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最适合穿戴、IOT的时钟产品,SiTime如何成为MEMS硅振领导者

传统的晶振行业已经非常成熟,近年来开始遭遇MEMS晶振和全硅晶振的挑战。目前Sitime在MEMS时钟领域占了全球95%的市场份额,可提供超过20万颗不同的产品料号…

上世纪20年代,贝尔电话实验室的AMNicholson和Wesleyan大学的WGCady教授一起研究酒石酸钾晶体,他们发现了在一个驱动电路中石英晶片会产生谐振反应。于是晶体振荡器产生了,大体上有XO(晶体振荡器)、TCXO(温控晶体振荡器)、OCXO(恒温晶体振荡器)、PXCO(可编程晶体振荡器)等分类。

晶振产业成长放缓,SiTime成产业领导者

传统的晶振行业已经非常成熟,近年来开始遭遇MEMS晶振和全硅晶振的挑战。时钟发生器是电子元件中要求最精密的,与传统石英振荡器相比,MEMS更为稳定,低价及小尺寸,同时也可以编程。

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目前包括Pericom、Silicon Labs、SiTime、安塞美半导体公司与Fox Electronics等均在MEMS晶振领域耕耘。其中SiTime成为该领域的领导者,并在2014年被日本Fabless厂商MegaChips收购。凭借SiTime在MEMS时钟领域的份额,MegaChips取得了MEMS领域的领先地位。目前Sitime在MEMS时钟领域占了全球95%的市场份额,可提供超过20万颗不同的产品料号。SiTime的成功之处在于在业内第一家推出MEMS时钟发生器,同时拥有专门的工艺制程以及丰富及广泛的知识产权组合。
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据了解,目前整个时钟市场的产值大概在60亿美金,产业整体增长趋缓,整个市场年复合成长率仅在5%。然而根据Semico提供的数据,2012年至2017年,MEMS振荡器增长的年复合增长率将超过65%。这意味着MEMS时钟已经成为时钟市场增长的主要推动力。

60亿美金市场,物联网成推动力

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目前MEMS时钟被大量应用到手机通信、基础设施、工业和消费类产品等产品中。根据调研机构Gartner的预测,2015~2020年穿戴式设备的复合增长率将达到53%。预计未来MEMS时钟产品将主要由穿戴设备、物联网等产品推动。

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MEMS时钟产品所针对的八大应用

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物联网与穿戴式设备产业迅速崛起,正是精准的32 kHz参考时钟最佳应用。举例来说,其他适合使用低频率Super-TCXO的应用包括工业物联网(智能电表、电子电表、照明、安全)、消费性电子产品(医疗与健康监测器、家庭自动化)及移动智能设备(平板电脑、电子书阅读器、手机)。
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SITIME针对不同行业市场的产品路线图。包括了穿戴、工业、汽车、电信等行业市场。
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SiTime亚太区销售副总裁谢鸿泉(David Hsieh)

在3月14日深圳举行的新品发布会上,SiTime亚太区销售副总裁谢鸿泉(David Hsieh) 对《国际电子商情》记者表示,2015年Sitime35%的营收来自IoT、werable,预计未来消费类与工控类将各占1/3的营收份额。“2015年的成长是2014年的两倍,我们确定首选方向是可穿戴。2015年,我们已经达成目标,整体振荡器的出货量已经达到了前五大,年产能在9000万颗。”

MEMS时钟技术创新,为何更适合物联网应用?

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“过去三年,SiTime针对物联网、穿戴式产品的出货已经超过6000万颗,Sitime的目标是真正解决客户所遇到的问题。目前全球前五大品牌厂商中有四家都是Sitime的客户。” SiTime营销执行副总裁Piyush Sevalia介绍了针对可穿戴市场推出的32 kHz Super-TCXOs的SiT156x/7x系列新品。这套频率解决方案与众不同,尺寸仅1.2 mm2,较石英产品缩小了85%。“有了SiT156x/7x 32 kHz Super-TCXOs,客户能设计出具备最小尺寸、最精准、超长电池续航力等可翻转市场的电子产品,证明了SiTime的MEMS频率解决方案一再为频率产业创造新局。”
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SiTime营销执行副总裁Piyush Sevalia
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在以石英为材料的SPXO(振荡器)厂商中,目前做得最大的是爱普生,其次是TXC,这两家最大的产能一年中达到90million,2015年,Sitime成为简单封装晶体振荡器(SPXO)领域的龙头厂商,产能达到110Million。
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SiT156X与石英32 kHz TCXO竞品的对比
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传统的红色的石英晶振会受到温度的影响,而硅振在不做温度补偿的情况下精度表现也更好。相较于32 kHz石英TCXO、震荡器或谐振器,SiT156x/7x MEMS Super-TCXOs拥有±5 ppm全频稳定性,包括工业温度范围(-40至+85°C)的初始偏移与偏差,更精准的时钟可实现最佳计时效果与延长电池续航力。
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Piyush Sevalia表示,时钟产品的存在已经有70年了,石英产品在其中占比60年时间,创新已经非常缓慢。硅振发展则在非常早期的阶段,尚处在上升期间。石英晶体技术受物理学影响,频率愈低、晶体谐振器体积愈大;MEMS谐振器则无此限制。SiTime MEMS谐振器的一般晶粒尺寸为0.4 x 0.4 mm,质量也只有一般石英晶体谐振器的三千分之一。Piyush Sevalia表示,与石英竞品相比,此次发布的SiT156x/157x采用硅材料制造,可使用晶圆级晶片尺寸封装(WLCSP)等现代晶片封装技术。使得封装尺寸达到1.5*0.8mm,不仅尺寸业界最小,价格也极具竞争力。
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SiT 1566、SiT 1568与SiT 1576 Super-TCXOs即日起上市,均为1.5 x 0.8 x 0.6 mm (长x 宽x 高)芯片尺寸封装(CSP),在穿戴式设备、物联网或行动系统内发挥以下重要功能。这三个产品系列,主要是为了穿戴式、IOT、Mobile产品,可以让产品的寿命实用性最长。
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SiTime采用Temp Flat MEMS™技术,可制造出体积极小的 MEMS硅振,面积仅 0.4 mm x 0.4 mm,并搭配精密、低功耗、混合讯号的 PLL 技术,以及精准温度感测器及补偿线路。由完整的MEMS及可编程类比系统组成Super-TCXO,经过仔细校准后,达到最佳准确度、最小封装及最低功耗。除了尺寸方面最多减少80%以外。Sitime MEMS振荡器还能够降低90%的功耗,同时具有高稳定性、芯片可编程、48小时提供样品,3周生产,终生保护承诺等优点。是目前最适合穿戴与物联网的产品。

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Sitime的32KHz振荡器可以替代掉三颗不同的石英振荡器,可以更好的节省PCB板的面积。穿戴式设备一般需要两项32 kHz参考时钟,分别位于BT/BLE晶片休眠时钟与MCU/SOC的即时时钟,由于SiT156x/7x TCXOs为主动式元件,可轻易驱动两项负载,因此优于谐振器。单一SiT156x/7x可取代多项石英XOs或XTALs、减少物料清单、节省空间及成本;在空间受限的电路板上,主动式TCXO亦具备配置弹性之特性。
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“一般穿戴设备都要跟手机连接传送数据,但是不是一直永远连接的,它的行为模式是连接、断掉睡眠,连接断掉。整个概念是如果可以少的次数连接,可以节省功耗。”PIYUSH SEVALIA表示,对接所花的时间越短,穿戴式设备越省电。在连接状态下,无线子系统以周期休眠模式运作降低功耗,定期苏醒接收中央系统或主机程序讯号。为了在精确的时间苏醒,周边无线设备仰赖 32 kHz 休眠时钟的准确度,过往受到主仆休眠时钟的误差影响,周边设备必须提早苏醒,才不会错过来自主机的讯号,但提早启动会增加功耗,造成功耗减损。对于可穿戴设备和便携终端来说,满足高可靠性、小尺寸、低功耗的MEMS晶振是最优选择。2013年,SiTime推出首款针对穿戴产品的Sit153X,可以把精度做到100ppm;2014年的Sit1552将精度做到10 ppm;到了2016年公布的最新产品SiT156x/7x已经将精度降低到了5ppm。

相较于传统石英晶体之稳定性为180至200 ppm,Super-TCXO仅±5 ppm,可延长休眠时间,并大幅节省系统功耗。

增长迅速,传统石英渠道对接Sitime

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大联大控股集团旗下品佳集团-凯悌公司产品营销处资深总监郑笙祥(Andy Cheng)
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大联大控股集团旗下品佳集团-凯悌公司产品营销处资深总监郑笙祥(Andy Cheng) 作为Sitime的重要渠道商,也到场为Sitime站台。“SITIME近几年的发展非常快,可以看出SITIME原厂对我们的支持是非常大的。”2015年SITIME已经排在品佳集团出货量的第16名,预计2016年可以排到14名。

品佳集团旗下凯悌股份有限公司总经理吴永昌表示,“过去七年间,我们与SiTime在亚洲携手合作,亲身感受到SiTime的MEMS时钟解决方案彻底改造业界,提供更多功能、更高效能、更小尺寸、更低功耗、更加稳定。最新SiT156x/7x系列的32 kHz Super-TCXOs为效能及尺寸树立新标竿,令传统石英产业望尘莫及,我们很荣幸成为SiTime的重要伙伴,期望双方事业都能继续壮大”。
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据了解,Sitime在过去除了使用传统的半导体渠道,如艾睿、品佳集团,也在使用目录型的分销渠道,如DigiKEY和Mouser,“我们把原来贩卖制造石英的厂商,让他们可以导入我们的新技术。部分石英产业渠道开始跟我们对接,来销售新的产品和技术。”PIYUSH SEVALIA表示,目前SiT156x及SiT157x样品已开放客户索取,产品将在2016年第二季正式量产。

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