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科技新知
石英元件產業技術發展趨勢
發表日期:2024-12-18
作者:蕭睿中(工研院)
摘要:
在全球電子市場快速演進的當下,石英元件以其獨特的物理特性成為許多先進電子裝置不可或缺的核心元件。
全文:
一、前言
在全球電子市場快速演進的當下,石英元件以其獨特的物理特性成為許多先進電子裝置不可或缺的核心元件。隨著5G技術的快速發展,全球通訊產業進入了一個全新的時代。5G技術以其高速度、低延遲和大規模連接的特性,不僅推動了移動通訊的變革,還帶動了物聯網、智慧城市和各類高科技應用的迅速崛起,石英元件扮演其中的關鍵元件,負責提供穩定的時脈訊號。本文將深入探討石英元件產業的技術發展趨勢,並提出對未來發展的展望。
二、石英元件產業近期技術發展動態
石英元件因其卓越的頻率穩定性和產業歷經長期發展,並主要提供穩定的頻率來控制時脈訊號,對數位產品而言,晶片是心臟,而石英元件像是節拍器,是讓產品數位訊號能夠對標的關鍵零組件,具有高穩定性、高精度和低相噪等特性,能夠提供穩定的頻率信號,確保通訊設備的正常運行,市場廣泛應用於通訊設備、高速運算、消費電子、汽車電子等多種領域。隨著技術的進步和市場的擴展,石英元件的市場需求呈現出穩定增長的趨勢。全球石英元件市場預計在未來幾年將以年複合成長率5.8%的增長率持續擴大,2027年全球石英元件市場規模預計將達53億美元。以下就石英元件在主要關鍵應用技術發展與挑戰進行分析。
(一)資料中心/伺服器-高速傳輸具頻率穩定以維持同步性
自2022年11月OpenAI推出生成式AI的對話機器人,全球開始掀起生成式AI熱潮,隨著ChatGPT快速的崛起,國際主要雲端服務業者爭相投入AI技術的投資與硬體設備的採購,帶動了AI伺服器迅速成為市場焦點。隨著5G技術逐步成熟發展,物聯網流量的大幅增長以及生成式AI蓬勃發展下,資料中心的吞吐量快速增加,面對這些趨勢,企業開始需要使用更大量的數據與更快速的資料傳輸。對於資料中心的需求大幅增加,根據Gartner指出AI運算需求帶動所有類型資料中心數量的增長,至2025年,預計大型資料中心的數量將達到1,900座,中型和企業資料中心將超過2萬座。
隨著資料中心和雲端運算的快速發展,根據TrendForce調查,2022年全球資料中心整體市場收益約3,260億美元,而其中網路基礎設施、伺服器與儲存分別占58.8%、27.5%與13.7%。當面對大量的資訊收集和分析需求,伺服器則是作為資訊處理的核心設備,提供了必要的運算能力和儲存能力,而石英元件在其中扮演著相當重要的關鍵零組件,尤其是石英振盪器,它們為伺服器、網通設備提供穩定和精確的時脈訊號,確保數據傳輸和處理的同步性和可靠性。AI伺服器高頻高速傳輸需求引爆網通設備及電子零組件的升級潮,加速了交換器、WiFi 7、光通訊模組等新技術導入,AI伺服器、通訊設備等應用不僅增加石英振盪器需求量,對於石英元件的規格要求也有所提升。由於運算速度不斷提升下,功耗就會提升,而電路板的溫度就會有所提升,因此當溫度變化的過程中必須控制石英元件的頻率在高溫下不能飄移,加上通訊傳輸高頻化也讓石英元件的尺寸必須越做越薄越小。
另外,數據中心高速傳輸的需求,特別是在數據中心的內部與外部通訊傳輸,其中光通訊模組是在數據中心和網路架構的關鍵組成部分。為了解決AI大量資料傳輸的瓶頸,光通訊模組的需求不斷增加,光通訊模組通過光纖進行數據傳輸,提供高帶寬、低延遲和高可靠性的連接特性。為了支撐AI模型及大數據運算,算力需求提升下促使資料中心內部伺服器連接需要提升傳輸速度,而就現今寬頻51.2 Tbps的乙太網路下,目前光通訊模組的數據傳輸速率已由200Gbps提升至400Gbps,可支援128x400GbE 和 256x200GbE 連接阜。應付未來AI大量資訊的傳輸需求,乙太網路也將提升至102.4 Tbps交換容量,也將推升光通訊模組的傳輸速率至800Gbps,其中 PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4-level)信號調變和同調技術是光通訊模組設計的關鍵,如下圖1所示。為了滿足新型PAM4的設計要求,光通訊模組需搭配高階的差動式石英振盪器,為模組系統提供更精準頻率之穩定性。

資料來源:泰藝電子(2023)
圖1 光通訊模組PAM4光學設計結構圖
(二)無線通訊-後5G時代朝向微型化高頻化之趨勢
時脈同步一直是無線通訊中重要的一個環節,5G高速傳輸時代更是重視低延遲技術。在5G基站中,石英振盪器主要用於提供精確的時脈訊號,以確保數據傳輸的同步性和穩定性。5G網路系統基地台將設備連接到網絡,由處理資料的中央單元(CU)和分散式單元(DU)以及在設備之間發送和接收無線電波的無線射頻單元(RU)組成。5G系統中使用的無線電波表現出強烈的無線電波線性和短距離。因此,小型無線基地台的安裝需求數量未來將會大幅增加,這將帶動石英振盪器的需求量,尤其是恆溫控制石英振盪器(OCXO)。
無線通訊中,基站需要處理大量的數據傳輸,其中石英振盪器需具備低相位雜訊、低抖動以及高精準度等特性,以確保通訊穩定、精準同步和最佳性能表現。除此之外,基站通常運作於室外,甚至於極端溫度的環境中。因此石英振盪器需要具備有抗風震的特性之外,更要具有廣泛的操作溫度範圍,需要在-40°C到+85°C或是-40°C到+105°C更寬的區間內皆能正常運作。此外,通訊設備之間需要高度時間同步,特別對於5G網路通訊而言,石英振盪器還需要具備高頻率和低相噪的特性。
智慧型手機是無線通訊技術中最直接的終端應用之一,智慧型手機每年十億隻的龐大需求為全球最多的行動裝置。隨著後5G時代來臨,對高頻石英晶體裝置的需求不斷增加,頻率由19.2MHz提升至76.8MHz,通訊技術的進步,高頻化的需求將不斷提升,高頻化代表著石英元件厚度要越薄,從1.6mm x 1.2mm尺寸縮小至1.2mm x 1.0mm,未來甚至會朝向0.8mm x 0.6mm的尺寸發展,並將頻率再提升至153.6MHz作為下一個頻率技術開發。未來通訊技術勢必會邁向6G,對更高頻率、更微型化發展趨勢的石英振盪器規格需求勢必會更加提升。
三、傳統石英元件之挑戰-MEMS振盪器的威脅

資料來源:工研院產科國際所(2024)
圖2 石英振盪器與MEMS振盪器特性比較
MEMS(微機電系統)振盪器作為石英振盪器的主要競爭者,具有多種獨特的優勢,使其在某些應用領域越來越受到青睞。MEMS振盪器威脅在於其技術的迅速發展和應用領域的擴展。隨著製造技術的改進,MEMS振盪器在性能上逐漸可與石英振盪器互相競爭,甚至優於石英振盪器的表現,如圖2中所示。MEMS振盪器顯示出卓越的抗震性能,其原因在於其質量比石英晶體輕約1000至3000倍,施加在MEMS振盪器的衝擊較低,因此在受到外在環境影響將能大幅減少頻率飄移現象。MEMS振盪器的卓越抗震特性也解決了石英元件的痛點,因為電子裝置常受到環境壓力的干擾,尤其是在戶外的系統。此外,系統內部冷卻所使用的風扇也會產生振動,這些振動干擾皆會對石英元件產生影響,導致頻率飄移和雜訊的產生。
四、結論
由於在低頻環境中石英元件產品已趨成熟飽和,同時基於無線通訊技術快速發展,加上終端產品的功能愈趨強大,使得市場對於高頻率與高穩定性的要求更為重視,以滿足後5G世代下對於高速傳輸與無線通訊系統的性能要求。高頻化的過程中會讓石英元件尺寸越薄越小,製程技術將朝向半導體晶圓級先進製程推進,讓石英元件產業技術門檻大幅提升。我國石英元件廠商未來將持續投入各類高精密度以及低相噪的電壓控制石英振盪器、溫度補償石英振盪器以及恆溫控制石英振盪器等高階石英元件,並且對產品高可靠性的要求日益重視。
MEMS振盪器的興起對於傳統石英元件產業構成了顯著的挑戰,儘管MEMS振盪器在多個領域展示了強大的競爭力,但在振盪器的市場MEMS振盪器不會完全取代石英振盪器,兩者會在不同的應用領域各自發揮其優勢,共存於市場中。
(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)
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