2020年5G基站建設(shè)提速，對石英晶振的需求將會增加。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時鐘信號以及接收傳輸信號。5G技術(shù)在各方面都要做到非常精準，僅普通的石英晶體諧振器并不足夠支持5G的運轉(zhuǎn)，必須額外搭載精度、穩(wěn)定性要求更高的TCXO（溫補晶振）、VCXO（壓控晶振）、OXCO（恒溫晶振）等產(chǎn)品。我們預(yù)計2020年后，有源晶振訂單量會隨之增加

二、國產(chǎn)替代的三個邏輯

2.1 晶振市場格局：日本領(lǐng)先，中國追趕

全球石英晶體元器件廠家主要在日本、美國、臺灣地區(qū)及中國大陸。美國廠商主要針對美國國內(nèi)及部分專項市場，供求渠道較為穩(wěn)定，產(chǎn)品單位價值較高。日本是國際石英晶體諧振器傳統(tǒng)制造強國。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，日本廠商進一步加大了技術(shù)及設(shè)備的升級速度，在中高端應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵭辛伺潘缘南鄬夹g(shù)壟斷，具備較強的規(guī)模效應(yīng)和技術(shù)優(yōu)勢。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)域如中國臺灣、中國大陸等廠商產(chǎn)能擴張等因素的影響，市場份額出現(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，市場份額占比已經(jīng)由2011 年的59.3%下降到50%以下。

中國臺灣地區(qū)廠商近年來發(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%的市場份額，競爭實力在短時間內(nèi)也無法撼動。大陸企業(yè)起步較晚，核心生產(chǎn)設(shè)備依賴外購，產(chǎn)品主要應(yīng)用于消費類電子和小型電子領(lǐng)域。不過近年來，大陸廠商憑借成本優(yōu)勢迅速發(fā)展，成長率顯著高于其他國家。根據(jù)日本水晶工業(yè)協(xié)會公布的數(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%增長近6.1個百分點。

2.2 替代邏輯一：穩(wěn)固無源晶振市場份額

無源晶振在對精度要求較低、成本較高的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。雖然無源晶振的精度、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也會考慮成本因素。無源晶振的價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，移動終端的藍牙傳輸、紅外線功能，計時器及鐘表的計時功能，僅需無源晶振便能實現(xiàn)。

無源晶振產(chǎn)銷量在晶振市場中占較大份額。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（PCAC）的數(shù)據(jù)，國內(nèi)市場2016年石英及陶瓷等各類材料制成的無源晶振銷量達到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。

疫情過后國內(nèi)廠商陸續(xù)提價，無源晶振國產(chǎn)替代迎來契機。對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、臺灣、大陸廠商在無源晶振領(lǐng)域并無明顯差異。目前，中國憑借勞動力成本、市場規(guī)模優(yōu)勢，已經(jīng)發(fā)展成為無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，中國情勢已經(jīng)逐步好轉(zhuǎn)產(chǎn)能釋放在即，晶振行業(yè)迎來國產(chǎn)替代契機。根據(jù)公開資料顯示，泰晶科技等國內(nèi)晶振企業(yè)已于2月20日對產(chǎn)品亦進行新一輪提價，中國廠商在無源領(lǐng)域的優(yōu)勢將逐步凸顯。

2.3 替代邏輯二：TCXO 及TSX訂單增長，國產(chǎn)替代空間巨大

經(jīng)過2017-2018年晶振市場低迷期，部分日企整生合產(chǎn)線。有源晶振可針對晶體的頻率溫度特性做相應(yīng)的補償，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)對溫補晶振需求旺盛，日本各廠商紛紛擴張產(chǎn)線。而2017年后，移動通信行業(yè)步入4G到5G過渡階段，溫補晶振需求疲軟，前期擴產(chǎn)導(dǎo)致庫存積壓。日本廠商和全球代理商開始消化庫存，溫補晶振價格一度大幅下跌。石英晶振市場規(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財年連續(xù)下滑，KDS業(yè)務(wù)收入也進入負增長階段。部分小廠商關(guān)閉生產(chǎn)線進行整合，實力較強的龍頭企業(yè)則專注高附加值產(chǎn)品，市場集中度進一步提升。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供需情況發(fā)生轉(zhuǎn)變，2520及2016溫補晶振訂單增多。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)致部分型號產(chǎn)品交貨周期延長，有源晶振又回到供不應(yīng)求的狀態(tài)。需求端：移動通信市場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）兩種尺寸的溫補晶振和熱敏晶體需求較高，該型號產(chǎn)品訂單增長，逐步出現(xiàn)量價齊升的態(tài)勢。

低成本的熱敏晶體可在一定程度上替代溫補晶振。熱敏晶體和溫補晶振都是在特殊環(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。熱敏晶振在工作過程中受到了溫度感應(yīng)時可以使晶體產(chǎn)品在工作過程中保持一個精準的不變的溫度，使晶振產(chǎn)品的精度給CPU提供信號的同時又能避免因為溫度的問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晶振的替代品，其成本低廉、生產(chǎn)快捷，但精度弱于溫補晶振。例如，TCXO溫補晶振的頻率偏差在±0.5ppm 的范圍，晶振給CPU控制中心提供的信號接收到的線路導(dǎo)航精準偏差在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。

溫補晶振&熱敏晶體國產(chǎn)替代空間巨大，中國企業(yè)逐步實現(xiàn)技術(shù)突破。惠倫晶體聘請國外具有先進研發(fā)經(jīng)驗和專業(yè)學(xué)識的高級人才，實現(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)用于移動通信和汽車電子領(lǐng)域的2520、2016兩種型號熱敏晶體。對比日本、臺灣、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晶振技術(shù)，進一步縮小和日、臺企業(yè)的差距。

2.4 替代邏輯三：突破光刻技術(shù)，推進小型化、高精度發(fā)展

（1）MEMS技術(shù)可解決傳統(tǒng)機械加工的局限

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級的晶體單元采用音叉型結(jié)構(gòu)振動子；

2）MHz級的晶體單元采用AT型結(jié)構(gòu)振動子；

3）百MHz超高頻晶體單元采用SAW型振動子，溫度特性曲線和音叉型振動子類似。隨著下游產(chǎn)品對晶振抗振性、相位噪聲等、尺寸小型化等參數(shù)要求越來越高，傳統(tǒng)機械加工的局限性逐漸顯露。

音叉型晶振缺陷：單元尺寸壓縮后將難于取得良好的振蕩特性。當(dāng)石英振動子的尺寸從1.2×1.0mm減小到1.0×0.8mm時，串聯(lián)電阻值（CI值）會升高30%左右，也就是說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)機械加工難以滿足嚴格的公差要求。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，需要將公差控制在2um以內(nèi)，而傳統(tǒng)機械加工難以滿足嚴格的公差要求。

超高頻晶振缺陷：多次倍頻導(dǎo)致相噪損失嚴重。晶振工作頻率通常與晶片厚度成反比，傳統(tǒng)機械加工最適合的頻率范圍為1-40MHz（對應(yīng)晶片厚度0.04mm）。以傳統(tǒng)方式生產(chǎn)百MHz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。因此，生產(chǎn)百兆赫茲高頻晶振通常采用10MHz 成熟產(chǎn)品作為基準頻率源，并經(jīng)過多次倍頻獲得所需信號。但這樣導(dǎo)致電路復(fù)雜，相噪損失嚴重。

微電子機械系統(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)實現(xiàn)微納米尺度加工，在加工精度、加工手段、EDA(計算機輔助設(shè)計)等方面具有先天優(yōu)勢，因此石英晶體技術(shù)與MEMS技術(shù)的結(jié)合成為必然趨勢。

（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振動臂，在兩個振動臂上鍍有激勵電極（紅色部分）。該常規(guī)結(jié)構(gòu)的晶片微型化后，激勵電極面積將隨之減小，不利于起振。MEMS技術(shù)通過對振動片進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。石英掩模和雙對準器光刻生成AT條帶圖案，其中晶片的頂部和底部表面同時對準和曝光。然后通過隨后的光掩模步驟限定晶體電極和探針焊盤案。然后對晶片進行化學(xué)金屬和石英蝕刻以形成單獨的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，晶圓包含上百個獨立的超小型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)機械加工將晶片整體變薄，光刻加工僅減少驅(qū)動電極附近的厚度（反向臺構(gòu)造），保持芯片強度。這樣以來，百MHz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）國產(chǎn)企業(yè)突破光刻技術(shù)，推進產(chǎn)品向小型化、高精度趨勢發(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，區(qū)別于傳統(tǒng)的機械式加工生產(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。應(yīng)用MEMS技術(shù)的微型化產(chǎn)品與傳統(tǒng)機械加工生產(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片上進行光刻、金屬蒸鍍、激光調(diào)頻等集成處理，單個音叉單元尺寸極小。

國產(chǎn)企業(yè)光刻技術(shù)已取得突破。泰晶科技從2011年開始布局光刻工藝研發(fā)，2014年組建了國內(nèi)同行業(yè)首家微納米晶體加工技術(shù)重點實驗室，以激光調(diào)頻和光刻技術(shù)為基礎(chǔ)，加強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3000顆的“1610”型號晶體諧振器集成至3寸的WAFER 片上。