幾乎所有的電子產品系統都需要時鐘，時鐘器件的重要性，有如電子產品的“心跳”。石英晶體作為時鐘器件的基礎已有60年之久，但是在電子產品體積微型化和系統設計復雜化等趨勢的影響下，石英受制于自身的物理特性和高成本，已難以滿足電子產品日趨嚴苛的性能和成本要求。尤其是在物聯網時代，時鐘器件必須往微型化、低功耗、高集成度的方向發展。
隨著MEMS技術的日趨成熟，10年前MEMS時鐘“應運而生”。MEMS時鐘是基于微機電系統而制造的一種可編程硅振蕩器。相較于石英晶振，MEMS時鐘產品采用標準的硅制程，可依循半導體技術和工藝的演進將尺寸越做越小、性能越做越高、成本越做越低。另外，MEMS時鐘在功耗、抗干擾和供貨周期上與石英晶體相比也都具有明顯的優勢。那么MEMS時鐘能否全面取代石英晶振？在物聯網時代，可穿戴設備需要什么樣的MEMS時鐘器件？
時鐘產業未來將由可穿戴、物聯網和移動市場帶動
“如同集成電路取代分立器件、數字存儲取代磁盤和膠卷，MEMS時鐘器件也終將取代石英。”MEMS與模擬半導體公司SiTime的行銷執行副總裁Piyush Sevilla在日前于深圳舉行的新品發布會上態度堅定地表示。
物聯網和可穿戴時代 MEMS時鐘要革石英晶振的“命”
SiTime公司是MegaChips的全資子公司，專注于MEMS時鐘產品設計，擁有包括MEMS、模擬和系統在內的100項專利技術。目前SiTime的MEMS時鐘產品已經廣泛應用于基站、服務器、交換機、路由器、車載、安防、數碼以及手機、平板和可穿戴等消費電子領域，總出貨量超過四億顆，市占率高達九成。
Piyush Sevalia表示，整個時鐘市場的規模可達60億美元。主要分為三大領域：頻率控制器件、半導體時鐘器件以及時鐘系統。其中，頻率控制器件（傳統石英）需要投入大量資金建制工廠，所需的陶瓷封裝技術也只有愛普生、京瓷等少數日企掌握。而SiTime的產品可以用成本低廉且廣泛應用于標準半導體元器件的塑料封裝，由博世和Tower Jazz提供MEMS和晶圓，臺積電代工。相比時鐘市場年均5%的復合增長率，2012年至2017年，MEMS振蕩器增長的年復合增長率將超過65%。
物聯網和可穿戴時代 MEMS時鐘要革石英晶振的“命”
整個時鐘市場分為三大領域：頻率控制器件（左）、半導體時鐘器件（中）和時鐘系統（右）。
基礎設施、工業、汽車和手機等消費電子是MEMS時鐘不斷增長的市場。SiTime未來將瞄準哪些市場？“物聯網和可穿戴設備不斷成長，對于時鐘小型化與低功耗的需求日益增強，SiTim會將重心放在可穿戴設備、物聯網以及手機等移動設備，而這也是公司未來營收的三大成長動力。”Piyush Sevalia對OFweek可穿戴設備網編輯表示，過去三年間，SiTime已經針對這些市場，每年發表創新的MEMS時鐘解決方案，獲得各界熱烈回響，目前出貨量突破6，000萬組，且成長速度越來越快。
可穿戴設備對MEMS時鐘的要求：體積小、精度高、續航長
根據市調機構Gartner的統計數據，可穿戴設備2015-2020年復合成長率將達到15%，其市場前景可期。但是可穿戴設備的高速發展對硬件技術提出了新的挑戰。對于可穿戴設備而言，平均每臺設備會用到3-7顆時鐘器件。因此，在時鐘器件的尺寸、功耗、性能等方面需要全面保障。
SiTime日前針對可穿戴和物聯網領域特別推出了32 kHz Super-TCXOs的SiT156x/7x系列產品。這套時鐘解決方案與眾不同，尺寸僅1.2 mm2，較石英產品縮小了85%。此外，Super-TCXOs運用SiTime顛覆過往的TempFlat MEMS技術，準確性可達±5 ppm，不僅可精密計時亦可延長電池續航力。最重要的是，SiT1568具備創新、內建自動校準功能，方便客戶排除在系統組裝、回流、底填、成模時的時脈誤差。“有了SiT156x/7x 32 kHz Super-TCXOs，客戶能設計出具備最小尺寸、最精準、超長電池續航力等可翻轉市場的電子產品，證明了SiTime的MEMS時鐘解決方案一再為時鐘產業創造新局。”Piyush Sevalia表示。
SiT1566、SiT1568和SiT1576三款Super-TCXO產品的特性。
在尺寸微型化方面，SiTime MEMS在體積上遠遠超過石英，在kHz和MHz上，體積分別可比石英縮小65%和40%。另外，SiTime的SiT156x/7x能驅動多重載入，不只元件本身所占的體積變小，從元件的數量方面做最大優化，降低物料清單空間與成本。
SiTime MEMS在體積上遠遠超過石英
在精準度方面，SiT156x/7x Super-TCXO在-40-80℃的工業溫度下達±5 ppm準確度，為石英晶體振諧器30-40倍。值得注意的是，在非常小的設備中，設備內的溫度可能會發生急劇變化，當智能手表或其他可穿戴設備藍牙開關瞬間溫度會飆升，其頻率的精準度也會跟著改變；SiTime的溫度補償晶體振蕩器(TCXO)可以使得在溫度驟升的變化過程中維持±5 ppm 穩定度，幾乎不受影響。
SiT156x/7x的精度和溫度補償
對于可穿戴設備而言，電池續航一直是亟待解決的難題。目前可穿戴設備大多無法獨立使用，需要通過藍牙與手機相連。但是它們不是始終相連，否則會消耗大量電能，因此會不斷接通和斷開。由此可以看出，精度高的時鐘器件會減少設備間連接的次數，從而減少電量的消耗。SiT156x/7x Super-TCXO的精準計時會將啟動所需時間減少65%，相比石英可以讓藍牙的功耗做到更低。
SiT156x/7x Super-TCXO提供藍牙低功耗盛典功能。
值得一提的是，可穿戴設備和物聯網帶動小型化模組的需求，當模組化或系統封裝(SiP)的過程中都有可能射出成型或具有涂層，因此在模組本身會產生壓力，導致所有的頻率器件會產生頻率誤差。有鑒于此，SiT156x/7x Super-TCXO希望利用本身內建自動校準功能，將封裝前后的精準度維持在5ppm之內，提供客戶做小型化模組的過程中，不影響芯片的準確度。
物聯網和可穿戴時代 MEMS時鐘要革石英晶振的“命”
SiT156x/7x Super-TCXO自動校準將封裝前后的精度維持在5ppm之內
總體來看，SiTime的MEMS時鐘新品在尺寸、精度、功耗和自動校準等方面具備明顯優勢。品佳集團旗下凱悌股份有限公司總經理吳永昌對此表示，過去七年間，我們與SiTime在亞洲攜手合作，親身感受到SiTime的MEMS時鐘解決方案徹底改造業界，提供更多功能、更高效能、更小尺寸、更低功耗、更加穩定。最新SiT156x/7x系列的32 kHz Super-TCXOs為效能及尺寸樹立新標竿，令傳統石英產業望塵莫及，我們很榮幸成為SiTime的重要伙伴。
物聯網和可穿戴時代，SiTime仗劍MEMS和模擬技術大舉挺進時鐘市場，看來是要革了石英晶振的“命”。而傳統的石英廠商已開始“倒戈”，有販售SiTime MEMS產品的石英供應商多達25家。就像Piyush Sevalia所言：“如同集成電路取代分立器件、數字存儲取代磁盤和膠卷，MEMS時鐘器件也終將取代石英。”