小小晶振為何能撐起電子設(shè)備供能，高端晶振是否已全面國產(chǎn)化？
普通晶振只有綠豆大小，看上去是一個(gè)不起眼的小器件，它可是電子設(shè)備中一顆顆小 “心臟”，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，比如普通的智能手機(jī)中就有十多顆晶振在各個(gè)“崗位”上提供頻率信號，電腦、路由器、藍(lán)牙耳機(jī)等電子設(shè)備中也處處是晶振的身影，智能汽車等大型智能設(shè)備中更是搭載上百顆各種功能的晶振。除此之外，衛(wèi)星、飛船、火箭等航天器中，晶振作為內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)中電子設(shè)備的“心臟”，也為系統(tǒng)的正常工作提供穩(wěn)定的頻率頻率信號。
那么，晶振是怎樣工作的呢？晶振又有那些種類呢？
1.晶振是怎樣工作的呢？
晶振，它的全稱是石英晶體振蕩器，是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來工作的。晶體的壓電效應(yīng)是19世紀(jì)末法國的皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)的。從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片)，在晶片的兩個(gè)表面上涂敷金或銀層作為電極，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為晶片的諧振頻率時(shí)，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，諧振的頻率會(huì)非常穩(wěn)定，因此，晶振的輸出頻率才會(huì)非常穩(wěn)定，我們的電子設(shè)備才能穩(wěn)定工作。
2.晶振又有那些種類呢？
晶振按照應(yīng)用場合的不同，可以分為普通時(shí)鐘晶振、高頻差分晶振、溫補(bǔ)晶振和恒溫晶振等。普通時(shí)鐘晶振是直接利用晶體諧振頻率進(jìn)行工作的時(shí)鐘振蕩器，它結(jié)構(gòu)較為簡單，用途很廣泛，比如我們家用的石英鐘表就是采用普通時(shí)鐘晶振制作的。高頻差分晶振通常采用鎖相倍頻的原理將晶體諧振頻率倍頻到很高頻率，實(shí)現(xiàn)高頻率的運(yùn)算和高速傳輸，它的輸出頻率可以達(dá)到GHz，也就是每秒振蕩10億次，智能設(shè)備和5G通信都少不了它。溫補(bǔ)晶振是利用溫度補(bǔ)償技術(shù)，使得晶振的輸出頻率更加穩(wěn)定。恒溫晶振通常采用恒溫技術(shù)將晶振的工作溫度控制在非常小的范圍內(nèi)，使得晶振的工作環(huán)境極為穩(wěn)定，目前世界上最穩(wěn)定的頻率設(shè)備——原子鐘，就是采用它輸出的頻率信號的。
3.為什么區(qū)分了有源晶振和無源晶振？
無源晶振是只有2個(gè)引腳的無極性元件，無源晶振自身無法產(chǎn)生振蕩，它需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號。無源晶振不存在負(fù)載電壓的問題，它的信號電平是可以變化的，也就是說它的信號依靠是根據(jù)時(shí)鐘電路決定的，所以無源晶振可以適用于多種電壓，用于不同時(shí)鐘信號電壓要求的DSP，而且價(jià)格也比較低，特別適合于產(chǎn)品線豐富批量大的生產(chǎn)者。
但是無源晶振的缺陷也十分明顯，無源晶振的信號質(zhì)量差，必須要依靠精確的外圍電路匹配，而且在更換不同頻率的晶體時(shí)，還必須要對周圍的電路配置進(jìn)行修改調(diào)整，十分的麻煩且耗費(fèi)精力。
有源晶振具有4只引腳，相較于無源晶振來說它是一個(gè)完整的晶體振蕩器。有源晶振并不需要借助外圍電路進(jìn)行振蕩，它的信號質(zhì)量很好而且很穩(wěn)定，連接方式相對來說也非常簡單（主要是做好電源濾波，通常使用一個(gè)電容和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個(gè)小阻值的電阻過濾信號即可），并不需要配置很復(fù)雜的電路，是時(shí)下半導(dǎo)體公司都十分喜愛的晶振之一。相較于無源晶體來說，有源晶振就具有了固定信號電平的缺陷，必須要有合適的固定信號電平才能輸出，所以相對來說靈活性不高且成本也會(huì)增加。
但是對于時(shí)序要求敏感的應(yīng)用，還是有源晶振好，在無線透傳模塊應(yīng)用中加入有源晶振，提高了數(shù)據(jù)透傳的時(shí)效性，讓用戶的需求更方便、更高效、更快捷的完成。
日本主導(dǎo)全球晶振市場，高端晶振國產(chǎn)化需求強(qiáng)烈
石英晶振起始于歐美，日本后來居上。石英晶振最早起源于 1880 年居 里兄弟研究水晶片時(shí)發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)，此后在歐美國家石英晶振初級產(chǎn) 品被逐步開發(fā)成型，上世紀(jì) 40 年代日本晶振廠商開始起步，實(shí)現(xiàn)了石英 晶振的量產(chǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，日本晶振廠商在行業(yè)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先，產(chǎn) 值最大；美國晶振廠商研究水平較高，但產(chǎn)值較小，以軍工產(chǎn)品為主； 中國臺灣與大陸晶振廠商起步較晚，與日系企業(yè)還存在一定差距。
全球石英晶振市場集中于日本、中國臺灣、美國、中國大陸。2020 年， 全球前 10 大晶振廠商合計(jì)占據(jù) 63.86%的市場份額，市場集中度較高， 日本廠商以近一半的市場份額處于主導(dǎo)地位。2020 年市場份額前 5 名的 晶振廠商中，日本廠商占據(jù)了 4 名，分別為 Epson、NDK、KCD、KDS， 且市場份額均在 5%以上，處于絕對領(lǐng)先。中國臺灣地區(qū)廠商近年來發(fā)展 迅速，2020 年 TXC 以 11.06%的市場份額排名第一，較 2019 年的市場 份額提升 1.82pct。根據(jù)測算，國內(nèi)兩大晶振廠商泰晶科技與惠倫晶體， 2020 年在全球晶振市場中的市場份額分別為 2.39%、1.59%。
高端晶振呈現(xiàn)高頻率、小型化、高精度、高可靠性的趨勢。隨著智能電 子、移動(dòng)終端等產(chǎn)品向便捷化發(fā)展，5G 時(shí)代對通信質(zhì)量要求越來越高， 車載環(huán)境越來越復(fù)雜，石英晶振行業(yè)逐步向高頻率、小型化、高精度、 高可靠性方向發(fā)展，一般而言，晶振尺寸越小，頻率也會(huì)越高。在晶振 行業(yè)中，若按頻率進(jìn)行分類，一般將 KHz 晶振作為低頻產(chǎn)品，0—50MHz 晶振作為高頻產(chǎn)品，50MHz 以上晶振作為高基頻產(chǎn)品，其中 50MHz 以 上的高基頻產(chǎn)品因其具有的高頻率特性，即是我們常說的高端晶振之一， 目前國內(nèi)廠商中的惠倫晶體、泰晶科技具有高基頻晶振的量產(chǎn)能力。
中國大陸廠商以中低端晶振市場為主，高端晶振市場國產(chǎn)替代需求強(qiáng)烈。 日本廠商憑借領(lǐng)先的技術(shù)實(shí)力，在頻率、尺寸、精度方面走在行業(yè)前列， 高端產(chǎn)品占據(jù)優(yōu)勢，同時(shí)受到原材料與人力成本上升的影響，逐步將毛 利率較低的中低端業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移至中國、東南亞等地區(qū)，轉(zhuǎn)而專注于附加值 更高的高端晶振產(chǎn)品。我國晶振行業(yè)起步較晚，技術(shù)實(shí)力與日本領(lǐng)先廠 商仍存在一定差距，雖然承接日本產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移后產(chǎn)值逐步加大，但以中低 端晶振產(chǎn)品為主，具有高頻率、小型化、高精度、高可靠性的高端晶振 仍然主要依靠進(jìn)口。面對國內(nèi) 5G、新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，中國廠商在 全球 5G、新能源領(lǐng)域的市場份額不斷提升，下游客戶對高端晶振需求量 快速增長，高端晶振的國產(chǎn)替代需求強(qiáng)勁。
接棒日本，高端產(chǎn)能替代擴(kuò)張
國產(chǎn)晶振廠商近年來資本開支水平保持相對高位，產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張。自 2011 年以來，為承接日本中低端晶振產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，逐步實(shí)現(xiàn)中低端晶振的 國產(chǎn)替代，國產(chǎn)晶振廠商資本開支持續(xù)保持高位。2011 年惠倫晶體、泰 晶科技、東晶電子三家廠商總資本開支占總營收比例高達(dá) 59.0%，遠(yuǎn)高 于日本與中國臺灣主要廠商同期資本開支比率。2020 年，面對日漸強(qiáng)烈 的高端晶振國產(chǎn)替代需求，國產(chǎn)晶振廠商抓住日本高端晶振產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的 機(jī)遇，再次加大資本開支，三家廠商的總資本開支占總營收比例，由 2019 年的 13.0%提升至 2020 年的 41.1%，資本開支水平大幅提高，產(chǎn)能擴(kuò)張 意愿強(qiáng)烈。
中國晶振廠商產(chǎn)能擴(kuò)張以高端晶振為主，全力迎接即將到來的國產(chǎn)替代 需求爆發(fā)。由于近兩年我國 5G、物聯(lián)網(wǎng)、WIFI6、智能穿戴等下游領(lǐng)域 發(fā)展迅速，對高端晶振產(chǎn)品需求旺盛，疊加疫情影響，國內(nèi)產(chǎn)能供給不 能滿足需求，高端晶振產(chǎn)品缺貨明顯，中國晶振廠商大力擴(kuò)張產(chǎn)能，積 極為國產(chǎn)替代趨勢下的需求爆發(fā)做好準(zhǔn)備。惠倫晶體、泰晶科技、晶賽 科技等國內(nèi)領(lǐng)先晶振廠商，均先后開始建設(shè)產(chǎn)能擴(kuò)張項(xiàng)目，其中泰晶科 技與惠倫晶體擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目均以高頻化、小型化的高端晶振產(chǎn)品為主，項(xiàng)目 達(dá)產(chǎn)后有望緩解國產(chǎn)替代趨勢下高端晶振市場的旺盛需求。
高基頻與車規(guī)晶振雙翼齊飛，助力國產(chǎn)晶振廠商再上新臺階。（1）高基 頻晶振帶來量價(jià)齊升：隨著全球 5G 建設(shè)進(jìn)程加速，推動(dòng)了高基頻晶振 的市場需求快速增長，在此機(jī)遇下，國產(chǎn)高基頻晶振突破壁壘，獲得高 通等方案商認(rèn)證，向全球眾多品牌手機(jī)廠商的供貨量將持續(xù)攀升；同時(shí) 高基頻晶振優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品均價(jià)，國產(chǎn)晶振廠商有望迎來量價(jià) 齊升。（2）車規(guī)晶振開啟第二增長曲線：車規(guī)晶振對可靠性要求高，較 普通晶振毛利率大幅提升，同時(shí)電動(dòng)汽車單車對晶振的需求量顯著增加， 隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，車規(guī)晶振將為國產(chǎn)晶振廠商帶來新的 利潤增長點(diǎn)。
