MEMS振荡器抢进手机市场 与石英杠到底
瞄准行动装置轻薄与低功耗设计需求，MEMS振荡器业者积极以较小尺寸及功耗的32kHz振荡器抢食传统石英市占，让石英与MEMS振荡器战火愈演愈烈。不过，近期行动处理器已开始整合32kHz谐振电路，将使MEMS振荡器顿失发挥空间。
MEMS时脉元件将进逼石英主力市场。美商赛特时脉(SiTime)日前发表新款行动装置专用32kHz微机电系统(MEMS)振荡器(图1)，正式进军手机、平板时脉元件市场。
图1 MEMS振荡器设计架构图
由于新一代MEMS时脉元件的整体设计成本已媲美传统石英元件，占位面积与功耗则分别缩减85%和50%，因而一推出即吸引十五家以上手机制造商青睐，可望迅速瓜分行动装置时脉元件市场商机。
不过，近来高通(Qualcomm)、联发科及锐迪科等行动处理器大厂，已相继在新款基频处理器中整并32kHz谐振电路，仅须再搭配一颗MHz石英晶体(Crystal)，就能实现以往行动装置所需的三颗时脉元件功能，有助行动装置制造商减轻系统成本及占位空间。
此一处理器设计进展，将使整个智慧型手机、平板装置的时脉设计架构改头换面，同时也为既有振荡器主动元件的需求带来严重的冲击，进而刺激石英和MEMS时脉元件制造商加紧展开新的产品策略布局。
进逼石英主力战场 MEMS振荡器抢进手机
SiTime行销执行副总裁Piyush Sevalia透露，为加快手机业者的系统设计改搭MEMS振荡器，SiTime也将推出相关参考设计，缩短转换流程。左为SiTime亚太区行销副总裁David Huieh·
SiTime行销执行副总裁Piyush Sevalia(图2右)表示，手机开发商对内部零组件的体积、省电要求日益严格，导致封装厚度较高的石英振荡器渐不敷使用，并正酝酿导入新兴小尺寸、低功耗MEMS时脉元件。特别在平价高规的5?6寸平板手机(Phablet)设计热潮兴起后，品牌厂希望能缩减印刷电路板(PCB)空间，用以增加近距离无线通讯(NFC)、感测功能或锂电池容量，因而也加速手机内部时脉元件由石英转换到MEMS的发展。
目前全球前十大手机品牌厂几乎全投入Phablet开发，甚至中国大陆中低价智慧手机制造商也开始竞逐大萤幕设计，给予MEMS振荡器崛起契机。因应市场需求，在MEMS时脉元件市占高达八成的SiTime，继2011?2012年推出个人电脑、网通设备专用产品后，日前更抢先打造首款可用于手机设计的32kHz MEMS振荡器，积极圈地行动市场；新产品除尺寸较现有最小石英封装再缩小70%外，由于不须搭配两颗电容，更可将整体系统占位空间减少85%。
同时，SiTime也导入可编程设计，让32kHz MEMS振荡器弹性支援1Hz?32kHz运作频率，可配合主处理器或系统省电模式降低频率，减少驱动功耗。Sevalia强调，愈来愈多行动装置要求提升轻载效率，以延长锂电池使用时间，由于MEMS可透过数位电路动态调整频率，因而能以每秒启动一次的频率，将资料读取功耗降到最低；相较之下，石英振荡器大多仅能定频运作，且局限于石英晶体物理特性，在降频同时也会加大晶片尺寸，无疑与手机设计背道而驰。
MEMS厂以32kHz振荡器发起在行动装置时脉应用市场的第一波攻势，主要考量在于每台平板、手机平均须配备一至两个32kHz时脉元件(分别与应用处理器、基频处理器或SoC连接)，需求强劲；同时能有效突显MEMS尺寸、功耗优于同级石英元件的优势。现阶段，SiTime亦已争取到十五家手机品牌厂或原始设备制造商(OEM)的合作机会，并开始送样；预期今年下半年即可完成终端产品样品设计，正式为MEMS时脉元件厂打开手机市场大门。
不过，相较于具60年历史的石英产业，MEMS供应链仅发展7年多，因而也引发业界对其产能不足与价格过高的疑虑。对此，Sevalia回应，目前MEMS振荡器内部谐振电路IC和MEMS谐振器，制造良率均达到99%，且相容标准互补式金属氧化物半导体(CMOS)晶圆制程与封装，未来将随着半导体制程演进，有效降低量产成本。
Sevalia进一步解释，由于全球80%的石英陶瓷封装产能被日商Kyocera掌握，每代晶片尺寸微缩又须搭配新封装技术，在供货来源不足、技术演进投资成本高且时程长的因素影响下，将逐渐在行动应用市场上丧失价格优势。
另一方面，MEMS时脉元件商也透过与应用处理器和现场可编程闸阵列(FPGA)业者合力开发参考设计，以及内建MEMS谐振器矽智财(IP)的系统单晶片(SoC)，加速在时脉应用市场瓜分传统石英元件市占。
处理器/FPGA厂相挺 MEMS时脉扩大势力
据悉，SiTime去年已与类比混合讯号晶片大厂--Maxim Integrated，在一款智慧电表(Smart Meter)处理器中成功导入32kHz MEMS振荡器，打造出更高整合度的SoC；同时，旗下MEMS时脉元件亦已打入现场可编程闸阵列(FPGA)一哥--赛灵思(Xilinx)的零组件配置建议清单，全速拓展网通、工业应用领域。
无独有偶，混合讯号晶片供应商IDT日前亦基于旗下压电MEMS(pMEMS)谐振器专利，抢推伺服器和网通设备专用的高精准性、高可靠度MEMS振荡器。由于该产品能实现业界最低的1微微秒(ps)以下相位抖动规格，已吸引许多OEM采用，足见MEMS业者向石英厂发起的攻势愈来愈凌厉。
Sevalia透露，近期SiTime推出业界首款行动装置专用MEMS振荡器，并同步与一线应用处理器供应商、手机和平板品牌厂展开合作，预期今年中就能实现相关参考设计，让终端品牌产品在下半年大量出炉。他预期，随着行动装置设计空间、物料成本日益紧缩，MEMS时脉元件将有机会取代石英产品在高通、联发科处理器公板中的地位。
不过，现阶段MEMS在整体时脉元件市场的占有率至多5%，仍落后石英一大截，对此，Sevalia认为，以逆向思考角度来看，这对MEMS业者来说意味着极大的发展空间，因为MEMS时脉能克服微型化挑战，且能跟随半导体制程演进脚步加速效能升级与成本优化，这都是石英难以同时达成的目标；因此，未来5-10年内MEMS势将大规模取代石英，成为时脉产业主角。
尽管MEMS抢市动作频频，但石英业者也正与行动晶片商布局新的行动装置时脉设计架构，以巩固市场地位。事实上，随着高通、联发科和RDA开始在基频处理器中导入32kHz电路，新一代晶片已可支援部分时脉元件功能，只要再搭一颗MHz石英晶体就能因应所有行动装置时脉与频率工作需求，将为MEMS时脉主动元件未来在中低价手机、平板市场的发展捎来噩耗。
处理器包32kHz电路 行动装置时脉设计丕变
台湾晶技研发处长姜健伟表示，一线行动晶片商正大举推动时脉共享(Clock Co-share)的整合设计方式，已将32kHz谐振电路包进基频处理器，甚至也开始研拟整入应用处理器中，期促进有线、无线功能共用时脉的架构成形，扩大取代行动装置内部多个主动时脉元件，以精简系统零组件用量和总体功耗，并可再扩充电池容量。
据悉，过往行动装置时脉设计大多须搭配各一颗MHz石英晶体、32kHz振荡器及温度补偿晶体振荡器(TCXO)，才能覆盖所有无线和有线技术的频率与时脉工作；然而，行动装置用料精简的趋势，驱使处理器业者不断推升周边功能整合度，内建32kHz谐振电路的基频晶片遂应用而生，目前主流手机已有不少比重改采此类晶片搭配一颗MHz石英晶体及两颗电容的设计方案，进而牵动时脉主动元件需求急缩。
对此，台湾晶技产品经理张毓芳不讳言，随着处理器业者包山包海的产品研发策略发酵，已为时脉元件市场带来负面化学变化，无论是传统石英业者或近来动作频频的MEMS时脉元件商均将面临振荡器产品需求逐步放缓，影响重要营收来源的严峻挑战。
但是，张毓芳也强调，对石英业者来说，仅32kHz振荡器事业受冲击，至于MHz石英晶体被动元件仍是必需品，市场需求将随着行动装置出货量成长而持续攀升；相形之下，现阶段仅能以振荡器形式存在的MEMS元件，因价格较石英晶体贵上好几倍，在系统厂紧缩物料成本的考量下，势将承受处理器厂触角伸及时脉领域的最大冲击，未来在行动装置时脉市场的发展前景变数颇多。
除价格因素外，MEMS时脉元件的耗电流通常在10毫安培(mA)左右，而石英晶体仅须一半；加上系统厂顾及产品设计延续性将尽可能避免换料，所以包括功耗、投资风险等问题，都将使MEMS时脉商在行动市场上的发展绑手绑脚，难以全面取代石英。
张毓芳也指出，晶技与全球前十大行动晶片商、前五大手机品牌合作多年，旗下石英主被动元件早已被列入建议系统厂优先选用的料件清单，因此，即便近来MEMS厂频频祭出产品攻势，晶技还是老神在在。
姜健伟则进一步分析，石英与MEMS振荡器开发商未来若逐渐淡出行动装置市场，侧重长程演进计划(LTE)、802.11ac等高阶无线时脉应用领域的布局，石英阵营还是赢面较大(表1)。主因系高阶产品通常对相位噪声(Phase Noise)的规格要求较严格，而MEMS产品因物理特性限制，压低相位噪声势必牺牲功耗，导致整体效能表现不及石英，将成为其拓展应用版图的最大罩门。
事实上，包括日本、台湾石英大厂近来也积极开发可编程频率、多重输出(Multiple Output)的次世代振荡器，将挟数10年产业发展优势，以及优异的特性、价格，持续吸引系统厂采用。