到50ppm。因此,客户需要50ppm精度的时候,选择了20ppm的石英晶体振荡器是正确的,是从实际经验出发。”他强调,“对于SiTime的而言,承诺50ppm的时候,已经包括了所有温度变化、电压变化和老化这些因素的影响。事实上,由于采用硅工艺,没有外围器件,这些影响因素几乎没有,都接近0。”

McDonald透露说:“事实上,目前SiTime的技术已经达到了5ppm,我们生产了8,000个测试样品都可以达到5ppm,但我们现在不承诺可以大量制造5ppm的产品,我们希望等到一年后一切都没有问题的时候再宣布。一方面,这是对客户负责,另一方面,这也是给SiTime的经营策略。”他解释说,要以低成本实现大规模量产,内部掌握的技术必须更高。如果我现在掌握了5ppm的技术,我向客户承诺可以做到10ppm,那对我的生产成本要求很高,因为生产出的产品可能有一部分不合格,那就需要检测,而检测的成本也是非常高的。如果我现在已经掌握5ppm的技术,要生产出50ppm的产品,可能就根本不需要检测,生产成本会很低,因为即使生产过程控制不好,也不会超过50ppm,可能是大部分产品的精度达5ppm,少部分产品的精度也在30ppm以内。如果我要向客户承诺2.5ppm,可能内部掌握的技术要低于1ppm,才能实现低成本生产。

McDonald不愿意说出具体什么时候推出5ppm的产品,称目前谈论5ppm还太早。他表示:“很多年轻的公司,为了达到非常高的目标,研发上付出了大量的精力。对于SiTime来说,我们希望一步步地达到目标,首先面向消费电子市场,随着精度的提升,接着是存储应用,然后是无线通信应用。我们有严格的产品路线图,希望每6个月都推出新的产品,有新的发展,持续地获得收入。”他强调:“将来我们一定会进入通信市场,因为我们的技术已经没有问题,只是一个时间的问题。”

另外一个关键问题就是价格,目前SiTime的目标市场是消费电子市场,而在这一市场上,价格十分敏感。孙刚指出:“出于成本考虑,一般的数玛相机、游戏机、机顶盒和MP3播放器都使用谐振器,很少使用振荡器。SiTime的产品每百万片采购量/月的采购量价格才低于49美分,而一般的谐振器价格为10-20美分,最高也不过30美分,价格相差一倍多,因此SiTime的产品对谐振器影响不大。”

高波也同意这个观点:“SiTime的报价振荡器差不多,对振荡器的厂家来说,确实不是个好消息,谐振器暂时安全。因为谐振器的附加值没有振荡器高,初步估计他们还不会完全涉足,再加上因为目前硅晶体还没有实现大量量产,市场也需要预热,它只能一个一个来进攻。”

McDonald则表示,SiTime的目标是取代小尺寸SMT晶振,面向对体积要求很严格的应用。相比小尺寸SMT晶体,SiTime的性价比更高。他解释说:“因为对于SMT晶体来说,价格随着体积变动,体积越小,价格越贵;而对MEMS振荡器,体积越小,占用的硅片越小,越便宜。例如一个数码相机上可能有5个石英晶振,由于体积很小,可能单价超过0.7美元。”他还指出,“对于中国晶振制造商而言,由于大尺寸晶振可以依赖更多的人工,更少的设备,因此可以做得很便宜;但当尺寸很小的时候,手工已经不可能,需要依赖昂贵的自动化设备,并没有价格优势。”

McDonald还暗示,量产后的价格可能低于最初49美分的报价。他表示:“价格通常很难预测,取决于市场。因为这个产品发布是面向全球,包括欧美,所以价格比较“虚”。对于美国市场上来说,售价会很高,因为客户并不是买产品用于大量生产,而是用于研发,价格不是问题,因此在新闻稿中设定了一个比较高的价格。”SiTime公司中国区经理裘浩也补充说:“北美的价格和中国的价格有一定的差异。我们相信我们的价格一定是非常有竞争力的,因为我们要面向消费电子市场,我不能够说我们的价格有多低,但至少针对我们要做的市场,我们的价格是有竞争力的,这样才能够保证我们会进入这个市场。”

2008年可能是MEMS振荡器的分水岭

从目前来看,由于SiTime主要是面向振荡器和小尺寸SMT晶体,因此对中国供应商的影响暂时有限,影响最大的是日本供应商。因为目前中国供应商仍以谐振器为主,振荡器为辅,振荡器和小尺寸SMT晶体主要为NDK、Kyocera、Toyocom、Epson等日本供应商把持。有意思的是,SiTime的可编程版本SiT8002的料号都与爱普生的可编程晶振SG-8002一样。

然而SiTime的野心不仅是这个每年超过90亿颗石英晶体振荡器、价值30亿美金规模的石英市场,还包括ICS/IDT、赛普拉斯(Cyperss)和ADI等厂商所在的时钟芯片市场,后者也超过20亿美元。由于很多电子系统中需要多个频率,而一个晶体只能够产生一个频率,用多个晶体成本会很高,所以需要用时钟芯片。对于SiTime而言,一个芯片可以集成几个MEMS,直接产生不同的频率,无需使用时钟芯片,可以节省很多成本。SiTime将于2008年推出这种单芯片时钟产品。Brown还表示,目前的时钟市场中,做晶振的厂商不做时钟芯片,做时钟芯片的不做晶振,结果是客户要找两个厂家买,一旦出了问题,两个厂家都推卸责任,如果将来SiTime推出单芯片方案,所有的问题都有SiTime负责。另有意思的是,在SiTime的团队中,有多位高管是来自Cyperss这类时钟芯片供应商。

不过在现阶段,SiTime还只是瞄准石英晶体市场。McDonald介绍说,目前SiTime已经和客户签订了100万颗的订单,将于2006年第四季度交货。很多厂商对SiTime的产品有兴趣,在和SiTime接触。但还是需要时间,特别是一些重要的产品,如手机,需要将近一年的设计时间。他指出:“到2008年,MEMS振荡器会获得很大的市场份额(significant market share),成为市场主流产品。”

除了此次推出的产品外,SiTime下一个产品将是面向实时时钟应用的32KHz产品,可能在2007年1月发布,于2007年第一季度提供工程样片。SiTime也将于今年第四季度发布200MHz的高频产品,面向存储等应用。香港先思行有限公司(AV Concept Limited)是美国SiTime公司授权的中国大陆、香港及新加坡地区指定代理销售商,同时也是三星半导体(Samsung)和飞兆半导体(Fairchild)在大陆、香港及新加坡授权的代理。先思行公司在香港、深圳、上海及新加坡设有分支机构。

尽管SiTime成立于2004年12月,但其主要创业团队成员在过去30年来一直从事于MEMS技术开发,并有创办多个相关领域公司的经历。SiTime公司的董事长、CEO和共同创始人Kurt Petersen博士1976年就在IBM开始研究MEMS谐振器。而SiTime公司的现任COO、执行副总裁和共同创始人Markus Lutz在Robert Bosch GmbH公司参与了MEMS First技术开发。SiTime获得了Robert Bosch GmbH的独家专利技术授权。SiTime的主要投资者是Greylock、NEA风险资金和Robert Bosch GmbH。

除了SiTime外,美国还有Discera Inc.和Innovative Biotechnologies International Inc.等公司从事MEMS振荡器开发。例如,Discera公司于2003年6月推出的MRO-100就是一个功能齐备的MEMS振荡器,它包括一个MEMS谐振器和一个振荡IC,采用一个3mm×3mm的陶瓷封装。该器件的初步目标是针对手机应用,可以取代手机中的电压控制温度补偿晶体振荡器(VCTCXO),其初期产品的振荡频率为19.2MHz,用于CDMA手机。

McDonald强调:“与同类厂商相比,SiTime关键的不同是成本。”他介绍说,SiTime的谐振是集成在硅片内,因此所需要的硅片面积小(0.6×0.8mm),封装成本低,所以总体成本低;而Discera采用的两个裸片堆栈,所需要的硅片面积大(2.0×2.0mm),封装成本也高,整体成本非常高,因此只能够面向手机等成本不敏感的领域。但由于要进入手机市场非常艰难,而且Discera的产品还没有解决热滞后(thermal hysteresis)和长期稳定性等问题,所以一直没有实现量产。他笑道:“我们不把Discera视为竞争对手,事实上,我们希望它取得成功,让人们更多了解MEMS技术,我们的竞争对手是石英。”






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