国产晶振的崛起,替代国际大品牌

发布时间 : 2020-08-02 17:38  浏览次数 : 74

随着TWS、IOT、5G手机设备等对于小型化和高频晶振产品的需求提升,晶振行业发展迎来新机遇。作为半导体核心基础原件,应用市场很广,主要应用领域在于消费电子、移动终端、车联网、通信设备等,任何与调频相关的设备都需要晶振,随着5G技术推进,设备对于蓝牙、wifi、定位、导航等功能的需求提升,小型化和高频晶振产品需求旺盛。


目前,用于疫情防控的检测设备如红外测温仪、心电仪、血氧饱和仪、血糖仪、血压计、远程医疗设备等各类医疗器械,都需要用到晶振。疫情之下,晶振需求急速增加,迎来一波小高峰。


一、下游应用驱动,晶振市场回暖

物联网经过多年的酝酿,随着5G技术商业化的临近,物联网产品的大规模应用也近在眼前。有市场便会有需求,随着物联网范围的不断扩大,伴随着物联网而生的NB-IoT技术自然受到众厂商的瞩目,更何况该技术还准备,预防可能出现的风险。


1. 全球石英晶振需求量逐年上升

目前,我国电子信息产业的国际地位不断稳固和提高。《中国电子信息产业统计年鉴》数据显示,2018年我国电子信息行业销售收入为169027亿元,其中电子制造业收入规模达到105966亿元,出口金额为58931亿元,进口金额为41898亿元,市场规模(收入+进口-出口)为88933亿元。尽管2018年全球贸易局势错综复杂,消费电子市场疲软不振,但我国电子信息制造业通过结构调整和转型升级,走高质量发展之路,全国规模以上电子信息制造业主营业务收入仍逆势增长9.0%。

电子制造行业市场规模巨大,部分电子产品新老更迭迅速,对晶振需求较大。根据CS&A预测,2019全球频率元件产值为32-34亿美元,频率元件年销量190-210亿颗。


晶振主要用于网络设备、消费类电子、移动终端、智慧生活、小型电子、资讯设备、汽车电子等领域,且不同应用领域所需要的晶振数量不同。比如,大型基站所需的晶振数量超过10颗,而小型基站仅需要1颗温补晶振。消费类电子产品所需的晶振数量大约4-5颗,而工业设备、汽车对晶振的需求则为数十颗。


1.2 移动终端:预计2022年国内手机厂商对晶振需求量达35.2亿颗

5G带动新一波换机需求。IDC预测,2019年全球手机出货量为13.7亿部(2019年出货预计同比减少2.2%),而国内手机市场占据约30%的份额。根据中国信通院数据显示,2019年国内手机市场总体出货量为3.89亿部,同比下降6.2%。虽然目前国内手机行业已呈现饱和状态,但2020年5G商用将带动新一波换机需求,国内智能手机市场有望回暖。

单个手机配置的晶振数量及价值不断提升。(1)按键手机中石英晶振仅需2-3 颗,分别为32.768KHZ 圆柱直插晶振、49S晶振和一款5032(5.0*3.2mm)贴片晶振;(2)4G智能手机则需配置约5-6颗晶振,分别为时间显示所用的为32.768KHz晶振,蓝牙模块上16MHz贴片晶振,数据传输所用的高频圆柱直插晶振,NFC模块中使用的13.56MHz贴片晶振,以及根据手机CPU运行温度进行变更频率的26MHz 温补晶振等;(4)5G手机预计要配置6-10颗晶振,首选方案为频率为76.8MHz或者96MHz、负载电容为8-12pf的小尺寸2.0*1.6mm晶振。单个手机配置的晶振价值量不断提升。


根据草根调研及互联网公开资料进行整理,我们以单部低端3G手机的晶振需求为3颗、4G智能机晶振需求为6 颗、5G手机晶振需求为8颗计算,得出2022年国内手机厂商晶振总需求为35.2亿颗,市场规模约23.85亿元。


1.3 资讯设备:电子计算机保持较高出货量,年晶振需求量约31亿颗

国内微型计算机市场产能旺盛,支撑着上游晶体谐振器产业发展。根据国家统计局数据,2018年我国电子计算机产量为3.52亿台,微型计算机产量为3.07亿台。电子计算机继续保持较高的出货量,对频率元件需求旺盛。根据公开资料及市场调研得知,电脑主板中包含频率为14.318MHz的时钟晶振和频率为32.768KHz的实时晶振,另外显示器、摄像头、蓝牙、无线WIFI、声卡、硬盘、键盘各连接一颗高频晶振。按照每台计算机使用9颗石英晶体谐振器,每颗晶振平均价格为0.2元计算,微型计算机生产商每年总共需要约27亿颗晶体谐振器,所有电子计算机厂商每年则需要约31亿颗晶体谐振器,市场规模为6.2亿元。


1.4 可穿戴设备市场:2023 年晶振需求量预计为8亿颗,TWS 景气度高企

中国可穿戴设备市场规模近年快速增长。IDC数据显示,2018年我国可穿戴设备出货量为7321万台,同比增长28.5%;预计2023年,我国可穿戴设备市场出货量将达到2亿台的规模。我们假设,单台设备平均需要4颗晶振,预计2023年我国可穿戴市场晶振需求量约为8亿颗。

在可穿戴设备中,TWS耳机异军突起。各大手机厂商均看好其市场前景,纷纷将TWS耳机纳入标配产品。根据Counterpoint数据,全球TWS耳机出货量由2018年4季度的1250万迅速增长至2019年3季度的3300万,增速为164%。国内TWS耳机在2019年也开启爆发式增长,上半年销量已达到1764 万台,逼近2018年全年销量;零售额为57.9亿元,较2018年同期近乎翻倍增长。由于TWS耳机多采用半入耳式耳塞,佩戴方式相对松散,外部噪音容易进入。因此,采用晶振进行降噪成为TWS耳机的必选方案。在TWS耳机内,厂商一般选用体积小、高精密、低功耗的2520、2016贴片晶振。


1.5 家电市场:每年对晶振的需求超过23.4亿颗

根据统计局数据显示,家电市场(彩电、空调、洗衣机、冰箱)出货量每年均维持在较高水平。2018年彩电、空调、洗衣机、冰箱产量分别为2.04亿台、2.05亿台、0.72亿台和0.78亿台。家电产品对晶振微型化及精准度要求相对较低,一般选用千赫兹压电石英晶振或者陶瓷晶振。在不考虑其他类别家电的情况下,我们假设单台彩电需要8颗晶振,而单台空调、洗衣机及电冰箱需要晶振数量为2颗,则家电厂商每年对晶振的需求超过23.4亿颗。

1.6 汽车电子:预计2020年全国车用晶振15.4亿颗

汽车电子成为晶振主要应用场景。中国是汽车产销大国。根据中国汽车工业协会统计,2018年我国汽车累计销量为2808.06万辆,较上年同期基本持平。此外,汽车电动化、智能化、网联化趋势越来越明显,汽车电子渗透率逐步提升。我国汽车电子市场规模以超过10%的增速逐年增长,2019年已达到962亿美元。


汽车电动化带来元器件需求扩张,每部汽车需配置数十颗晶振。根据NDK 年报披露数据,低端车型配置10-20颗晶振,经济型汽车需要晶振30-40颗,豪华型汽车需要70-110颗。依据《智能网联汽车技术路线图》,2020年智能汽车新车占比达到50%;2025年智能汽车新车装配率将达到80%。我们以每部经济型汽车使用晶振30颗,智能汽车使用80颗晶振颗测算,预计2020年全国车用晶振达到15亿颗,到2025年增长至28.7亿颗。


1.7 5G领域对晶振的需求

2020年5G基站建设提速,对石英晶振的需求将会增加。石英晶振是5G技术中最核心的电子零部件,其作用是提供高端基准时钟信号以及接收传输信号。5G技术在各方面都要做到非常精准,仅普通的石英晶体谐振器并不足够支持5G的运转,必须额外搭载精度、稳定性要求更高的TCXO(温补晶振)、VCXO(压控晶振)、OXCO(恒温晶振)等产品。我们预计2020年后,有源晶振订单量会随之增加


二、国产替代的三个逻辑


2.1 晶振市场格局:日本领先,中国追赶

全球石英晶体元器件厂家主要在日本、美国、台湾地区及中国大陆。美国厂商主要针对美国国内及部分专项市场,供求渠道较为稳定,产品单位价值较高。日本是国际石英晶体谐振器传统制造强国。随着电子信息行业的飞速发展和智能应用领域的多元化,日本厂商进一步加大了技术及设备的升级速度,在中高端应用领域实行了排他性的相对技术垄断,具备较强的规模效应和技术优势。2013年以后,日本厂商受到原材料和人力资源成本上升,以及全球范围内其他区域如中国台湾、中国大陆等厂商产能扩张等因素的影响,市场份额出现较大幅度下滑。日本厂商将中低端业务逐步转移至中国,市场份额占比已经由2011 年的59.3%下降到50%以下。


中国台湾地区厂商近年来发展迅速,产品更新速度快,2017年已经占据了全球约24.3%的市场份额,竞争实力在短时间内也无法撼动。大陆企业起步较晚,核心生产设备依赖外购,产品主要应用于消费类电子和小型电子领域。不过近年来,大陆厂商凭借成本优势迅速发展,成长率显著高于其他国家。根据日本水晶工业协会公布的数据:2017 年大陆厂商晶振销售额约占全球的10.10%,较2010年的4.0%增长近6.1个百分点。


2.2 替代逻辑一:稳固无源晶振市场份额

无源晶振在对精度要求较低、成本较高的领域广泛应用。虽然无源晶振的精度、抗噪声性能、抗干扰性能较有源晶振存在一定差距,但终端厂商在选择晶振时也会考虑成本因素。无源晶振的价格仅为有源晶振的五分之一至十分之一,在电路中广泛应用。比如,移动终端的蓝牙传输、红外线功能,计时器及钟表的计时功能,仅需无源晶振便能实现。


无源晶振产销量在晶振市场中占较大份额。根据CS&A数据,2018年全球利用石英晶体制成的频率元件产值为33亿美元,其中无源产品产值为18亿美元,占比为55.3%。石英晶体频率元件年销量180亿颗,其中无源产品销量为164.45亿颗,占比为89.3%。根据压电晶体行业协会(PCAC)的数据,国内市场2016年石英及陶瓷等各类材料制成的无源晶振销量达到185.7亿颗,其中音叉晶体谐振器、微型SMD高频晶体谐振器的销量分别为85.1亿只和100.6亿只,销售额分别为14.6亿元和49.3亿元。


疫情过后国内厂商陆续提价,无源晶振国产替代迎来契机。对比四家晶振厂商低频及高频晶体谐振器产品参数,日本、台湾、大陆厂商在无源晶振领域并无明显差异。目前,中国凭借劳动力成本、市场规模优势,已经发展成为无源晶振主要制造基地。2020年新冠疫情导致全球晶振产能减少,供需状况发生转变。3月后,中国情势已经逐步好转产能释放在即,晶振行业迎来国产替代契机。根据公开资料显示,泰晶科技等国内晶振企业已于2月20日对产品亦进行新一轮提价,中国厂商在无源领域的优势将逐步凸显。


2.3 替代逻辑二:TCXO 及TSX订单增长,国产替代空间巨大

经过2017-2018年晶振市场低迷期,部分日企整生合产线。有源晶振可针对晶体的频率温度特性做相应的补偿,多用于高速通信、导航、汽车电子等领域。2015年-2016年4G建设对温补晶振需求旺盛,日本各厂商纷纷扩张产线。而2017年后,移动通信行业步入4G到5G过渡阶段,温补晶振需求疲软,前期扩产导致库存积压。日本厂商和全球代理商开始消化库存,温补晶振价格一度大幅下跌。石英晶振市场规模在2018年下滑10.11%,至29.4亿美元。巨头NDK公司有源业务在18及19财年连续下滑,KDS业务收入也进入负增长阶段。部分小厂商关闭生产线进行整合,实力较强的龙头企业则专注高附加值产品,市场集中度进一步提升。例如,以京瓷为代表的部分日系晶振厂甚至剥离2520、2016尺寸温补晶振产线,转而主攻毛利率更高的1612尺寸产品。

2019下半年有源晶振市场供需情况发生转变,2520及2016温补晶振订单增多。供给端:由于此前部分日本晶振原厂和材料供应商将生产线迁至东南亚等地,导致部分型号产品交货周期延长,有源晶振又回到供不应求的状态。需求端:移动通信市场5G基础设施建设加速,汽车领域配置ADAS等设备的高端车型渗透率提升,综合导致晶振市场回暖。


5G基站、汽车电子及物联网等高科技领域对2520(2.5mm*2.0mm)、2016(2.0mm*1.6mm)两种尺寸的温补晶振和热敏晶体需求较高,该型号产品订单增长,逐步出现量价齐升的态势。


低成本的热敏晶体可在一定程度上替代温补晶振。热敏晶体和温补晶振都是在特殊环境下使用的频率元件,可以改善其频率温度补正。热敏晶体的原理是在普通贴片晶振基础上增加一颗热敏电阻以及一颗变容二极管,利用变容二极管的容变功能与热敏的传感功能相结合,形成带有温度传感功能的热敏石英晶振。热敏晶振在工作过程中受到了温度感应时可以使晶体产品在工作过程中保持一个精准的不变的温度,使晶振产品的精度给CPU提供信号的同时又能避免因为温度的问题给晶振造成频率较大的偏差。带有温度传感的热敏晶振是温补晶振的替代品,其成本低廉、生产快捷,但精度弱于温补晶振。例如,TCXO温补晶振的频率偏差在±0.5ppm 的范围,晶振给CPU控制中心提供的信号接收到的线路导航精准偏差在3-5米范围内;而热敏晶振频率偏差为±10PPM,导航偏差约为200米。


温补晶振&热敏晶体国产替代空间巨大,中国企业逐步实现技术突破。惠伦晶体聘请国外具有先进研发经验和专业学识的高级人才,实现了TCXO器件产品的技术研发,向压电石英晶体产品全系列发展。泰晶科技也研发出广泛应用于移动通信和汽车电子领域的2520、2016两种型号热敏晶体。对比日本、台湾、大陆五家公司产品数据,大陆企业将逐步突破热敏晶体和温补晶振技术,进一步缩小和日、台企业的差距。


2.4 替代逻辑三:突破光刻技术,推进小型化、高精度发展


(1)MEMS技术可解决传统机械加工的局限

高稳定性的晶体元器件晶体单元/晶体振荡器按照切型主要分为三种:

1)kHz级的晶体单元采用音叉型结构振动子;

2)MHz级的晶体单元采用AT型结构振动子;

3)百MHz超高频晶体单元采用SAW型振动子,温度特性曲线和音叉型振动子类似。随着下游产品对晶振抗振性、相位噪声等、尺寸小型化等参数要求越来越高,传统机械加工的局限性逐渐显露。


音叉型晶振缺陷:单元尺寸压缩后将难于取得良好的振荡特性。当石英振动子的尺寸从1.2×1.0mm减小到1.0×0.8mm时,串联电阻值(CI值)会升高30%左右,也就是说音叉型晶体单元尺寸压缩后将难于取得良好的振荡特性。


AT切型晶振缺陷:传统机械加工难以满足严格的公差要求。AT切割是目前使用最广泛的石英晶体类型之一,常用于高频晶振。典型的超小型胚料尺寸小于3.5*0.63mm,加工难度大幅增加。大规模生产小型晶体时,需要将公差控制在2um以内,而传统机械加工难以满足严格的公差要求。


超高频晶振缺陷:多次倍频导致相噪损失严重。晶振工作频率通常与晶片厚度成反比,传统机械加工最适合的频率范围为1-40MHz(对应晶片厚度0.04mm)。以传统方式生产百MHz晶振需要将晶片加工至超薄,从而导致出现稳定性差及易破损的缺点。因此,生产百兆赫兹高频晶振通常采用10MHz 成熟产品作为基准频率源,并经过多次倍频获得所需信号。但这样导致电路复杂,相噪损失严重。


微电子机械系统(MEMS)技术的有效应用为石英晶体的加工提供了技术借鉴和启发。MEMS技术利用IC加工技术实现微纳米尺度加工,在加工精度、加工手段、EDA(计算机辅助设计)等方面具有先天优势,因此石英晶体技术与MEMS技术的结合成为必然趋势。


(2)MEMS技术用于超小型音叉晶体,使体积压缩至原有产品1/10


音叉谐振器包括底部和从底部延伸的两个振动臂,在两个振动臂上镀有激励电极(红色部分)。该常规结构的晶片微型化后,激励电极面积将随之减小,不利于起振。MEMS技术通过对振动片进行三维立体加工形成H型槽的构造,既确保了电极的面积,又提高了电解效率。MEMS技术有效推动晶体谐振器小型化发展,光刻加工下的晶振体积缩小至18.8mm3小型音叉型晶体器件,体积仅为原有产品1/10以下


(3)MEMS技术用于AT型晶体/AT振荡器,将尺寸公差保持在1um以内

利用MEMS技术的光刻加工可以提升石英晶体芯片的一致性与稳定性,光蚀刻工艺能够将尺寸公差保持在1um以内。


光刻工艺首先使用电子束真空沉积系统将石英晶片化学蚀刻至预定频率,清洁并用铬和金薄膜金属化。石英掩模和双对准器光刻生成AT条带图案,其中晶片的顶部和底部表面同时对准和曝光。然后通过随后的光掩模步骤限定晶体电极和探针焊盘案。然后对晶片进行化学金属和石英蚀刻以形成单独的AT条带。最后,使用孔掩模和薄膜金属沉积将顶部和底部安装垫连接在一起。光刻工艺完成后,晶圆包含上百个独立的超小型AT晶体谐振器。


(4)MEMS技术用于HFF晶体单元/HFF振荡器,使高频产品可以直接以基波起振不同于传统机械加工将晶片整体变薄,光刻加工仅减少驱动电极附近的厚度(反向台构造),保持芯片强度。这样以来,百MHz的高频晶振可以直接以基波起振,不用以中低频成熟产品作为基准频率源。光刻加工的HFF振荡器具有优良的抗震性以及较低的相位噪声,适用于光传输装置、基站等通信基础设置。


(5)国产企业突破光刻技术,推进产品向小型化、高精度趋势发展

石英晶体硬度及理化性质稳定,频率基本不随温度变化,由此产生的内部振荡损失也最小,非常适合精密制造。同时,区别于传统的机械式加工生产方式,改良的制程更便于批量生产,可以在保证小型化的同时把偏差控制在最小限度内,从而使产品具备小型化、低耗电、高稳定、高频率的优势。应用MEMS技术的微型化产品与传统机械加工生产的晶振前端工艺区别为:1)微型化产品切割环节不是一次性切割成为单个音叉晶体单元,而是首先切割成可以集合上千支晶片单元的大方片;2)音叉晶片及电极成型环节采用双面光刻工艺,在WAFER片上进行光刻、金属蒸镀、激光调频等集成处理,单个音叉单元尺寸极小。


国产企业光刻技术已取得突破。泰晶科技从2011年开始布局光刻工艺研发,2014年组建了国内同行业首家微纳米晶体加工技术重点实验室,以激光调频和光刻技术为基础,加强MEMS技术在晶体谐振器产品的应用。目前公司已经取得了微型晶体谐振器生产的核心技术研究成果,成功使用双面光刻工艺,将超过3000颗的“1610”型号晶体谐振器集成至3寸的WAFER 片上。