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晶振國(guó)內(nèi)替代國(guó)外!

 

 

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。

在可穿戴設(shè)備中,TWS耳機(jī)異軍突起。各大手機(jī)廠商均看好其市場(chǎng)前景,紛紛將TWS耳機(jī)納入標(biāo)配產(chǎn)品。根據(jù)Counterpoint數(shù)據(jù),全球TWS耳機(jī)出貨量由2018年4季度的1250萬(wàn)迅速增長(zhǎng)至2019年3季度的3300萬(wàn),增速為164%。國(guó)內(nèi)TWS耳機(jī)在2019年也開(kāi)啟爆發(fā)式增長(zhǎng),上半年銷量已達(dá)到1764 萬(wàn)臺(tái),逼近2018年全年銷量;零售額為57.9億元,較2018年同期近乎翻倍增長(zhǎng)。由于TWS耳機(jī)多采用半入耳式耳塞,佩戴方式相對(duì)松散,外部噪音容易進(jìn)入。因此,采用晶振進(jìn)行降噪成為TWS耳機(jī)的必選方案。在TWS耳機(jī)內(nèi),廠商一般選用體積小、高精密、低功耗的2520、2016貼片晶振。
1.5 家電市場(chǎng):每年對(duì)晶振的需求超過(guò)23.4億顆根據(jù)統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,家電市場(chǎng)(彩電、空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱)出貨量每年均維持在較高水平。2018年彩電、空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱產(chǎn)量分別為2.04億臺(tái)、2.05億臺(tái)、0.72億臺(tái)和0.78億臺(tái)。家電產(chǎn)品對(duì)晶振微型化及精準(zhǔn)度要求相對(duì)較低,一般選用千赫茲壓電石英晶振或者陶瓷晶振。在不考慮其他類別家電的情況下,我們假設(shè)單臺(tái)彩電需要8顆晶振,而單臺(tái)空調(diào)、洗衣機(jī)及電冰箱需要晶振數(shù)量為2顆,則家電廠商每年對(duì)晶振的需求超過(guò)23.4億顆。

 

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。

汽車電動(dòng)化帶來(lái)元器件需求擴(kuò)張,每部汽車需配置數(shù)十顆晶振。根據(jù)NDK 年報(bào)披露數(shù)據(jù),低端車型配置10-20顆晶振,經(jīng)濟(jì)型汽車需要晶振30-40顆,豪華型汽車需要70-110顆。依據(jù)《智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)路線圖》,2020年智能汽車新車占比達(dá)到50%;2025年智能汽車新車裝配率將達(dá)到80%。我們以每部經(jīng)濟(jì)型汽車使用晶振30顆,智能汽車使用80顆晶振顆測(cè)算,預(yù)計(jì)2020年全國(guó)車用晶振達(dá)到15億顆,到2025年增長(zhǎng)至28.7億顆。
1.7 5G領(lǐng)域?qū)д竦男枨?/span>2020年5G基站建設(shè)提速,對(duì)石英晶振的需求將會(huì)增加。石英晶振是5G技術(shù)中最核心的電子零部件,其作用是提供高端基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)以及接收傳輸信號(hào)。5G技術(shù)在各方面都要做到非常精準(zhǔn),僅普通的石英晶體諧振器并不足夠支持5G的運(yùn)轉(zhuǎn),必須額外搭載精度、穩(wěn)定性要求更高的TCXO(溫補(bǔ)晶振)、VCXO(壓控晶振)、OXCO(恒溫晶振)等產(chǎn)品。我們預(yù)計(jì)2020年后,有源晶振訂單量會(huì)隨之增加
二、國(guó)產(chǎn)替代的三個(gè)邏輯
2.1 晶振市場(chǎng)格局:日本領(lǐng)先,中國(guó)追趕全球石英晶體元器件廠家主要在日本、美國(guó)、臺(tái)灣地區(qū)及中國(guó)大陸。美國(guó)廠商主要針對(duì)美國(guó)國(guó)內(nèi)及部分專項(xiàng)市場(chǎng),供求渠道較為穩(wěn)定,產(chǎn)品單位價(jià)值較高。日本是國(guó)際石英晶體諧振器傳統(tǒng)制造強(qiáng)國(guó)。隨著電子信息行業(yè)的飛速發(fā)展和智能應(yīng)用領(lǐng)域的多元化,日本廠商進(jìn)一步加大了技術(shù)及設(shè)備的升級(jí)速度,在中高端應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵭辛伺潘缘南鄬?duì)技術(shù)壟斷,具備較強(qiáng)的規(guī)模效應(yīng)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。2013年以后,日本廠商受到原材料和人力資源成本上升,以及全球范圍內(nèi)其他區(qū)域如中國(guó)臺(tái)灣、中國(guó)大陸等廠商產(chǎn)能擴(kuò)張等因素的影響,市場(chǎng)份額出現(xiàn)較大幅度下滑。日本廠商將中低端業(yè)務(wù)逐步轉(zhuǎn)移至中國(guó),市場(chǎng)份額占比已經(jīng)由2011 年的59.3%下降到50%以下。

中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)廠商近年來(lái)發(fā)展迅速,產(chǎn)品更新速度快,2017年已經(jīng)占據(jù)了全球約24.3%的市場(chǎng)份額,競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力在短時(shí)間內(nèi)也無(wú)法撼動(dòng)。大陸企業(yè)起步較晚,核心生產(chǎn)設(shè)備依賴外購(gòu),產(chǎn)品主要應(yīng)用于消費(fèi)類電子和小型電子領(lǐng)域。不過(guò)近年來(lái),大陸廠商憑借成本優(yōu)勢(shì)迅速發(fā)展,成長(zhǎng)率顯著高于其他國(guó)家。根據(jù)日本水晶工業(yè)協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù):2017 年大陸廠商晶振銷售額約占全球的10.10%,較2010年的4.0%增長(zhǎng)近6.1個(gè)百分點(diǎn)。

 

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)。

無(wú)源晶振產(chǎn)銷量在晶振市場(chǎng)中占較大份額。根據(jù)CS&A數(shù)據(jù),2018年全球利用石英晶體制成的頻率元件產(chǎn)值為33億美元,其中無(wú)源產(chǎn)品產(chǎn)值為18億美元,占比為55.3%。石英晶體頻率元件年銷量180億顆,其中無(wú)源產(chǎn)品銷量為164.45億顆,占比為89.3%。根據(jù)壓電晶體行業(yè)協(xié)會(huì)(PCAC)的數(shù)據(jù),國(guó)內(nèi)市場(chǎng)2016年石英及陶瓷等各類材料制成的無(wú)源晶振銷量達(dá)到185.7億顆,其中音叉晶體諧振器、微型SMD高頻晶體諧振器的銷量分別為85.1億只和100.6億只,銷售額分別為14.6億元和49.3億元。

疫情過(guò)后國(guó)內(nèi)廠商陸續(xù)提價(jià),無(wú)源晶振國(guó)產(chǎn)替代迎來(lái)契機(jī)。對(duì)比四家晶振廠商低頻及高頻晶體諧振器產(chǎn)品參數(shù),日本、臺(tái)灣、大陸廠商在無(wú)源晶振領(lǐng)域并無(wú)明顯差異。目前,中國(guó)憑借勞動(dòng)力成本、市場(chǎng)規(guī)模優(yōu)勢(shì),已經(jīng)發(fā)展成為無(wú)源晶振主要制造基地。2020年新冠疫情導(dǎo)致全球晶振產(chǎn)能減少,供需狀況發(fā)生轉(zhuǎn)變。3月后,中國(guó)情勢(shì)已經(jīng)逐步好轉(zhuǎn)產(chǎn)能釋放在即,晶振行業(yè)迎來(lái)國(guó)產(chǎn)替代契機(jī)。根據(jù)公開(kāi)資料顯示,泰晶科技等國(guó)內(nèi)晶振企業(yè)已于2月20日對(duì)產(chǎn)品亦進(jìn)行新一輪提價(jià),中國(guó)廠商在無(wú)源領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)將逐步凸顯。

 

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。

2.4 替代邏輯三:突破光刻技術(shù),推進(jìn)小型化、高精度發(fā)展

 

(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)。

(2)MEMS技術(shù)用于超小型音叉晶體,使體積壓縮至原有產(chǎn)品1/10

 

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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