今日电子产品中的IC组件要能正确无误地进行工作，仰赖的正是由石英组件所提供的准确频率信号（即参考频率），而一旦频率信号出错，将导致整个系统大乱和当机的严重状况。从这个角度来看，提供频率讯号的石英组件就如同动物的心脏一样，主宰着系统运作的稳定性。因此，为电子系统选用高精确度、高可靠度的石英组件，正是电子产品能稳定工作的前提。

虽然不是每颗IC都得配上一颗石英组件，但只要是电子产品，都免不了需要用到一至多颗的石英组件，由此可以推想这是一个多么庞大的市场。事实上，石英组件是一个年产量超过百亿颗的市场，被广泛应用于信息、通讯、消费性及汽车、工业等领域。近来通讯产业蓬勃发展，尤其是移动电话市场，早已从人手一机转变为人手多机的情况，加上新产品不断整合更多的无线及应用功能，相对地需要采用更多的石英组件，自然也带动石英组件市场持续成长。

不过，电子产业的演进也为石英组件的开发带来挑战。目前电子产品市场朝着可移植性的消费性应用及宽带无线/行动网络发展。当这些产品要求更轻薄、长时间使用和高效能的同时，石英组件同样也必须朝小型化、低耗电、高精确度、高可靠性的方向不断前进，其中最显而易见的趋势是小型化的要求。以音叉型（Tuning Fork）晶体单元为例，在过去二十年中，其体积从约150mm3缩小到只有1.5mm3，体积缩小幅度达到1/100，而且此微型化之趋势仍在不断地进行当中。

当石英晶体愈做愈小，机械式的传统研磨切割制程已面临技术瓶颈，而采用半导体光显影制程（Photolithography process）的QMEMS技术也就应运而生。QMEMS采用先进的精密加工技术，除了让石英晶体能做得更微小、生产良率更高外，同时也能制作出特殊的结构，并提高振荡的频率，让石英组件得以拓展其应用领域到更广泛的高频、感测及光学等领域。

石英晶体特性

石英又称水晶（Quartz），它的应用发展其实由来已久。早在1880年法国的居礼兄弟就发现石英晶体具有压电效应，并逐渐被应用到生活中，其中最为人熟悉的就是钟表。今日的石英组件大厂，有很多都是历史悠久的石英钟表大厂，例如Epson Toyocom的母公司Seiko集团，早在1969年即发表了全球第一支石英表，而Seiko的钟表品牌迄今仍是家喻户晓。他们把制作钟表的精密技术延伸到今日电子产品频率控制所需的高精确性，将其深厚的技术确实传承下来。石英技术的发展史如下。

• ◎1880年：皮埃尔.居里（Pierre Curie）发现石英压电现象





• ◎1905-1909年：意大利人乔治.史佩兹（George Spezi）成功以高压釜培育人工水晶





• ◎1922年：美国学者凯帝（Cady）发明石英晶体振荡器





• ◎1969年：世界首款石英手表：革命性的Seiko Quartz Astron35SQ正式发售





• ◎1980年代：录放机及个人计算机兴起，使的石英组件也大放异彩





• ◎1990年代：个人计算机、移动电话以及车用导航系统需求大幅成长

在石英组件的制造上，早期是以天然水晶为基础作加工处理，但天然水晶除了十分稀少外，本身还存在混入杂质、裂缝、形状大小不均匀，以及双晶现象等问题，使得组件质量难以确实掌控，一直要到人工水晶出现后，石英组件才称得上开始普及。日本自1960年代开始发展出高性能的人工水晶－采用天然水晶的碎片做为原料，在被称为「高压釜」的大型超高压力容器中长出晶棒，进而能得到大量且质量稳定的石英晶体。

石英其实是由硅原子和氧原子所组合而成的二氧化硅（Silicon Dioxide；SiO2，）结晶型态，具有高硬度和高熔点的特性。更重要的是石英晶体的压电效应，可以透过晶体变形和振动来控制发生频率的快慢。所谓的压电效应是指当晶体两侧外加电压，会使得晶体本身产生变形；反之，当晶体受到机械应力的作用，其两侧亦会产生电位差。利用这种压电效应，就可产生循环的晶体振荡，并对外提供精准的参考频率。

另外，温度变化有时也会影响石英晶体的振荡特性，因而产生频率讯号的误差。相较于硅、陶瓷等材料，石英的频率对温度（frequency vs. temperature）参数特性相当良好－在适当的设计控制下，石英晶体组件可以实现百万分之一（ppm）单位等级的频率误差范围。当然，透过电感、电容、电阻所组成的LCR无稳态震荡回路也可以提供震荡频率，但此做法除了精确度不佳之外，在频率对温度的特性上也远远不及石英晶体。

在石英晶体的切割处理方面，对同一颗人工水晶采用不同的切割角度，所取得的晶体切片也会具有不同的振荡及温度特性。目前主要有AT、BT、CT、DT、NT、GT等不同切割角度，而厂商会针对不同的用途或频率，从中选择需要的切割方位角。其中，以AT角度（对石英晶棒Z轴向旋转约35度）切割的石英芯片称作AT型晶体，可透过引起厚度变形振荡，产生数MHz到数佰MHz频带的频率，是目前应用范围最广的一种切割方式。

《图一 AT型晶体即是对石英晶棒Z轴向旋转约35度》

另外，若石英晶体做成音叉（U字）形，当施与电压时，音叉型的振荡片另外，若石英晶体做成音叉（U字）形，当施与电压时，音叉型的振荡片会左右振荡，产生KHz频带的频率。这类石英晶体称为「音叉型晶体」，最常用于为钟表或真时时钟（Real Time Clock；RTC）提供32.768 kHz的频率。图二为音叉型晶体的局部放大图，可以看到照片右方的音叉部分因振动（每秒32768次）而显得模糊。

《图二 音叉型晶体（Epson FC-145）的局部放大图，照片右的音叉部分因振动（每秒32768次）而显得模糊》

除了定时的功能，石英晶体的压电特性更能广泛的应用在感测领域，例如感测角速度变化的陀螺仪，或利用压力传感器来衡量气体及液体的压力变化。此外，石英晶体也具有特殊的光学特性，例如能让极宽波长区的光通过、将光分为两束（分离/双折射性）、或改变光的性质（相位/旋旋光性）等，使石英晶体成为重要的光学组件。目前市面上之光学低通滤波器（OLPF）、偏光板、棱镜、光栅等等，都是石英产品之应用。

手表、时钟及其他的定时器所使用的频率都是32.768KHz。32768是2的15次方，若将32768除以2，重复十五次即得1。在时计的IC中，只要将32.768KHz（代表石英晶体每秒振荡32768次）的输入端加入15个除以2的回路，即可得一秒钟。早期的石英表使用8192Hz（8KHz）的石英振荡器，后来为了追求精准，计时的频率由8192Hz（8KHz）一直提高到65536Hz（64KHz）。业界最后发现，32KHz即可满足一般对时间精准度的要求，所以32.768KHz便成了广泛被使用之计时频率。

石英晶体制程技术的演进

石英振荡频率的稳定性，主要由切割角度、晶体厚度及晶体Q值等参数来决定。在传统制程上是靠切割、研磨等方式的来制作，因此需要相当精密的机械加工技术才能控制石英晶体组件的生产质量。除此之外，每一颗石英芯片均需独立进行调校。以音叉型晶体为例，在出厂前需要用雷射切削工序，再对每一颗晶体振荡片前端的电极部分进行精微的频率调整（请参考图二右方的芯片音叉前端，有雷射蚀刻的痕迹），而这也是质量管理的关键。

除了透过切割的角度外，也能藉由控制石英晶体的厚度来改变振动的频率，当石英晶体切片的厚度愈薄，晶体单元就能振荡出越高的频率。不过，以传统的技术来进行薄片切割却存在着局限性。然而，高频的通讯应用愈来愈重要，随之要求提供频率控制的石英组件必须有所突破。除了薄型化的限制外，石英组件也被要求做到更小，但传统制程下的小型化石英晶体却面临晶体阻抗（Crystal Impedance；CI）增大所造成的振荡稳定性下降，以及频率敏感性提高导致振荡频率偏移等问题。

为了要让石英晶体更小，同时还保有高精确度、高稳定性、高频和低功耗等特性，因此将微机电（MEMS）技术应用到石英（Quartz）生产制程中的QMEMS制程也因此诞生。QMEMS的核心在于采用半导体制程的光蚀刻（Photolithography）技术，相较于以硅为原料的MEMS，QMEMS以石英为原料来进行微型显影蚀刻的精密加工，可以使石英晶体的芯片形状保持均一，进而避免石英晶体组件的CI值、频率精确度等特性不均。

《图三 机械加工与QMEMS光蚀刻制程比较((图请用PDF档))》

不仅如此，新的QMEMS制程还能做到许多传统制程做不到的事，例如在小型化音叉型晶体时，采用微机电技术能够实现更复杂的晶体成形结构，使音叉的振动臂上形成三维槽体，透过增加电极面积来降低CI值。Epson Toyocom也利用QMEMS做出精细的双T结构陀螺仪传感器，进而能运用石英晶体振荡的高精确性来实现高性能的角速度变化感测功能。

此外，透过将晶体芯片的激振部分进行薄型化加工处理，可以在保持芯片强度的同时，实现高频中的基本波振荡（High Frequency Fundamental；HFF）。相较于以奇次谐波实现高频振荡的方式，激发基本波高频振荡的HFF具有高稳定性的特色，适合要求频率稳定性和高频化的光传输装置、手机或WiMax的基地台骨干网络。

石英组件应用领域

石英组件具有产生频率、控制频率和过滤噪声之功能，其应用范围涵盖通讯、信息、消费性、工业、军事、医疗等各个领域，其中以通讯领域的应用最广，成长也最为快速，其产品包括手机、网络设备、基地台等，而以手机应用为最大宗。由日本石英工业协会的统计中可以发现，近几年石英组件需求数量的成长幅度大于手机出货量成长数，原因即在于当手机增加越多功能，每支手机所需求的石英组件往往较阳春型机种多出数颗以上。

如图所示，目前一支多功能手机中往往配置多颗石英组件。在行动通讯方面，射频（RF）、基频（Baseband）和应用处理器各需要一颗石英组件，分别是提供MHz范围的电压控制-温度补偿晶体振荡器（VC-TCXO）、RTC模块上之KHz等级石英晶体震荡器、GPS端之温度补偿晶体振荡器（TCXO），及用于负责处理其他功能的处理器之石英晶体（Crystal）。至于照相模块、多媒体播放功能、蓝牙、Wi-Fi、RFID、USB、行动电视等功能，也需要配置至少一颗石英晶体。此外，目前风行的照相模块本身还需要配置低通光学滤波器，因此石英组件使用量相当大。当然，手机业者也能透过多重频率产生器等方式来减少单一手机中石英组件的用量。

《图四 手机中的石英组件应用图标》

在信息与消费性领域，石英组件的数量和产值都在稳定成长中，原因是包括小笔电、游戏机、数字电视、数字相机等市场规模仍在扩大中，对石英组件的需求也随之增加，未来相当具有成长潜力。另一个值得注意的市场是汽车电子，举凡车用遥控系统、电子收费系统、胎压侦测、安全气囊、温度控制、还有各种安全侦测设备等，皆须使用数量不等的石英组件。在汽车控制电子化的潮流下，市场成长幅度极为快速，是仅次于通讯市场的石英组件需求来源。

结语

在汽车控制电子化的潮流下，市场成长幅度极为快速，是仅次于通讯市场的石英组件需求来源。

自第一支石英表面世以来，石英组件在人们的生活中扮演重要角色已逾半个世纪，其功用除了参考频率与定时功能外，也能提供感测与光学上的关键性功能。这也使得其应用范围愈来愈广，包括通讯、信息、消费性及汽车电子等市场皆在稳定成长中。在此同时，微型化与高频应用的需求，也迫使石英晶体的制造从传统的切割研磨制程转向微机电制程。

（本系列文章将继续介绍石英组件关键技术与新兴应用领域，下期将探讨电子产品中不可或缺的时序组件，敬请期待。）