詳解微機電系統，總有你不知道的點(diǎn)

　　MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈類(lèi)似于傳統半導體產(chǎn)業(yè)，主要包括了四大部分：前端 fabless 設計環(huán)節、 ODM 代工晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)環(huán)節、 封裝測試到下游最終應用的四大環(huán)節。

　　MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈劃分

　　全球前十名 MEMS 廠(chǎng)商主要包括博世、意法半導體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSense、 Avago 和 Qorvo、 樓氏電子、松下等等。 其中 BOSCH 因為其在汽車(chē)電子和消費電子的雙重布局，牢牢占據著(zhù)行業(yè)的第一的位置，其營(yíng)收約占前五大公司合計營(yíng)收的三分之一。

　　大部分 MEMS 行業(yè)的主要廠(chǎng)商是以 Fabless 為主， 例如樓氏、 HP、佳能等。同時(shí)，平行的也有 IDM 廠(chǎng)商垂直參與到整條產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節，比如 Bosch、 ST等都建有自己的晶元代工生產(chǎn)線(xiàn)。

　　全球主要 MEMS 廠(chǎng)商的生產(chǎn)模式定位

　　基于之前闡述的 MEMS 本身區別于傳統 IC 產(chǎn)業(yè)特征， 我們認為行業(yè)的核心門(mén)檻在于兩點(diǎn)：設計理念和封測工藝。

　　前者不僅僅包括對傳統 IC 設計的理解，更需要包括多學(xué)科的綜和，例如微觀(guān)材料學(xué)、力學(xué)、 化學(xué)等等。 原因是因為內部涉及機械結構，空腔，和不同的應用場(chǎng)景，如導航，光學(xué)，物理傳感等?？梢哉归_(kāi)細說(shuō)。

　　后者， 因為單個(gè) MEMS 被設計出來(lái)的使用用途、使用環(huán)境、 實(shí)現目的不同，對封裝有著(zhù)各種完全不同的要求。 比如對硅麥有防水和不防水區分，光學(xué)血氧濃度傳感器需要穿孔和空腔安裝透鏡，氣壓傳感器需要向外界敞開(kāi)不能密封等等。 在整個(gè) MEMS 生產(chǎn)中，封測的成本占比達到 35%-60%以上。

　　MEMS 成本結構拆分

　　一、設計環(huán)節

　　作為 MEMS 的核心門(mén)檻之一， 半導體設計環(huán)節因為其 fabless 的輕資產(chǎn)特性，及其核心門(mén)檻， 國內公司投資較為積極。 國內有眾多比較知名的 Fabless， 例如海思半導體、 展訊、 RDA、全志科技、 國民技術(shù)、瀾起科技等等。

　　但國內 MEMS 行業(yè)的 fabless 規模相對較小， 但市場(chǎng)規模來(lái)說(shuō)具備很大的發(fā)展空間。 面對國內巨大的消費電子市場(chǎng)， 自產(chǎn)自銷(xiāo)滿(mǎn)足國內部分中低端市場(chǎng)需求，也是國內 Fabless 公司的一個(gè)捷徑。例如蘇州敏芯， 他的微硅麥克風(fēng)傳感器產(chǎn)品已經(jīng)滲透至以消費類(lèi)電子產(chǎn)品為主的各個(gè)細分應用中，成功應用在 MOTOROLA， SONY， ASUS，聯(lián)想，魅族，小米等品牌客戶(hù)的產(chǎn)品上。

　　中國 MEMS 設計企業(yè)主要集中于華東地區，約占全國企業(yè)總數的 55%，其中，以上海、蘇州、無(wú)錫三地為產(chǎn)業(yè)集中地：

　　? 上海：深迪，矽睿，麗恒，芯敏，微聯(lián)，銘動(dòng)，文襄，天英，巨哥

　　? 蘇州：明皜，敏芯，雙橋，多維，能斯達，汶灝，圣賽諾爾，希美

　　? 無(wú)錫：美新，樂(lè )爾，康森斯克，微奧，杰德，必創(chuàng )，微納，芯奧微，沃浦

　　? 其他： 深圳瑞聲，山東歌爾，河北美泰，山西科泰，鄭州煒盛，北京水木智芯，浙江大立，武漢高德，成都國騰，西安勵德，天津微納芯等。

　　國內 MEMS 企業(yè)布局

　　二、制造環(huán)節：代工、 封測

　　統計的前十大中，設計全為中資而制造和封裝絕大多數為外資。但外資的成長(cháng)性弱于中資，所以中資制造業(yè)和測試封裝業(yè)的實(shí)際增長(cháng)應高于統計的平均數據。尤其是測試封裝，增速均高于行業(yè)： 5 年復合增速長(cháng)電科技 16.5%、華天科技26.94%、通富微電 8.25%、晶方科技 34.2%。

　　IC 產(chǎn)業(yè)通過(guò)單一工藝即可支持整個(gè)產(chǎn)品世代，其產(chǎn)品制造工藝標準化程度高，批量化生產(chǎn)相對簡(jiǎn)易。而 MEMS 產(chǎn)品種類(lèi)豐富、功能各異，工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中呈現出“一類(lèi)產(chǎn)品，一種制造工藝”的特點(diǎn)。 MEMS 芯片或器件的種類(lèi)多達上萬(wàn)、個(gè)性特征明顯，除了采用相同的硅材料外，不同的 MEMS 產(chǎn)品之間沒(méi)有完全標準的工藝，產(chǎn)品參量較多，每類(lèi)產(chǎn)品品種實(shí)現量產(chǎn)都需要從前端研發(fā)重新投入，工藝開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，且量產(chǎn)率較傳統半導體生產(chǎn)行業(yè)相比更低，依靠單一種類(lèi)的MEMS 產(chǎn)品很難支撐一個(gè)公司。

　　雖然不同種類(lèi)的 MEMS 從用途來(lái)說(shuō)截然不同，封裝形式也是天壤之別。但是從封裝結構上來(lái)說(shuō)， 大致可以分為以下 3 類(lèi)： 封閉式封裝(Closed Package)、開(kāi)放空腔式封裝(Open Cavity Package)、眼式封裝(Open Eyed Package)。

　　MEMS封裝形式

　　中國 MEMS 產(chǎn)業(yè)在 2009 年后才逐漸起步，目前尚未形成規模，產(chǎn)業(yè)整體處于從實(shí)驗室研發(fā)向商用量產(chǎn)轉型階段。國內 MEMS 廠(chǎng)家在營(yíng)業(yè)規模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結構、產(chǎn)業(yè)環(huán)境上與國外有明顯差距， 60%-70%的設計產(chǎn)品依舊集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領(lǐng)域，對新產(chǎn)品(例如生物傳感器、化學(xué)傳感器、陀螺儀)的涉足不多。工藝水平與經(jīng)驗缺失制約代工廠(chǎng)發(fā)展，制造環(huán)節亟需填補空白。

　　微機電系統的生產(chǎn)制造涵蓋設計、制造和封測。由于系統器件具有高度定制化、制程控制與材質(zhì)特殊的特點(diǎn)，封裝與測試環(huán)節至少占到整個(gè)成本的 60%。因此，為了能夠在日益嚴峻的產(chǎn)品價(jià)格下跌趨勢下有效降低成本，多數無(wú)晶圓或輕晶圓MEMS 供應商將封裝與測試環(huán)節外包給專(zhuān)業(yè)封測廠(chǎng)商，這也將為 MEMS 器件封裝及測試廠(chǎng)商帶來(lái)機遇。

　　隨著(zhù)國家政策扶持，近兩年中國 MEMS 產(chǎn)線(xiàn)投資興起， 2014 年國內 MEMS 代工廠(chǎng)建設投資超過(guò) 1.5 億美元，但是技術(shù)的匱乏和人才的缺失依然是產(chǎn)業(yè)短板。MEMS 技術(shù)與 IC 技術(shù)有本質(zhì)差異，技術(shù)核心領(lǐng)域在于工藝和制造， MEMS 制造結構復雜、高度定制化、依賴(lài)于專(zhuān)用設備，且具有很強的規模效應。目前，本土MEMS產(chǎn)業(yè)明顯落后國際水平，國內市場(chǎng)嚴重依賴(lài)進(jìn)口，市場(chǎng)份額基本被Bosch、ST、 ADI、 Honeywell、 Infineon、 AKM 等國際大公司寡頭壟斷，中高端 MEMS傳感器進(jìn)口比例達 80%，傳感器芯片進(jìn)口比例高達 90%。

　　MEMS 制造目前主要分為三類(lèi)，純 MEMS 代工、 IDM 企業(yè)代工和傳統集成電路 MEMS 代工。與其將 MEMS 看做一種產(chǎn)品倒不如把它看成一種工藝， MEMS器件依賴(lài)各種工藝和許多變量。只有經(jīng)過(guò)多年的工藝改進(jìn)及測試， MEMS 器件才能真正被商品化。研發(fā)團隊一般需要大量時(shí)間來(lái)搜索有關(guān)工藝及材料物理特性方面的資料。利用單一一種材料(如多晶硅)制得的器件可能需要根據多晶硅的來(lái)源及沉積方法來(lái)標記工藝中的變化。因此每一種工藝都需要長(cháng)期、大量的數據來(lái)穩定一個(gè)工藝。

　　國內 MEMS 代工廠(chǎng)華潤上華、中芯國際、上海先進(jìn)等，硬件條件雖與國際水平相近，但開(kāi)發(fā)能力遠不及海外代工廠(chǎng);中國 MEMS 代工企業(yè)還未積累起足夠的工藝技術(shù)儲備和大規模市場(chǎng)驗證反饋的經(jīng)驗，加工工藝的一致性、可重復性都不能滿(mǎn)足設計需要，產(chǎn)品的良率和可靠性也無(wú)法達到規模生產(chǎn)要求。因此商業(yè)化階段的本土設計公司更愿意同 TSMC、 X-Fab、 Silex 等海外成熟代工廠(chǎng)合作。

　　代工環(huán)節薄弱導致好的設計無(wú)法迅速產(chǎn)品化并推向市場(chǎng)，極大地制約了中國MEMS 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)中游迫切需要有工藝經(jīng)驗和高端技術(shù)的廠(chǎng)商填補洼地。雖然大部分 MEMS 業(yè)務(wù)仍然掌握在 IDM 企業(yè)中，隨著(zhù)制造工藝逐漸標準化，MEMS 產(chǎn)業(yè)未來(lái)會(huì )沿著(zhù)傳統集成電路行業(yè)發(fā)展趨勢，將逐步走向設計與制造分離的模式。純 MEMS 代工廠(chǎng)與 MEMS 設計公司合作開(kāi)發(fā)的商業(yè)模式將成為未來(lái)業(yè)務(wù)模式的主流。

　　MEMS 代工企業(yè)類(lèi)型比較

　　MEMS 技術(shù)自八十年代末開(kāi)始受到世界各國的廣泛重視，對比傳統集成電路，該系統擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，體積小、重量輕，最大不超過(guò)一個(gè)厘米，甚至僅僅為幾個(gè)微米，其厚度更加微小。 MEMS 的原材料以硅為主，價(jià)格低廉，產(chǎn)量充足批量，良率高。同時(shí)使用壽命長(cháng)，耗能低，但由于 MEMS 的工藝難度高，其良率仍然與傳統 IC 制造相比有一定的差距。

　　就工藝方面，目前全球主要的技術(shù)途徑有三種，一是以美國為代表的以集成電路加工技術(shù)為基礎的硅基微加工技術(shù);二是以德國為代表發(fā)展起來(lái)的利用 X 射線(xiàn)深度光刻、微電鑄、微鑄塑的 LIGA 技術(shù);三是以日本為代表發(fā)展的精密加工技術(shù)，如微細電火花 EDM、超聲波加工。

　　盡管 MEMS 和 IC 在封裝和外觀(guān)上具有相似性，但實(shí)質(zhì)上 MEMS 在芯片設計和制造工藝方面與 IC 不同。 IC 一般是平面器件，通過(guò)數百道工藝步驟，在若干個(gè)特定平面層上使用圖案化模板制造而來(lái)，表現出特定的電學(xué)或電磁學(xué)功能來(lái)實(shí)現模擬、數字、計算或儲存等特定任務(wù)。理想狀態(tài)下， IC 基本元件(晶體管)是一種純粹的電學(xué)器件，幾乎所有的 IC 應用和功能方面具有共通性。相對地，MEMS 是一種 3D 微機械結構?；诠韫に嚰夹g(shù)， MEMS 相比于傳統的“大型器件”，微米級別的 MEMS 器件能夠更廣泛、靈活地應用在汽車(chē)電子、消費電子等領(lǐng)域。

　　國內 MEMS 主要的傳感器設計公司有美新半導體、明皜傳感、矽?？萍?、深迪半導體、敏芯微電子等。 同時(shí)國內 MEMS 企業(yè)規模還相對較小，單個(gè)企業(yè)較少有年銷(xiāo)售額超過(guò) 1 億美金; 高端傳感器還主要是以進(jìn)口產(chǎn)品為主，整個(gè) MEMS 傳感器主要以國外品牌為主。根據《中國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)(2014)》顯示中國中高端傳感器的進(jìn)口比例達 80%，傳感器芯片的進(jìn)口比例更高達 90%，顯示本土中高端傳感器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的落后。從產(chǎn)品使用領(lǐng)域結構來(lái)看， 國內 MEMS 公司在營(yíng)業(yè)規模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結構、與國外有明顯差距， 60%-70%的設計產(chǎn)品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領(lǐng)域。工藝開(kāi)發(fā)是我國 MEMS 行業(yè)目前面臨最主要的問(wèn)題， 產(chǎn)品在本身技術(shù)實(shí)力和生產(chǎn)工藝還有待于進(jìn)步。

　　中國傳感器產(chǎn)品結構

　　雖然國內主要集中在初級階段，中低端應用。 但從近幾年的發(fā)展來(lái)看， 中國地區已經(jīng)成為過(guò)去五年全球 MEMS 市場(chǎng)發(fā)展最快的地區。 2015 年，我國 MEMS 市場(chǎng)規模接近 300 億元，且連續兩年增幅高達 15%以上;而且從中長(cháng)期來(lái)看，國內 MEMS 行業(yè)的發(fā)展增速會(huì )快于國外， 到 2020 年，我國傳感器市場(chǎng)增幅將進(jìn)一步提升，年平均增長(cháng)率將達到 20%以上，繼續保持全球前列。

　　MEMS 行業(yè)發(fā)展趨勢

　　1) MEMS 封裝將會(huì )向標準化演進(jìn)， 模塊平臺標準化意味著(zhù)更快的反應速度。

　　根據 Amkor 公司的觀(guān)點(diǎn)， MEMS 的整合正在向標準化、 平臺化演進(jìn)。 從之前眾多分散復雜的封裝形式(Discrete Packaging)逐漸演化到以密封模壓封裝(Overmolded)、集成電路便面裸露封裝(Exposed Die Surface)、空腔封裝(Cavity Package) 這三種載體為主的封裝形式。

　　MEMS 封裝向標準化演進(jìn)

　　2) SIP(System In Package) 系統級的高度集成化會(huì )是 MEMS 未來(lái)在互聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)合的主要承載形式。

　　隨著(zhù)下游最重要的應用場(chǎng)景物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展， MEMS 在 IOT 平臺的產(chǎn)品未來(lái)會(huì )逐漸演化到 SIP 封裝就顯得尤為重要。往往單個(gè) MEMS 模塊會(huì )集成包括 MCU(Microcontroller Unit)、 RF 模塊(Radio Frequenc，例如藍牙， NB IOT 發(fā)射模塊) 和 MEMS 傳感器等多個(gè)功能部分。 系統級的封裝帶來(lái)的同樣是快速響應速度和及時(shí)的產(chǎn)品更新?lián)Q代，這對于消費電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)極端重要。目前很多代工廠(chǎng)或者封裝廠(chǎng)例如 Amkor 都在推廣標準化的 IOT MEMS 平臺產(chǎn)品。

　　MEMS 在 IOT 應用領(lǐng)域的 SIP 封裝

　　而采用的封裝形式主要會(huì )以空腔封裝(Cavity Package)和混合空腔封裝(Hybird Cavity Package)。

　　MEMS 在 IOT 應用領(lǐng)域的 SIP 封裝

　　3)未來(lái) MEMS 產(chǎn)品可能會(huì )逐漸演變?yōu)榈投?、中端和高端三?lèi)。

　　低端 MEMS 主要應用于消費電子類(lèi)產(chǎn)品如智能手機、平板電腦等。 中端 MEMS 主要應用于GPS 輔 助導 航 系 統 、工 業(yè) 自 動(dòng) 化 、 工 程 機械 等 工 業(yè) 領(lǐng) 域 。 根據 Yole Developpment 報告，作為智能感知時(shí)代的重要硬件基礎， 2014 年中低端MEMS 傳感器市場(chǎng)規模達到 130 億美元，預計到 2018 年，中低端 MEMS 市場(chǎng)產(chǎn)值將以 12%～13%的復合增長(cháng)率增長(cháng)至 225 億美元。

　　在今后 5 到 10 年內隨著(zhù) MEMS 技術(shù)的成熟，以智能手機以及平板電腦為主要應用對象的低端MEMS 市場(chǎng)利潤將逐漸下降，但未來(lái)在可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域還有一定機遇;以工業(yè)、醫療及汽車(chē)為應用對象的中端 MEMS 還將持續提供增長(cháng)和盈利;未來(lái)以工業(yè) 4.0 和國防軍工市場(chǎng)也應用對象的高端 MEMS 將為帶來(lái)顯著(zhù)的超額收益。據市場(chǎng)研究機構預測，高端 MEMS 市場(chǎng)在 2016 年~2021 年的其年復合增長(cháng)達到 13.4%，而同期全球 MEMS 市場(chǎng)的復合年增長(cháng)率僅為 8.9%，其中軍事、航天、高端醫療電子和工業(yè) 4.0 應用四個(gè)領(lǐng)域將會(huì )占未來(lái)高端 MEMS 市場(chǎng)營(yíng)收的 80%。