因为有线及无线市场的快速成长，石英晶体及其高频所需的表面声波(SAW)装置已受到广泛运用，范围从电子玩具所使用的简单被动石英晶体，到最精密电信网络骨干频率所使用的复杂同步计时模块(STM)(表1)。如前篇文章所述，从2000～2001年的「.COM」市场瓦解之后，对于石英晶体及石英振荡器的需求，以每年4～10%之间稳定增加。而频率控制产品的产业大环境，也经历巨大的变化。

娱乐、游戏及可携式电子产品在过去几年的巨幅成长，将小型石英晶体及晶体振荡器的需求带向一个空前的层级。目前已能大量供应小至2毫米×1.6毫米的AT切割石英晶体(图1)，而金属管封装32.768kHz的胶模石英音叉亦已供货多年，但这在几年前仍难以想象。近年来，使用传统AT切割晶体封装方法的石英音叉亦能以极小的尺寸供货4.1毫米×1.5毫米、3.2毫米×1.5毫米及2毫米×1.2毫米(图2)。目前主要的目标是将这类石英音叉的厚度推向0.4毫米或更薄，以供轻薄型产品使用。预计在几年后，即会出现需要更小尺寸石英晶体(1.6毫米×1毫米及1毫米×0.8毫米)的应用，而石英晶体制造商正对此进行因应准备。

 
图1　2mm×1.6mm 24M～54MHz石英晶体

 
图2　2毫米×1.2毫米 32.768kHz石英音叉

   体积小于5毫米×3.2毫米的石英晶体，通常须要密封在真空中，以维持正确的阻抗值。低MHz的小型石英晶体芯片亦须要制成圆边(Beveling)，以维持有效的能陷(Energy Trapping)。数家晶体振荡器供货商已开始采用光微影制程，以处理小尺寸的石英晶体及低MHz频率石英晶体。这对于单纯仰赖传统研磨法制造石英晶体的厂商来说，将是发展小型石英晶体产品时，最主要的技术鸿沟。另外，在石英晶体电镀、黏晶及封装过程中的技术性难题，也将是处理小型石英晶体芯片的挑战。 

    在晶体振荡器方面，目前受到广泛应用的是2.5毫米×2毫米互补式金属氧化层半导体(CMOS)固定频率晶体振荡器(图3)，并已开始供应更小的2毫米×1.6毫米版本。2.5伏特供应电压是目前通用的规格，但1.8伏特或更低供应电压的市场也在开始兴起当中。

 
图3　2.5毫米×2毫米 2M～48MHz CMOS晶体振荡器

    上列晶体振荡器的可程序化版本(PCXO)则是以7毫米×5毫米、5毫米×3.2毫米及3.2毫米×2毫米等封装规格出现。这些振荡器具有锁相回路(PLL)程序，可依据单一低频率石英晶体(例如25MHz)，在工作频率范围内(例如2M～200MHz)设定为任何需要的频率。这些振荡器对于设计师极具吸引力，因为它们可以快速设定成开发用途所需要的频率，但PLL式振荡器同时亦具有较高讯号抖动的先天缺点。另外，具有差动LVPECL/LVDS输出的晶体振荡器亦以14毫米×9毫米、7毫米×5毫米及5毫米×3.2毫米等封装出现。上述石英晶体、晶体振荡器及可程序化晶体振荡器的频率对温度稳定性，依操作的温度范围不同，通常指定频偏值须低于±100、50及25ppm。至今，AT切割石英晶体是唯一已知能提供这种稳定性，而不需要任何补偿的共振组件。 

    TCXO的推出，在于能提供更佳的频率稳定性。AT切割石英晶体具有三次方的频率温度稳定性，而TCXO振荡器电路则具有电压频率调变功能，能够以模拟或数字方式，将三次方频率温度以极佳的频率对温度变更率，补偿至温度对sub-10ppm的程度(图4)。对于现今的手机应用来说，通常需要频率稳定性优于±2.5ppm的TCXO，以提供精准的参考频率进行频率合成；而在全球卫星定位系统(GPS)设备部分，需要的是优于±0.5ppm的TCXO。目前最小的TCXO其体积仅有2毫米×1.6毫米(图5)。

图4　16MHz TCXO(80单位)相对于温度的频率变更率(在2°C/分变化)

图5　2毫米×1.6毫米 12M～52MHz TCXO

    整体而言，在过去10年中，石英晶体及晶体振荡器制造商已完成以前所想象不到的成就，将石英晶体、XO、PCXO、VCXO和TCXO的尺寸缩小到终端产品所需要的程度。最重要的是，没有牺牲效能及成本。现在每年已有越来越多的石英晶体组件上市，而成熟产品的平均销售价格也持续在下降中。 

网络/储存设备强力成长 

   多年来，固定频率石英振荡器市场主要需要的是CMOS输出(单端)及低于70MHz的产品，低于70 MHz三倍频波石英晶体被认为较容易制作。过去厂商主要的目标是在降低晶体振荡器的尺寸，以及降低其供应电压。网络及储存设备市场近年来的强力成长，也大幅提升差动输出最高至160MHz (LVPECL及LVDS)振荡器的需求，而目前许多供货商皆已提供采用7毫米×5毫米及5毫米×3.2毫米平台的产品。 

    目前主要有三个采用不同执行方式的解决方案：第一类方案包括将HFF(高频基本波模式)石英晶体、三倍频(OT)石英晶体，或是基本SAW共振器与传统反馈回路振荡器IC搭配；第二类使用低频石英晶体(20M～35MHz)与简单整数PLL IC搭配；第三类包括将三倍频石英晶体与较高等级的PLL IC，例如三倍频石英晶体与AFM(模拟倍频器，例如×2)IC、三倍频与全程序化DSPLL振荡器IC等搭配。 

    上述解决方案部分能提供低于1ps rms相位讯号抖动(12k～20MHz)，而除了SAW解决方案外，以上各者皆具备一般AT切割石英晶体的三次方频率温度属性，以及提供±100、50及25ppm方案。现在已有部分供货商能提供具有二次方频率温度属性的固定频率SAW振荡器。在<160MHz的晶体振荡器市场需求增加时，平均销售价格就会下降。预期在不久的未来，只有来自第一类的三倍频石英晶体及SAW共振器解决方案将持续具有竞争能力，但大于160MHz晶体振荡器市场仍会持续进展。若大于160MHz市场现在就出现，第一类的HFF及三倍频石英晶体解决方案就会因为石英晶体的生产成本过高而无法竞争。 

振荡器IC竞争加剧 

    在过去，只有少数美国、欧洲及日本晶体振荡器供货商能取得专属的振荡器IC，因此主宰了频率控制产品的市场。其它公司只能参与低阶CMOS振荡器产业，或停留在制造石英晶体的阶段。而现在，已有为数不少的IC供货商投入，包括NPC、 JRC、Interchip、IDT、Phaselink、AKM、Panasonic、MAS、Glacier、KME、 百力达(Pericom)、Silicon Clocks以及EM Microelectronics等，为许多低至中阶XO、PCXO、VCXO及TCXO提供振荡器IC晶粒。这些IC供货商愿意与石英振荡器供货商合作，为不同的应用提供产品或发展更小及更薄的高性能振荡器IC晶粒。更多的石英振荡器供货商，特别是来自台湾、中国及韩国的公司，已能在更多频率控制产品市场中竞争。 

计时产品业者提供晶体振荡器 

    如前所述，2008年的石英晶体及晶体振荡器总市场已达41亿美元。这市场的投入者通常被归类为「石英振荡器供货商」，有些亦提供某些以SAW为基础的产品，如滤波器、共振器及振荡器。但这41亿美元之市场规模并不包括诸如EPCOS等只制造SAW产品、但不制造晶体产品的供货商的收益。尚有另一类供货商团队，提供频率缓冲器、频率产生器、频率分配器等产品。这些投入者通常被归类为「计时组件供货商」。 

    计时组件市场在2008年市场规模达18亿美元。在大部分情况，使用者仍须要向石英振荡器供货商购买石英晶体或石英振荡器，以便与他们所购买的计时组件搭配。过去，石英振荡器供货商及计时组件供货商仅支持他们自己的客户，鲜少跨界供货，但这种情况在2004年开始有所改变。IDT(当时为ICS)成为第一家提供7毫米×5毫米 PLL式晶体振荡器(内含石英晶体)的计时组件供货商。之后，便有部分IC公司如芯科实验室(Silicon Labs)、Maxim、安森美半导体(ON Semiconductor)等开始为网络及储存设备市场提供7毫米×5毫米及5毫米×3.2毫米 XO/VCXO，以及为高阶电信网络市场供货(图6)。

 
图6　芯科实验室的Si5XX系列7毫米×5毫米 XO/VCXO

这些产品正面迎战已经在市场上有一定规模的石英振荡器，而一家美国的计时产品供货商甚至藉由购并数家亚洲的石英振荡器供货商，以强化自己的石英晶体产品线。业界中普遍存有一种想法：「只要能分得10%石英晶体和石英振荡器的市场就已经足够。」对于计时组件供货商的争相投入(或某些人认为是入侵)，石英振荡器供货商的因应策略各有不同。就某一方面来说，它证明石英振荡器市场非常有潜力，因为能吸引更多厂商投入。而就另一方面而言，也会造成平均销售价格下降。

藉由电路设计提升振荡器性能 

多年以前，TCXO成为第一种使用补偿网络配合振荡器电路，达到sub-10ppm温度稳定性的石英振荡器。PCXO后来则藉由使用分数-N型PLL电路，而成为成功的产品。上述是透过电路改善石英振荡器性能的实例。而近期以来，某些石英振荡器供货商已开始提供更佳频偏特性的XO(相较广工作温度范围具有低于±15ppm的「中阶」温度补偿，以及密封后调整的数组电容值，以在室温下达成更佳的频率误差范围。) 

如前所述，第一个具有低于1ps rms相位抖动(12k～20MHz)的PLL式晶体振荡器出现在2004年。第一个完全可程序化的DSPLL式XO/VCXO则在1年后出现。这些产品有部分已开始挑战来自现有电信网络业所采用石英振荡器供货商的VCSO和HFF式VCXO。 

上述的温度补偿及可程序架构，在前篇文章所讨论的全硅微机电系统振荡器及全硅振荡器的近期发展中，扮演关键性的角色。在过去几年中发展的振荡器电路改善情况，未来还会持续下去。相信对石英晶体及石英振荡器产业未来的影响，将不会只来自共振组件(微机电系统共振器、FBAR、RLC、陶瓷共振器等)的变体，也会来自振荡器电路的改善。 

电信网络市场缓慢复苏 

许多美国及欧洲晶体振荡器供货商在「.COM」市场瓦解的短短两年内，遭受50～80%的收益损失，因为他们的商业策略主要是以中阶或高阶 石英晶体以及石英振荡器(HFF、XO、VCXO/ VCSO、TCXO、OCXO和计时模块)为电信大厂提供服务，但某些供货商在景气低迷时期已消失。电信网络业所采用的石英晶体及石英振荡器市场已显示复苏的迹象，但谁也不敢确定市场何时才能回到至少1999年时的水平。同时，更多市场中倍数成长之晶体振荡器供货商，正投资开发中至高阶石英晶体及石英振荡器，以为电信网络市场的回春做准备。在景气低迷时期受创的欧美供货商应该很乐见市场复苏，但他们也会发现有越来越多的竞争者，以及电信网络业客户也会要求更低的价格。 

如前所述，即使现在已有小尺寸的32.768kHz石英音叉(4.1毫米×1.5毫米、3.2毫米×1.5毫米和2毫米×1.2毫米)，但胶模封装(含金属管封装石英音叉)的销售情况仍相当好，因为许多客户并不须要或不想付出额外的金钱以得到较小的组件。由于小尺寸石英晶体(5毫米×3.2毫米及更小)的市场规模持续攀升，因此其更低廉及更大的版本的DIP型AT切割石英晶体之平均销售价格也会成长。这些石英晶体在中国大陆具有非常高的生产量，因为中国大陆石英晶体供货商可在境内取得所有未处理素材(金属基座、金属盖及石英晶体)。即使台湾的石英晶体供货商具备相关技术，也无法在台湾藉由生产这些低廉的产品获利。 

石英晶体振荡器产业机会与挑战并存 

在石英晶体振荡器面世即将届满百年的现在，其在电子产品中所扮演的角色日益重要。不但没有因众多挑战者的出现而有所动摇，反而衍生了许多始料未及的发展与变革：不但体积变得更小更适合现今电子产品的要求，各项效能也同时提升。当然，就在石英晶体的技术不断向前迈进的同时，硅阵营也不会默不作声，同样出现许多创新的技术与应用。因此，未来将继续探讨石英与硅的进阶应用，并整合目前各界看法，推导出石英晶体产业未来的前景与挑战。