MEMS振荡器将对石英晶振构成挑战

       在时钟和频率控制领域，传统石英晶体振荡器受到了MEMS振荡器挑战，据In-Stat市场研究报告分析，从2007年起，MEMS数字调谐技术将在手机中获得应用，2008年MEMS振荡器也将上市。MEMS振荡器上市将给传统石英晶振行业带来哪些挑战？技术和市场发展方向如何？MEMS振荡器会替代石英晶振吗？

       本文通过采访Sitime、Discera、Ecliptek、深圳英思特晶体电波有限公司、深圳世强电讯有限公司等公司，具体介绍MEMS振荡器上市带来的影响。

 MEMS振荡器发展的目标

        目前，随着MEMS设计和制造工艺的成熟，可以利用兼容CMOS的工艺和材料在硅晶圆上制造MEMS振荡器。Sitime公司市场营销副总裁John McDonald表示：“我们计划通过提供兼容CMOS工艺的硅MEMS振荡器产品，来变革整个石英晶体行业，正如晶体管取代了真空管一样，石英晶体将被硅技术取代。”

        John McDonald认为：“MEMS振荡器发展的目标之一就是通过引脚对引脚的兼容方式，替代石英晶体或振荡器，以降低电子系统成本。”MEMS振荡器的最早应用领域可能是硬盘驱动器、汽车电子、工业和笔记本制造。

        据悉，SiTime计划通过向消费芯片制造商授权使用其MEMS振荡器，从而实现单芯片解决方案，John McDonald自信道：“我们的技术可以被所有半导体制造商采用。”Sitime通过调整调谐叉的几何尺寸，将以往要由多个振荡器提供的多个频率，集成到同一CMOS晶圆之中，单一芯片能够根据需要产生不同时基。

        MEMS振荡器可以利用现有硅半导体行业所使用的制造技术和设备，让半导体行业能在代工环境中集成MEMS。Sitime公司将以MEMS First技术进入时钟管理器件市场，下一代集成度更高的解决方案将包括MEMS振荡器和在同一硅晶圆上制造的超大规模集成电路控制功能。Sitime公司已与Jazz半导体公司合作，将SiTime公司的MEMS First工艺与Jazz半导体公司的0.18μm平台相结合，这中间包括RF CMOS和SiGe BiCMOS工艺选项，从而把应用拓展到802.11、蓝牙及其它无线收发器的设计之中。

        另外，Discera公司首席技术官Wan-Thai Hsu博士表示：“MEMS振荡器的另一个发展方向就是进入混合信号和RF应用领域。”Discera公司通过与Vectron International公司合作，为电子产品制造商提供基于PureSilicon CMOS MEMS振荡器的时钟产品。同样不久前，无晶圆厂IC设计公司WiSpry也宣布着手生产基于MEMS技术的动态可调谐射频集成电路。

        WiSpry创始人兼首席执行官Jeff Hilbert说：“全集成RF-MEMS器件将消除多标准、多频段应用中所需要的多个RF路径，应用于全球移动电话、移动无线电子系统和无线基站。” WiSpry的可调谐产品使蜂窝电话和其它无线电设备制造商能够建立跨越整个产品线的标准化的硬件平台、元器件和参考设计，从而进一步降低系统的成本。

        iSuppli公司中国市场研究总监吴同伟指出，RF和滤波部分占手机总成本的3.4%，除了振荡器之外，MEMS的应用还将渗透到天线开关、发送/接收声表面波滤波器、RF收发器的VCTCXO、32.768KHz晶体振荡器、微型麦克风和扬声器之中。In-Stat特约分析师Stephen Cullen说：“在大多数应用中，MEMS振荡器的性能堪与传统晶体振荡器相媲美，MEMS发展的终极目标是将MEMS时钟集成到每个所需要的芯片中。”

        因此，取代传统石英振荡器只是CMOS MEMS振荡器技术一个发展方向。更为重要的意义在于CMOS MEMS振荡器技术将开启基于RF MEMS的RF SoC时代。

 成本挑战和竞争焦点

        在未来发展中，MEMS振荡器面临成本上的挑战。Cullen说：“虽然MEMS将在2008年全面替代蜂窝电话中的石英晶体振荡器，但在2010年前不会批量生产，因为MEMS在体积上满足用户要求的同时，还需要大规模普及应用的过程，克服成本太高的难题。”Gartner Dataquest半导体工艺专家Dean Freeman也认为，问题在于“能否生产出和石英晶体一样便宜的MEMS器件”。

MEMS振荡器在手机市场的应用演变情况

       对于MEMS振荡器的成本问题，Discera公司的Hsu说：“与石英晶体必须采用的密封外壳陶瓷封装不同，MEMS振荡器可以采用塑料封装。Discera的封装成本还不到石英晶体的一半，并且MEMS在大批量生产后，成本将降低。”Hsu以军事领域的一家客户为例，该客户一直以65美元的价格购买石英晶体振荡器，但如果转向采用MEMS振荡器，那么单支成本还不到1美元。

        显然，Hsu所说的是大批量生产价格。但实际上IC流片成本并不低，动辄需要上百万美元的NRE费用，这是MEMS振荡器高成本的关键原因之一。此外，MEMS振荡器走向大规模应用面临“成品率、可靠性和量产”三大挑战，这也是造成高成本的原因。因此，Gartner Dataquest分析师Stephan Ohr认为：“MEMS振荡器更适合于成本不敏感的高精度时钟管理应用。”他指出， “Discera和SiTime似乎都锁定高端市场中工作频率在100MHz以上的低抖动振荡器器件。” 这些公司并将“减小抖动和相位噪声指标”，作为竞争焦点。

        Ecliptek公司的市场营销副总裁Mark Stoner也表示：“MEMS振荡器增长最快的领域是消费电子应用领域，如硬盘驱动器、DVD播放机和摄像机等，但由于这些应用涉及高速数据传输，因此，MEMS振荡器技术应用面临的最大挑战在于减小抖动和相位噪声指标，满足日益严格的数据通信需求。”据悉，Ecliptek公司通过提供抖动值小于3ps RMS的二代MEMS产品，来满足市场需要，其输出可选用LVPECL、LVDS和HCMOS。

        同样为了更好地参与市场竞争，Sitime公司已生产了频率小于200MHz的低噪声(3ps RMS)可编程MEMS振荡器。Sitime公司中国区经理Frank Qiu预测，未来Sitime公司的发展方向有三个：提高振荡频率的覆盖范围(达到1GHz以上)；缩小封装；提供系列固定频点振荡器，并计划在2008年推出频率达到1GHz以上的低噪声可编程MEMS振荡器。

 传统石英晶振仍有市场

        虽然CMOS MEMS振荡器取代传统石英晶体振荡器是发展趋势，但仍需时日。目前，传统石英晶体振荡器仍有市场发展空间。

        世强电讯从事石英晶体振荡器销售的Silabs产品线经理袁进表示：“目前，在传统石英晶体振荡器市场中，在发展多频率输出和任意频率输出的低抖动振荡器。”他举例说，Silabs推出的传统石英晶体振荡器Si53x/Si55x系列，是10MHz~1.4GHz任意频率输出的低抖动振荡器(小于0.5ps RMS)，采用了DSPLL数字锁相环(数字DCO+数字PD+数字环路滤波器)专利技术，通过DSPLL技术实现DSP数字化的任意小数点分频和倍频技术，产生任意输出频率，将频率控制和调谐从负载的振荡器移置到单一CMOS IC上。

        Silabs的DSPLL技术不同于其他传统晶体振荡器技术，传统晶体振荡器通过切割、抛光等机械工艺来修改输出频率，但存在温度漂移、中心频率老化漂移、供货时间长达10周等缺点。利用Silabs基于DSPLL技术的VCXO/XO技术，能有效解决这些问题，客户可以在10MHz~1.4GHz频率之间订制晶体振荡器的输出频率，以满足通信市场的CDMA网络、光接入网、光通讯设备、雷达、激光测量仪器等需求。袁进认为，在通信应用领域，对抖动、温度飘移、抗干扰能力以及频率偏差的要求高，因此，中高档石英晶体振荡器才能满足客户需要。

        袁进还指出，在电信基站、医疗设备、GPS和雷达等领域，另一市场发展趋势是要求石英晶体振荡器稳定性达到ppb级，而Silabs的产品能满足要求。据悉，法国TEMEX公司也提供一种SC断面的恒温石英晶体振荡器，温度漂移不超过0.2ppb，老化速度每年低于20ppb，特别适合WCDMA基地台转发器应用领域。

        除了传统石英晶体振荡器在性能上能满足一定市场需求外，在成本上石英晶体振荡器也是低档电子系统设计中不可替代的产品。深圳英思特晶体电波有限公司总经理王立虎认为：“中低档传统石英晶体振荡器的发展方向依然是采用SMD技术，进一步缩小体积。”在超低抖动、高频率稳定性和小批量的应用领域，Silabs等生产的石英晶体振荡器能够利用灵活多变的定制服务，赢得客户。

        对此，Discera公司的Hsu预测道：“MEMS提供了比石英晶体更佳的降低成本路线图，在消费电子领域，MEMS技术将增长最快。”但Sitime公司的John McDonald坦称：“目前，全球石英晶体振荡器市场年规模为30亿美元，每年生产90亿颗石英晶体振荡器。”但他也坚信：“MEMS振荡器取代石英晶体振荡器只是时间问题。” 基于MEMS技术的可编程振荡器，有可能成为颠覆整个传统石英晶体振荡器行业的杀手级产品。