隨著TWS、IOT、5G手機(jī)設(shè)備等對(duì)于小型化和高頻晶振產(chǎn)品的需求提升,晶振行業(yè)發(fā)展迎來(lái)新機(jī)遇。作為半導(dǎo)體核心基礎(chǔ)原件,應(yīng)用市場(chǎng)很廣,主要應(yīng)用領(lǐng)域在于消費(fèi)電子、移動(dòng)終端、車聯(lián)網(wǎng)、通信設(shè)備等,任何與調(diào)頻相關(guān)的設(shè)備都需要晶振,隨著5G技術(shù)推進(jìn),設(shè)備對(duì)于藍(lán)牙、wifi、定位、導(dǎo)航等功能的需求提升,小型化和高頻晶振產(chǎn)品需求旺盛。
目前,用于疫情防控的檢測(cè)設(shè)備如紅外測(cè)溫儀、心電儀、血氧飽和儀、血糖儀、血壓計(jì)、遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備等各類醫(yī)療器械,都需要用到晶振。疫情之下,晶振需求急速增加,迎來(lái)一波小高峰。
一、下游應(yīng)用驅(qū)動(dòng),晶振市場(chǎng)回暖物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過(guò)多年的醞釀,隨著5G技術(shù)商業(yè)化的臨近,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用也近在眼前。有市場(chǎng)便會(huì)有需求,隨著物聯(lián)網(wǎng)范圍的不斷擴(kuò)大,伴隨著物聯(lián)網(wǎng)而生的NB-IoT技術(shù)自然受到眾廠商的矚目,更何況該技術(shù)還準(zhǔn)備,預(yù)防可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。
1. 全球石英晶振需求量逐年上升目前,我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的國(guó)際地位不斷穩(wěn)固和提高。《中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示,2018年我國(guó)電子信息行業(yè)銷售收入為169027億元,其中電子制造業(yè)收入規(guī)模達(dá)到105966億元,出口金額為58931億元,進(jìn)口金額為41898億元,市場(chǎng)規(guī)模(收入+進(jìn)口-出口)為88933億元。盡管2018年全球貿(mào)易局勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜,消費(fèi)電子市場(chǎng)疲軟不振,但我國(guó)電子信息制造業(yè)通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí),走高質(zhì)量發(fā)展之路,全國(guó)規(guī)模以上電子信息制造業(yè)主營(yíng)業(yè)務(wù)收入仍逆勢(shì)增長(zhǎng)9.0%。
電子制造行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模巨大,部分電子產(chǎn)品新老更迭迅速,對(duì)晶振需求較大。根據(jù)CS&A預(yù)測(cè),2019全球頻率元件產(chǎn)值為32-34億美元,頻率元件年銷量190-210億顆。
晶振主要用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、消費(fèi)類電子、移動(dòng)終端、智慧生活、小型電子、資訊設(shè)備、汽車電子等領(lǐng)域,且不同應(yīng)用領(lǐng)域所需要的晶振數(shù)量不同。比如,大型基站所需的晶振數(shù)量超過(guò)10顆,而小型基站僅需要1顆溫補(bǔ)晶振。消費(fèi)類電子產(chǎn)品所需的晶振數(shù)量大約4-5顆,而工業(yè)設(shè)備、汽車對(duì)晶振的需求則為數(shù)十顆。
1.2 移動(dòng)終端:預(yù)計(jì)2022年國(guó)內(nèi)手機(jī)廠商對(duì)晶振需求量達(dá)35.2億顆5G帶動(dòng)新一波換機(jī)需求。IDC預(yù)測(cè),2019年全球手機(jī)出貨量為13.7億部(2019年出貨預(yù)計(jì)同比減少2.2%),而國(guó)內(nèi)手機(jī)市場(chǎng)占據(jù)約30%的份額。根據(jù)中國(guó)信通院數(shù)據(jù)顯示,2019年國(guó)內(nèi)手機(jī)市場(chǎng)總體出貨量為3.89億部,同比下降6.2%。雖然目前國(guó)內(nèi)手機(jī)行業(yè)已呈現(xiàn)飽和狀態(tài),但2020年5G商用將帶動(dòng)新一波換機(jī)需求,國(guó)內(nèi)智能手機(jī)市場(chǎng)有望回暖。
單個(gè)手機(jī)配置的晶振數(shù)量及價(jià)值不斷提升。(1)按鍵手機(jī)中石英晶振僅需2-3 顆,分別為32.768KHZ 圓柱直插晶振、49S晶振和一款5032(5.0*3.2mm)貼片晶振;(2)4G智能手機(jī)則需配置約5-6顆晶振,分別為時(shí)間顯示所用的為32.768KHz晶振,藍(lán)牙模塊上16MHz貼片晶振,數(shù)據(jù)傳輸所用的高頻圓柱直插晶振,NFC模塊中使用的13.56MHz貼片晶振,以及根據(jù)手機(jī)CPU運(yùn)行溫度進(jìn)行變更頻率的26MHz 溫補(bǔ)晶振等;(4)5G手機(jī)預(yù)計(jì)要配置6-10顆晶振,首選方案為頻率為76.8MHz或者96MHz、負(fù)載電容為8-12pf的小尺寸2.0*1.6mm晶振。單個(gè)手機(jī)配置的晶振價(jià)值量不斷提升。
根據(jù)草根調(diào)研及互聯(lián)網(wǎng)公開(kāi)資料進(jìn)行整理,我們以單部低端3G手機(jī)的晶振需求為3顆、4G智能機(jī)晶振需求為6 顆、5G手機(jī)晶振需求為8顆計(jì)算,得出2022年國(guó)內(nèi)手機(jī)廠商晶振總需求為35.2億顆,市場(chǎng)規(guī)模約23.85億元。
1.3 資訊設(shè)備:電子計(jì)算機(jī)保持較高出貨量,年晶振需求量約31億顆國(guó)內(nèi)微型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)產(chǎn)能旺盛,支撐著上游晶體諧振器產(chǎn)業(yè)發(fā)展。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),2018年我國(guó)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)量為3.52億臺(tái),微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)量為3.07億臺(tái)。電子計(jì)算機(jī)繼續(xù)保持較高的出貨量,對(duì)頻率元件需求旺盛。根據(jù)公開(kāi)資料及市場(chǎng)調(diào)研得知,電腦主板中包含頻率為14.318MHz的時(shí)鐘晶振和頻率為32.768KHz的實(shí)時(shí)晶振,另外顯示器、攝像頭、藍(lán)牙、無(wú)線WIFI、聲卡、硬盤、鍵盤各連接一顆高頻晶振。按照每臺(tái)計(jì)算機(jī)使用9顆石英晶體諧振器,每顆晶振平均價(jià)格為0.2元計(jì)算,微型計(jì)算機(jī)生產(chǎn)商每年總共需要約27億顆晶體諧振器,所有電子計(jì)算機(jī)廠商每年則需要約31億顆晶體諧振器,市場(chǎng)規(guī)模為6.2億元。
1.4 可穿戴設(shè)備市場(chǎng):2023 年晶振需求量預(yù)計(jì)為8億顆,TWS 景氣度高企中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模近年快速增長(zhǎng)。IDC數(shù)據(jù)顯示,2018年我國(guó)可穿戴設(shè)備出貨量為7321萬(wàn)臺(tái),同比增長(zhǎng)28.5%;預(yù)計(jì)2023年,我國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)出貨量將達(dá)到2億臺(tái)的規(guī)模。我們假設(shè),單臺(tái)設(shè)備平均需要4顆晶振,預(yù)計(jì)2023年我國(guó)可穿戴市場(chǎng)晶振需求量約為8億顆。
1.6 汽車電子:預(yù)計(jì)2020年全國(guó)車用晶振15.4億顆汽車電子成為晶振主要應(yīng)用場(chǎng)景。中國(guó)是汽車產(chǎn)銷大國(guó)。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),2018年我國(guó)汽車?yán)塾?jì)銷量為2808.06萬(wàn)輛,較上年同期基本持平。此外,汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化趨勢(shì)越來(lái)越明顯,汽車電子滲透率逐步提升。我國(guó)汽車電子市場(chǎng)規(guī)模以超過(guò)10%的增速逐年增長(zhǎng),2019年已達(dá)到962億美元。
2.2 替代邏輯一:穩(wěn)固無(wú)源晶振市場(chǎng)份額無(wú)源晶振在對(duì)精度要求較低、成本較高的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。雖然無(wú)源晶振的精度、抗噪聲性能、抗干擾性能較有源晶振存在一定差距,但終端廠商在選擇晶振時(shí)也會(huì)考慮成本因素。無(wú)源晶振的價(jià)格僅為有源晶振的五分之一至十分之一,在電路中廣泛應(yīng)用。比如,移動(dòng)終端的藍(lán)牙傳輸、紅外線功能,計(jì)時(shí)器及鐘表的計(jì)時(shí)功能,僅需無(wú)源晶振便能實(shí)現(xiàn)。
2.3 替代邏輯二:TCXO 及TSX訂單增長(zhǎng),國(guó)產(chǎn)替代空間巨大經(jīng)過(guò)2017-2018年晶振市場(chǎng)低迷期,部分日企整生合產(chǎn)線。有源晶振可針對(duì)晶體的頻率溫度特性做相應(yīng)的補(bǔ)償,多用于高速通信、導(dǎo)航、汽車電子等領(lǐng)域。2015年-2016年4G建設(shè)對(duì)溫補(bǔ)晶振需求旺盛,日本各廠商紛紛擴(kuò)張產(chǎn)線。而2017年后,移動(dòng)通信行業(yè)步入4G到5G過(guò)渡階段,溫補(bǔ)晶振需求疲軟,前期擴(kuò)產(chǎn)導(dǎo)致庫(kù)存積壓。日本廠商和全球代理商開(kāi)始消化庫(kù)存,溫補(bǔ)晶振價(jià)格一度大幅下跌。石英晶振市場(chǎng)規(guī)模在2018年下滑10.11%,至29.4億美元。巨頭NDK公司有源業(yè)務(wù)在18及19財(cái)年連續(xù)下滑,KDS業(yè)務(wù)收入也進(jìn)入負(fù)增長(zhǎng)階段。部分小廠商關(guān)閉生產(chǎn)線進(jìn)行整合,實(shí)力較強(qiáng)的龍頭企業(yè)則專注高附加值產(chǎn)品,市場(chǎng)集中度進(jìn)一步提升。例如,以京瓷為代表的部分日系晶振廠甚至剝離2520、2016尺寸溫補(bǔ)晶振產(chǎn)線,轉(zhuǎn)而主攻毛利率更高的1612尺寸產(chǎn)品。
2019下半年有源晶振市場(chǎng)供需情況發(fā)生轉(zhuǎn)變,2520及2016溫補(bǔ)晶振訂單增多。供給端:由于此前部分日本晶振原廠和材料供應(yīng)商將生產(chǎn)線遷至東南亞等地,導(dǎo)致部分型號(hào)產(chǎn)品交貨周期延長(zhǎng),有源晶振又回到供不應(yīng)求的狀態(tài)。需求端:移動(dòng)通信市場(chǎng)5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速,汽車領(lǐng)域配置ADAS等設(shè)備的高端車型滲透率提升,綜合導(dǎo)致晶振市場(chǎng)回暖。
5G基站、汽車電子及物聯(lián)網(wǎng)等高科技領(lǐng)域?qū)?520(2.5mm*2.0mm)、2016(2.0mm*1.6mm)兩種尺寸的溫補(bǔ)晶振和熱敏晶體需求較高,該型號(hào)產(chǎn)品訂單增長(zhǎng),逐步出現(xiàn)量?jī)r(jià)齊升的態(tài)勢(shì)。
低成本的熱敏晶體可在一定程度上替代溫補(bǔ)晶振。熱敏晶體和溫補(bǔ)晶振都是在特殊環(huán)境下使用的頻率元件,可以改善其頻率溫度補(bǔ)正。熱敏晶體的原理是在普通貼片晶振基礎(chǔ)上增加一顆熱敏電阻以及一顆變?nèi)荻O管,利用變?nèi)荻O管的容變功能與熱敏的傳感功能相結(jié)合,形成帶有溫度傳感功能的熱敏石英晶振。熱敏晶振在工作過(guò)程中受到了溫度感應(yīng)時(shí)可以使晶體產(chǎn)品在工作過(guò)程中保持一個(gè)精準(zhǔn)的不變的溫度,使晶振產(chǎn)品的精度給CPU提供信號(hào)的同時(shí)又能避免因?yàn)闇囟鹊膯?wèn)題給晶振造成頻率較大的偏差。帶有溫度傳感的熱敏晶振是溫補(bǔ)晶振的替代品,其成本低廉、生產(chǎn)快捷,但精度弱于溫補(bǔ)晶振。例如,TCXO溫補(bǔ)晶振的頻率偏差在±0.5ppm 的范圍,晶振給CPU控制中心提供的信號(hào)接收到的線路導(dǎo)航精準(zhǔn)偏差在3-5米范圍內(nèi);而熱敏晶振頻率偏差為±10PPM,導(dǎo)航偏差約為200米。
溫補(bǔ)晶振&熱敏晶體國(guó)產(chǎn)替代空間巨大,中國(guó)企業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破?;輦惥w聘請(qǐng)國(guó)外具有先進(jìn)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)學(xué)識(shí)的高級(jí)人才,實(shí)現(xiàn)了TCXO器件產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā),向壓電石英晶體產(chǎn)品全系列發(fā)展。泰晶科技也研發(fā)出廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信和汽車電子領(lǐng)域的2520、2016兩種型號(hào)熱敏晶體。對(duì)比日本、臺(tái)灣、大陸五家公司產(chǎn)品數(shù)據(jù),大陸企業(yè)將逐步突破熱敏晶體和溫補(bǔ)晶振技術(shù),進(jìn)一步縮小和日、臺(tái)企業(yè)的差距。
(1)MEMS技術(shù)可解決傳統(tǒng)機(jī)械加工的局限高穩(wěn)定性的晶體元器件晶體單元/晶體振蕩器按照切型主要分為三種:1)kHz級(jí)的晶體單元采用音叉型結(jié)構(gòu)振動(dòng)子;2)MHz級(jí)的晶體單元采用AT型結(jié)構(gòu)振動(dòng)子;3)百M(fèi)Hz超高頻晶體單元采用SAW型振動(dòng)子,溫度特性曲線和音叉型振動(dòng)子類似。隨著下游產(chǎn)品對(duì)晶振抗振性、相位噪聲等、尺寸小型化等參數(shù)要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)機(jī)械加工的局限性逐漸顯露。
音叉型晶振缺陷:?jiǎn)卧叽鐗嚎s后將難于取得良好的振蕩特性。當(dāng)石英振動(dòng)子的尺寸從1.2×1.0mm減小到1.0×0.8mm時(shí),串聯(lián)電阻值(CI值)會(huì)升高30%左右,也就是說(shuō)音叉型晶體單元尺寸壓縮后將難于取得良好的振蕩特性。
AT切型晶振缺陷:傳統(tǒng)機(jī)械加工難以滿足嚴(yán)格的公差要求。AT切割是目前使用最廣泛的石英晶體類型之一,常用于高頻晶振。典型的超小型胚料尺寸小于3.5*0.63mm,加工難度大幅增加。大規(guī)模生產(chǎn)小型晶體時(shí),需要將公差控制在2um以內(nèi),而傳統(tǒng)機(jī)械加工難以滿足嚴(yán)格的公差要求。
超高頻晶振缺陷:多次倍頻導(dǎo)致相噪損失嚴(yán)重。晶振工作頻率通常與晶片厚度成反比,傳統(tǒng)機(jī)械加工最適合的頻率范圍為1-40MHz(對(duì)應(yīng)晶片厚度0.04mm)。以傳統(tǒng)方式生產(chǎn)百M(fèi)Hz晶振需要將晶片加工至超薄,從而導(dǎo)致出現(xiàn)穩(wěn)定性差及易破損的缺點(diǎn)。因此,生產(chǎn)百兆赫茲高頻晶振通常采用10MHz 成熟產(chǎn)品作為基準(zhǔn)頻率源,并經(jīng)過(guò)多次倍頻獲得所需信號(hào)。但這樣導(dǎo)致電路復(fù)雜,相噪損失嚴(yán)重。
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的有效應(yīng)用為石英晶體的加工提供了技術(shù)借鑒和啟發(fā)。MEMS技術(shù)利用IC加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)微納米尺度加工,在加工精度、加工手段、EDA(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))等方面具有先天優(yōu)勢(shì),因此石英晶體技術(shù)與MEMS技術(shù)的結(jié)合成為必然趨勢(shì)。
音叉諧振器包括底部和從底部延伸的兩個(gè)振動(dòng)臂,在兩個(gè)振動(dòng)臂上鍍有激勵(lì)電極(紅色部分)。該常規(guī)結(jié)構(gòu)的晶片微型化后,激勵(lì)電極面積將隨之減小,不利于起振。MEMS技術(shù)通過(guò)對(duì)振動(dòng)片進(jìn)行三維立體加工形成H型槽的構(gòu)造,既確保了電極的面積,又提高了電解效率。MEMS技術(shù)有效推動(dòng)晶體諧振器小型化發(fā)展,光刻加工下的晶振體積縮小至18.8mm3小型音叉型晶體器件,體積僅為原有產(chǎn)品1/10以下
(3)MEMS技術(shù)用于AT型晶體/AT振蕩器,將尺寸公差保持在1um以內(nèi)利用MEMS技術(shù)的光刻加工可以提升石英晶體芯片的一致性與穩(wěn)定性,光蝕刻工藝能夠?qū)⒊叽绻畋3衷?um以內(nèi)。
光刻工藝首先使用電子束真空沉積系統(tǒng)將石英晶片化學(xué)蝕刻至預(yù)定頻率,清潔并用鉻和金薄膜金屬化。石英掩模和雙對(duì)準(zhǔn)器光刻生成AT條帶圖案,其中晶片的頂部和底部表面同時(shí)對(duì)準(zhǔn)和曝光。然后通過(guò)隨后的光掩模步驟限定晶體電極和探針焊盤案。然后對(duì)晶片進(jìn)行化學(xué)金屬和石英蝕刻以形成單獨(dú)的AT條帶。最后,使用孔掩模和薄膜金屬沉積將頂部和底部安裝墊連接在一起。光刻工藝完成后,晶圓包含上百個(gè)獨(dú)立的超小型AT晶體諧振器。
(4)MEMS技術(shù)用于HFF晶體單元/HFF振蕩器,使高頻產(chǎn)品可以直接以基波起振不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工將晶片整體變薄,光刻加工僅減少驅(qū)動(dòng)電極附近的厚度(反向臺(tái)構(gòu)造),保持芯片強(qiáng)度。這樣以來(lái),百M(fèi)Hz的高頻晶振可以直接以基波起振,不用以中低頻成熟產(chǎn)品作為基準(zhǔn)頻率源。光刻加工的HFF振蕩器具有優(yōu)良的抗震性以及較低的相位噪聲,適用于光傳輸裝置、基站等通信基礎(chǔ)設(shè)置。
(5)國(guó)產(chǎn)企業(yè)突破光刻技術(shù),推進(jìn)產(chǎn)品向小型化、高精度趨勢(shì)發(fā)展石英晶體硬度及理化性質(zhì)穩(wěn)定,頻率基本不隨溫度變化,由此產(chǎn)生的內(nèi)部振蕩損失也最小,非常適合精密制造。同時(shí),區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械式加工生產(chǎn)方式,改良的制程更便于批量生產(chǎn),可以在保證小型化的同時(shí)把偏差控制在最小限度內(nèi),從而使產(chǎn)品具備小型化、低耗電、高穩(wěn)定、高頻率的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用MEMS技術(shù)的微型化產(chǎn)品與傳統(tǒng)機(jī)械加工生產(chǎn)的晶振前端工藝區(qū)別為:1)微型化產(chǎn)品切割環(huán)節(jié)不是一次性切割成為單個(gè)音叉晶體單元,而是首先切割成可以集合上千支晶片單元的大方片;2)音叉晶片及電極成型環(huán)節(jié)采用雙面光刻工藝,在WAFER片上進(jìn)行光刻、金屬蒸鍍、激光調(diào)頻等集成處理,單個(gè)音叉單元尺寸極小。
國(guó)產(chǎn)企業(yè)光刻技術(shù)已取得突破。泰晶科技從2011年開(kāi)始布局光刻工藝研發(fā),2014年組建了國(guó)內(nèi)同行業(yè)首家微納米晶體加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,以激光調(diào)頻和光刻技術(shù)為基礎(chǔ),加強(qiáng)MEMS技術(shù)在晶體諧振器產(chǎn)品的應(yīng)用。目前公司已經(jīng)取得了微型晶體諧振器生產(chǎn)的核心技術(shù)研究成果,成功使用雙面光刻工藝,將超過(guò)3000顆的“1610”型號(hào)晶體諧振器集成至3寸的WAFER 片上。
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