晶振国内替代国外！
隨著TWS、IOT、5G手機設備等對于小型化和高頻晶振產品的需求提升，晶振行業發展迎來新機遇。作為半導體核心基礎原件，應用市場很廣，主要應用領域在于消費電子、移動終端、車聯網、通信設備等，任何與調頻相關的設備都需要晶振，隨著5G技術推進，設備對于藍牙、wifi、定位、導航等功能的需求提升，小型化和高頻晶振產品需求旺盛。
目前，用于疫情防控的檢測設備如紅外測溫儀、心電儀、血氧飽和儀、血糖儀、血壓計、遠程醫療設備等各類醫療器械，都需要用到晶振。疫情之下，晶振需求急速增加，迎來一波小高峰。
一、下游應用驅動，晶振市場回暖
物聯網經過多年的醞釀，隨著5G技術商業化的臨近，物聯網產品的大規模應用也近在眼前。有市場便會有需求，隨著物聯網范圍的不斷擴大，伴隨著物聯網而生的NB-IoT技術自然受到眾廠商的矚目，更何況該技術還準備，預防可能出現的風險。
1.?全球石英晶振需求量逐年上升
目前，我國電子信息產業的國際地位不斷穩固和提高。《中國電子信息產業統計年鑒》數據顯示，2018年我國電子信息行業銷售收入為169027億元，其中電子制造業收入規模達到105966億元，出口金額為58931億元，進口金額為41898億元，市場規模（收入+進口-出口）為88933億元。盡管2018年全球貿易局勢錯綜復雜，消費電子市場疲軟不振，但我國電子信息制造業通過結構調整和轉型升級，走高質量發展之路，全國規模以上電子信息制造業主營業務收入仍逆勢增長9.0%。
電子制造行業市場規模巨大，部分電子產品新老更迭迅速，對晶振需求較大。根據CS&A預測，2019全球頻率元件產值為32-34億美元，頻率元件年銷量190-210億顆。
晶振主要用于網絡設備、消費類電子、移動終端、智慧生活、小型電子、資訊設備、汽車電子等領域，且不同應用領域所需要的晶振數量不同。比如，大型基站所需的晶振數量超過10顆，而小型基站僅需要1顆溫補晶振。消費類電子產品所需的晶振數量大約4-5顆，而工業設備、汽車對晶振的需求則為數十顆。
1.2 移動終端：預計2022年國內手機廠商對晶振需求量達35.2億顆
5G帶動新一波換機需求。IDC預測，2019年全球手機出貨量為13.7億部（2019年出貨預計同比減少2.2%），而國內手機市場占據約30%的份額。根據中國信通院數據顯示，2019年國內手機市場總體出貨量為3.89億部，同比下降6.2%。雖然目前國內手機行業已呈現飽和狀態，但2020年5G商用將帶動新一波換機需求，國內智能手機市場有望回暖。
單個手機配置的晶振數量及價值不斷提升。（1）按鍵手機中石英晶振僅需2-3 顆，分別為32.768KHZ 圓柱直插晶振、49S晶振和一款5032（5.0*3.2mm）貼片晶振；（2）4G智能手機則需配置約5-6顆晶振，分別為時間顯示所用的為32.768KHz晶振,藍牙模塊上16MHz貼片晶振，數據傳輸所用的高頻圓柱直插晶振，NFC模塊中使用的13.56MHz貼片晶振，以及根據手機CPU運行溫度進行變更頻率的26MHz 溫補晶振等；（4）5G手機預計要配置6-10顆晶振，首選方案為頻率為76.8MHz或者96MHz、負載電容為8-12pf的小尺寸2.0*1.6mm晶振。單個手機配置的晶振價值量不斷提升。
根據草根調研及互聯網公開資料進行整理，我們以單部低端3G手機的晶振需求為3顆、4G智能機晶振需求為6 顆、5G手機晶振需求為8顆計算，得出2022年國內手機廠商晶振總需求為35.2億顆，市場規模約23.85億元。
1.3 資訊設備：電子計算機保持較高出貨量，年晶振需求量約31億顆
國內微型計算機市場產能旺盛，支撐著上游晶體諧振器產業發展。根據國家統計局數據，2018年我國電子計算機產量為3.52億臺，微型計算機產量為3.07億臺。電子計算機繼續保持較高的出貨量，對頻率元件需求旺盛。根據公開資料及市場調研得知，電腦主板中包含頻率為14.318MHz的時鐘晶振和頻率為32.768KHz的實時晶振,另外顯示器、攝像頭、藍牙、無線WIFI、聲卡、硬盤、鍵盤各連接一顆高頻晶振。按照每臺計算機使用9顆石英晶體諧振器，每顆晶振平均價格為0.2元計算，微型計算機生產商每年總共需要約27億顆晶體諧振器，所有電子計算機廠商每年則需要約31億顆晶體諧振器，市場規模為6.2億元。
1.4 可穿戴設備市場：2023 年晶振需求量預計為8億顆，TWS 景氣度高企
中國可穿戴設備市場規模近年快速增長。IDC數據顯示，2018年我國可穿戴設備出貨量為7321萬臺,同比增長28.5%；預計2023年,我國可穿戴設備市場出貨量將達到2億臺的規模。我們假設，單臺設備平均需要4顆晶振，預計2023年我國可穿戴市場晶振需求量約為8億顆。
在可穿戴設備中，TWS耳機異軍突起。各大手機廠商均看好其市場前景，紛紛將TWS耳機納入標配產品。根據Counterpoint數據，全球TWS耳機出貨量由2018年4季度的1250萬迅速增長至2019年3季度的3300萬，增速為164%。國內TWS耳機在2019年也開啟爆發式增長，上半年銷量已達到1764 萬臺，逼近2018年全年銷量；零售額為57.9億元，較2018年同期近乎翻倍增長。由于TWS耳機多采用半入耳式耳塞，佩戴方式相對松散，外部噪音容易進入。因此，采用晶振進行降噪成為TWS耳機的必選方案。在TWS耳機內，廠商一般選用體積小、高精密、低功耗的2520、2016貼片晶振。
1.5 家電市場：每年對晶振的需求超過23.4億顆
根據統計局數據顯示，家電市場（彩電、空調、洗衣機、冰箱）出貨量每年均維持在較高水平。2018年彩電、空調、洗衣機、冰箱產量分別為2.04億臺、2.05億臺、0.72億臺和0.78億臺。家電產品對晶振微型化及精準度要求相對較低，一般選用千赫茲壓電石英晶振或者陶瓷晶振。在不考慮其他類別家電的情況下，我們假設單臺彩電需要8顆晶振，而單臺空調、洗衣機及電冰箱需要晶振數量為2顆，則家電廠商每年對晶振的需求超過23.4億顆。
1.6 汽車電子：預計2020年全國車用晶振15.4億顆
汽車電子成為晶振主要應用場景。中國是汽車產銷大國。根據中國汽車工業協會統計，2018年我國汽車累計銷量為2808.06萬輛，較上年同期基本持平。此外，汽車電動化、智能化、網聯化趨勢越來越明顯，汽車電子滲透率逐步提升。我國汽車電子市場規模以超過10%的增速逐年增長，2019年已達到962億美元。
汽車電動化帶來元器件需求擴張，每部汽車需配置數十顆晶振。根據NDK 年報披露數據，低端車型配置10-20顆晶振，經濟型汽車需要晶振30-40顆，豪華型汽車需要70-110顆。依據《智能網聯汽車技術路線圖》，2020年智能汽車新車占比達到50%；2025年智能汽車新車裝配率將達到80%。我們以每部經濟型汽車使用晶振30顆，智能汽車使用80顆晶振顆測算，預計2020年全國車用晶振達到15億顆,到2025年增長至28.7億顆。
1.7?5G領域對晶振的需求
2020年5G基站建設提速，對石英晶振的需求將會增加。石英晶振是5G技術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，必須額外搭載精度、穩定性要求更高的TCXO（溫補晶振）、VCXO（壓控晶振）、OXCO（恒溫晶振）等產品。我們預計2020年后，有源晶振訂單量會隨之增加
二、國產替代的三個邏輯
2.1 晶振市場格局：日本領先，中國追趕
全球石英晶體元器件廠家主要在日本、美國、臺灣地區及中國大陸。美國廠商主要針對美國國內及部分專項市場，供求渠道較為穩定，產品單位價值較高。日本是國際石英晶體諧振器傳統制造強國。隨著電子信息行業的飛速發展和智能應用領域的多元化，日本廠商進一步加大了技術及設備的升級速度，在中高端應用領域實行了排他性的相對技術壟斷，具備較強的規模效應和技術優勢。2013年以后，日本廠商受到原材料和人力資源成本上升，以及全球范圍內其他區域如中國臺灣、中國大陸等廠商產能擴張等因素的影響，市場份額出現較大幅度下滑。日本廠商將中低端業務逐步轉移至中國，市場份額占比已經由2011 年的59.3%下降到50%以下。
中國臺灣地區廠商近年來發展迅速，產品更新速度快，2017年已經占據了全球約24.3%的市場份額，競爭實力在短時間內也無法撼動。大陸企業起步較晚，核心生產設備依賴外購，產品主要應用于消費類電子和小型電子領域。不過近年來，大陸廠商憑借成本優勢迅速發展，成長率顯著高于其他國家。根據日本水晶工業協會公布的數據：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、成本較高的領域廣泛應用。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。
無源晶振產銷量在晶振市場中占較大份額。根據CS&A數據，2018年全球利用石英晶體制成的頻率元件產值為33億美元，其中無源產品產值為18億美元，占比為55.3%。石英晶體頻率元件年銷量180億顆，其中無源產品銷量為164.45億顆，占比為89.3%。根據壓電晶體行業協會（PCAC）的數據，國內市場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。
疫情過后國內廠商陸續提價，無源晶振國產替代迎來契機。對比四家晶振廠商低頻及高頻晶體諧振器產品參數，日本、臺灣、大陸廠商在無源晶振領域并無明顯差異。目前，中國憑借勞動力成本、市場規模優勢，已經發展成為無源晶振主要制造基地。2020年新冠疫情導致全球晶振產能減少，供需狀況發生轉變。3月后，中國情勢已經逐步好轉產能釋放在即，晶振行業迎來國產替代契機。根據公開資料顯示，泰晶科技等國內晶振企業已于2月20日對產品亦進行新一輪提價，中國廠商在無源領域的優勢將逐步凸顯。
2.3 替代邏輯二：TCXO 及TSX訂單增長，國產替代空間巨大
經過2017-2018年晶振市場低迷期，部分日企整生合產線。有源晶振可針對晶體的頻率溫度特性做相應的補償，多用于高速通信、導航、汽車電子等領域。2015年-2016年4G建設對溫補晶振需求旺盛，日本各廠商紛紛擴張產線。而2017年后，移動通信行業步入4G到5G過渡階段，溫補晶振需求疲軟，前期擴產導致庫存積壓。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。石英晶振市場規模在2018年下滑10.11%，至29.4億美元。巨頭NDK公司有源業務在18及19財年連續下滑，KDS業務收入也進入負增長階段。部分小廠商關閉生產線進行整合，實力較強的龍頭企業則專注高附加值產品，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尺寸溫補晶振產線，轉而主攻毛利率更高的1612尺寸產品。
2019下半年有源晶振市場供需情況發生轉變，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商將生產線遷至東南亞等地，導致部分型號產品交貨周期延長，有源晶振又回到供不應求的狀態。需求端：移動通信市場5G基礎設施建設加速，汽車領域配置ADAS等設備的高端車型滲透率提升，綜合導致晶振市場回暖。
5G基站、汽車電子及物聯網等高科技領域對2520（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，該型號產品訂單增長，逐步出現量價齊升的態勢。
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上增加一顆熱敏電阻以及一顆變容二極管，利用變容二極管的容變功能與熱敏的傳感功能相結合，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時可以使晶體產品在工作過程中保持一個精準的不變的溫度，使晶振產品的精度給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航精準偏差在3-5米范圍內；而熱敏晶振頻率偏差為±10PPM，導航偏差約為200米。
溫補晶振&熱敏晶體國產替代空間巨大，中國企業逐步實現技術突破。惠倫晶體聘請國外具有先進研發經驗和專業學識的高級人才，實現了TCXO器件產品的技術研發，向壓電石英晶體產品全系列發展。泰晶科技也研發出廣泛應用于移動通信和汽車電子領域的2520、2016兩種型號熱敏晶體。對比日本、臺灣、大陸五家公司產品數據，大陸企業將逐步突破熱敏晶體和溫補晶振技術，進一步縮小和日、臺企業的差距。
2.4 替代邏輯三：突破光刻技術，推進小型化、高精度發展
（1）MEMS技術可解決傳統機械加工的局限
高穩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構振動子；
2）MHz級的晶體單元采用AT型結構振動子；
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。隨著下游產品對晶振抗振性、相位噪聲等、尺寸小型化等參數要求越來越高，傳統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。當石英振動子的尺寸從1.2×1.0mm減小到1.0×0.8mm時，串聯電阻值（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。大規模生產小型晶體時，需要將公差控制在2um以內，而傳統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，傳統機械加工最適合的頻率范圍為1-40MHz（對應晶片厚度0.04mm）。以傳統方式生產百MHz晶振需要將晶片加工至超薄，從而導致出現穩定性差及易破損的缺點。因此，生產百兆赫茲高頻晶振通常采用10MHz 成熟產品作為基準頻率源，并經過多次倍頻獲得所需信號。但這樣導致電路復雜，相噪損失嚴重。
微電子機械系統（MEMS）技術的有效應用為石英晶體的加工提供了技術借鑒和啟發。MEMS技術利用IC加工技術實現微納米尺度加工，在加工精度、加工手段、EDA(計算機輔助設計)等方面具有先天優勢，因此石英晶體技術與MEMS技術的結合成為必然趨勢。
（2）MEMS技術用于超小型音叉晶體，使體積壓縮至原有產品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）。該常規結構的晶片微型化后，激勵電極面積將隨之減小，不利于起振。MEMS技術通過對振動片進行三維立體加工形成H型槽的構造，既確保了電極的面積，又提高了電解效率。MEMS技術有效推動晶體諧振器小型化發展，光刻加工下的晶振體積縮小至18.8mm3小型音叉型晶體器件，體積僅為原有產品1/10以下
（3）MEMS技術用于AT型晶體/AT振蕩器，將尺寸公差保持在1um以內
利用MEMS技術的光刻加工可以提升石英晶體芯片的一致性與穩定性，光蝕刻工藝能夠將尺寸公差保持在1um以內。
光刻工藝首先使用電子束真空沉積系統將石英晶片化學蝕刻至預定頻率，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技術用于HFF晶體單元/HFF振蕩器，使高頻產品可以直接以基波起振不同于傳統機械加工將晶片整體變薄，光刻加工僅減少驅動電極附近的厚度（反向臺構造），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品作為基準頻率源。光刻加工的HFF振蕩器具有優良的抗震性以及較低的相位噪聲，適用于光傳輸裝置、基站等通信基礎設置。
（5）國產企業突破光刻技術，推進產品向小型化、高精度趨勢發展
石英晶體硬度及理化性質穩定，頻率基本不隨溫度變化，由此產生的內部振蕩損失也最小，非常適合精密制造。同時，區別于傳統的機械式加工生產方式，改良的制程更便于批量生產，可以在保證小型化的同時把偏差控制在最小限度內，從而使產品具備小型化、低耗電、高穩定、高頻率的優勢。應用MEMS技術的微型化產品與傳統機械加工生產的晶振前端工藝區別為：1）微型化產品切割環節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節采用雙面光刻工藝，在WAFER片上進行光刻、金屬蒸鍍、激光調頻等集成處理，單個音叉單元尺寸極小。
國產企業光刻技術已取得突破。泰晶科技從2011年開始布局光刻工藝研發，2014年組建了國內同行業首家微納米晶體加工技術重點實驗室，以激光調頻和光刻技術為基礎，加強MEMS技術在晶體諧振器產品的應用。目前公司已經取得了微型晶體諧振器生產的核心技術研究成果，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。
來源：微信公眾號ittbank
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總結
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