电子产品小型化缩减石英晶体材料用量

随着电子产品不断向小型化方向发展，为之配套的元器件也随之向小型化方向发展。石英晶体元件小型化趋势包含两方面内容：一方面指石英晶体元件由带引线的产品(如49U、49S)向不含引线的表面贴装元件(SMD)方向发展；另一方面指的是SMD产品向小尺寸方向发展(8045→7050→6035→4025→3225→2520→2016)，这两方面的发展对石英晶体材料行业带来了巨大的挑战。如何评价和应对石英晶体元件小型化趋势对石英晶体材料行业的影响应该是业内人士共同研讨的问题。
石英晶体元件
呈小型化发展趋势
1.石英晶体元件小型化是电子产品更新换代的要求。
随着技术的进步与科学的发展，电子产品不断地更新换代：数码相机、摄像机不断取代传统的光学相机、摄像机，DVD取代VCD，平板电视逐渐取代显像管电视，笔记本电脑越来越多地取代台式电脑，集GPS、蓝牙、相机、MP3于一身的多功能3G手机将取代2G手机，汽车电子产品不断改善汽车的性能。所有这些电子产品的换代几乎都需要体积更小、性能更好的石英晶体元件为之配套。
2.石英晶体元件小型化比例不断提高。
日本石英晶体元件SMD比率由1995年的18.8%%增加到2004年的60.7%%，我国内地企业石英晶体SMD比率由2000年的0.1%%增加到2005年的近10%%，我国台湾企业几乎全部生产SMD产品。
SMD石英晶体元件小型化趋势在加快：在日本，2000年的SMD产品还是以8045、7050、6035为主，2005年已经以5032、3225为主了，2520产品已经量产，2016产品已经进入市场。在日本，小型化趋势是全面的，产业用、民用、汽车用谐振器、振荡器及音叉晶体和SAW均迅速SMD化。
小型化对石英晶体材料
要求少而精
石英晶体元件小型化对石英晶体材料的影响可以从数量、质量、品种、加工用几个方面来分析。
石英晶体元件小型化对石英晶体材料(水晶)的需求量的影响。
我们可以比较一下不同型号石英晶体元件所用频率片的面积，用每千克石英晶体棒(板)可加工频率片的数量来测算小型化对石英晶体材料数量的影响(假设毛坯切割均为多刀切割机)，结果见下表。
可见小型化导致石英晶体材料的用量急剧减少。 线切割机的使用对材料利用率的影响。
线切割机切片具有晶片的平行度好，晶片两面角度差小及晶片的表面粗糙度好，不用粗磨等优点，因此在SMD频率片生产中广泛采用。除此之外，它还有出材料率高和角度一致性好的优点。如果用线切割机切0.16mm厚的晶体(相当于9B磨到0.16mm)，每支棒可切380片，相当于多刀切割机的1.8倍，其±1片率可达97%%以上。从出片率和±1片比率两方面比较，线切割机用于SMD晶片的加工又可将石英晶体材料节省一半。
高频化对石英晶体材料的影响。
由于SMD晶体尺寸越小，电极面积随之减少，晶体电阻增大。为避免电阻增大，晶体元件向高基频方向设计，5032产品很少能到8M以下，3225产品很少能到12M以下。相反，基频40M以上产品增加，高基频要求石英晶体材料的腐蚀隧道密度及包裹体密度要小。
光刻工艺的采用对石英晶体材料的影响。
当石英晶体元件向2520以下(2016，1612)发展的时候，传统的机械加工方式将很难实现，声表面波(SAW)元件和音叉晶体用的光刻工艺将加以采用。光刻工艺同样会提高材料利用率并且对石英材料的腐蚀隧道密度、包裹体及Q值提出更高的要求。
石英晶体材料对小型化电子元件成本的影响。
尽管用于小型化元件的石英材料由于质量要求的不同，单价上升了，但占小型化元件的成本比例却下降了，而且选用优质石英材料，对于提高元件的合格率和可靠性是合适的。
石英晶体材料的市场需求总量分析。
为了能估计出目前全球对压电石英晶体和光学石英晶体材料总需求，我们特别做出以下推测。
1.全球2006年石英元件总产量为129亿只(以2003年全球产量为105亿只，年增长率为7%%推算)。
其中音叉晶体占30%%，约39亿只(以日本音叉晶体占其总量40%%推算)。
在余下的90亿只晶体元件中，SMD元件占60%%(以日本SMD元件占其总量70%%左右推算)，约54亿只。在各种尺寸的SMD元件中，我们以中间5032产品为其代表。
2.在余下的36亿只石英元器件中，49S产品占3/4，约27亿只，49U产品占1/4，约9亿只。
3.全球光学低通滤波器的产量日本占90%%以上，2004年日本生产了1.11亿只，估计全球约1.23亿只。假设近两年的增幅均为10%%，预计2006年全球产量为1.49亿只。
我们以三片式光学低通滤波器(2片石英片/件)为其代表，约用2.98亿片光学石英晶片，平均每千克光学原晶可制造600片光学晶片，全球共需光学石英晶体原晶500吨。
4.全球石英原晶总量(不含种籽用原晶)估计2006年全球共需压电石英晶体原晶1735吨、光学原晶500吨，合计2235吨。考虑到各晶片生产厂频率片合格率水平不一致因素，估计压电原晶的需求量会在2000吨水平上。
压电石英晶体行业对石英晶体原晶的需求量(只有2500吨/年)，比2000年(约5000吨/年)减少近1/2。该数字比人们想象的要小很多，其原因有两点：第一，没有将产能与产量区别开来，产能是指高压釜长晶的能力，它取决于高压釜的容积、使用温度和使用压力，它是不变的；而产量是由产品的规格和性能决定的，同样一台Φ400高压釜，生长Y棒一年可产3.5吨，生长Z向尺寸45mm，α3585≤0.050的Z板产品，一年可长1.8吨，如果生长Z=30mm的光学原晶只能长900千克。全球近五年来，原晶生产能力没有大的变化，但产品结构发生了巨大变化，产量也发生了巨大变化。第二，2000年以来，元件迅速小型化，光学低通滤波器的产业化、晶片加工技术的迅速发展对原晶数量的需求不断减少。
石英晶体材料企业
应降低成本提高质量
从生产能力来看，全球拥有高压釜的容积约2300m3，其中俄罗斯、中国、日本三国约有1970m3，约占全球石英晶体原晶产能的85%%左右。从实际产品产量来看，俄罗斯产量约为900吨/年，日本产量约为550吨/年，中国产量约为1200吨/年，仅中、俄、日三国的原晶便能满足全球对石英晶体材料的需求(还略有富余)。因此，全球石英晶体供大于求的局面仍将继续。
日本的原晶产能可以满足其元件生产的需求，它可以按照其产品的需求确定自己的品种和产量。由于数码相机市场已趋饱和，对光学原晶的需求将不再增加；尽管日本原晶生产成本很高，由于小型化元件，石英原晶占其成本比例很小，一般情况下，为谋求产品质量的稳定，日本不会放弃自己生产原晶，但是，如果看中了质量可靠、管理有方的中国原晶生产企业作为其合作伙伴，逐步减少其原晶生产是可能的。
俄罗斯原晶生产能力虽大，但国内对石英原晶的需求很小，约2/3以上的产品需要外销(每年约有500吨左右的原晶销往中国)，加之其生产量过于集中(仅三家企业)，因此，俄罗斯原晶生产是脆弱的，一旦国内电力、人工费和其他因素导致成本上升或企业资金周转发生困难，其生产将难以为继。此外，如果其他国家减少俄罗斯原晶的进口，俄罗斯原晶生产企业也将面临困境。
中国的石英晶体元件产量(含外资企业)约占全球的40%%左右，由于大尺寸元件集中在中国生产，因此需用的石英原晶量约占全球的60%%左右。中国的石英晶体材料行业由于有日益兴旺的石英晶体元件行业的巨大市场支撑，得到了持续的发展和进步，这一点是俄罗斯原晶生产企业所无法比拟的。但是，面对石英晶体元件小型化趋势和原晶生产能力过剩压力，我们应该做些什么呢？
首先，要进行总量控制。我们应该根据市场的需求来控制我们的产量。在供给和需求的天平上，稍一失衡就会发生价格的偏离。当价格低于成本时，受到损害的是大家，谁也不能幸免。随着石英晶体元件小型化趋势的加快，石英晶体原晶生产企业逐年减产才是明智的。
其次，应提高质量。由于石英晶片的质量决定了石英元件的性能，而石英晶片在小型化元件成本中占的比例很小(1%%左右)，元件企业不会也不应该去冒牺牲产品合格率的风险去选择价低质差的石英材料。生产石英晶体元件的品种不同，所用材料的品种也不同。元件越小、精度越高对石英晶体原晶的要求也越高。
最后，应降低成本。在原晶生产中，电费占成本比重最大，因此，高压釜向电价便宜的地区转移是降低成本的最好措施。除此之外，规模化经营可有效地降低人工费用。
总之，压电石英晶体材料行业又面临一次新的整合，正在向规模化、高品质方向发展，与此同时生产基地也正向电价便宜的地区转移，专业化的生产基地正在形成。