傳統半導體廠(chǎng)商對MEMS的思考

 MEMS將是半導體產(chǎn)業(yè)的后起之秀
    
    最近幾年來(lái)MEMS（Micro Electro MECHANICAL Systems）技術(shù)在國內外得到了迅猛的發(fā)展，MEMS產(chǎn)品已經(jīng)有了開(kāi)拓性的應用，MEMS產(chǎn)業(yè)鏈將會(huì )迅速掘起，預計2007年全球MEMS元器件銷(xiāo)售總額將突破70億美元。
    
    目前世界上生產(chǎn)MEMS 的20強中多數是從事集成電路的廠(chǎng)家。它們把MEMS當成是集成電路發(fā)展的一個(gè)分支。僅管耗硅量不大，但是銷(xiāo)售額非常驚人，利潤遠高于一般的集成電路。大多數MEMS產(chǎn)品全面商品化的時(shí)間在最近5年之內，因此可以說(shuō)MEMS是一個(gè)新興的工業(yè)，現在正趨于黃金發(fā)展時(shí)期。
    
    我國在MEMS的壓力傳感器、加速度計、慣性傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、熱對流式多軸加速度傳感器、打印機上的噴墨頭傳感器和手機上的MEMS麥克風(fēng)等產(chǎn)品方面，從理論研究、產(chǎn)品設計和批量生產(chǎn)技術(shù)方面都已有所突破，日趨成熟。
    
    在消費電子產(chǎn)品帶動(dòng)下，基于MEMS的麥克風(fēng)和揚聲器市場(chǎng)日漸火爆。預計2006年，全球市場(chǎng)麥克風(fēng)銷(xiāo)售量為25億只，MEMS產(chǎn)品占據其中8%的市場(chǎng)份額。到2008年，預計在30億只麥克風(fēng)市場(chǎng)中MEMS產(chǎn)品占據15%，復合增長(cháng)率高達240%。
    
    汽車(chē)電子對MEMS的需求量也在不斷地增長(cháng)，如安全氣囊需要的加速度傳感器、汽車(chē)剎車(chē)系統壓力傳感器、發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣歧管壓力傳感器、懸掛系統雙歧路壓力傳感器、汽車(chē)胎壓監視系統（TPMS）等均已普遍采用，汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家選用國產(chǎn)化率不斷增高，促進(jìn)國內的MEMS產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和相關(guān)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。汽車(chē)電子將是MEMS系列產(chǎn)品切入的最佳機會(huì )。同樣，消費電子產(chǎn)品的量大面廣，對MEMS的需求量將達天文數字，如手機、筆記本電腦、數碼相機、數碼攝像機、胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤、洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、熱水器等需要低成本的各種MEMS Die。而工業(yè)電子如數字壓力表、數字流量表、工業(yè)配料稱(chēng)重等儀器儀表也正在擴大使用MEMS的壓力、加速度等傳感器。
    
    傳統半導體廠(chǎng)商對MEMS的思考
    
    傳統半導體廠(chǎng)商增加MEMS生產(chǎn)和太陽(yáng)能硅片的生產(chǎn)是未來(lái)做大、做好、做強的革命性選擇，產(chǎn)品多樣化和加強企業(yè)的應變能力是做贏(yíng)的有力措施。
    
    傳統半導體廠(chǎng)商的4” 、5” 生產(chǎn)線(xiàn)正面臨淘汰，即使用來(lái)生產(chǎn)LDO也只有非常低的利潤，如將其中一部分轉而生產(chǎn)MEMS則可獲較高的利潤。
    
    4” 線(xiàn)上的每一個(gè)圓晶片可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die 5-6K個(gè)，每個(gè)Die出售后可獲成本7-10倍的毛利。
    
    轉產(chǎn)MEMS改動(dòng)工藝不大、新增輔助設備有限，投資少、效益高，當然新的工藝需要學(xué)習、熟練和磨合，轉產(chǎn)需要時(shí)間，不會(huì )一蹴而就。
    
    MEMS芯片與IC芯片整合、封裝在一起是集成電路技術(shù)發(fā)展的新趨勢，也是傳統IC廠(chǎng)商的新機遇，企業(yè)只有做新才能獲取更多的利潤。GE的NPX2 TPMS傳感器是NovaSenso的壓力/加速度Die +PHILIPS的MCU（PCH7970）Die，英飛凌(INFINEON）的SP30 TPMS傳感器是SensoNor的壓力/加速度Die +PHILIPS的MCU（PCH7970）Die。將MEMS Die和ASIC Die封裝在一個(gè)芯片內在當今已經(jīng)是一種成熟的技術(shù)。
    
    汽車(chē)用MEMS壓力傳感器芯片市場(chǎng)
    
    全球MEMS芯片行業(yè)目前呈專(zhuān)業(yè)壟斷的現狀，據國外資料分析，其中車(chē)用壓力傳感器芯片市場(chǎng)被GE Novasensor占據41%以上。但是要不了多久，中國的份額一定會(huì )擴大。
    
    網(wǎng)上2002—2008年全球及中國車(chē)用MEMS壓力傳感器芯片（Die）銷(xiāo)售預測如圖1所示。需求量呈線(xiàn)性增長(cháng)趨勢。
    
    國內MEMS芯片（Die）供應商主要有：上海微系統所、沈陽(yáng)儀表所、電子部13研究所、北京微電子所等，目前形成生產(chǎn)的主要是MEMS壓力傳感器芯片（Die）。據有關(guān)部門(mén)調研國內幾家主要生產(chǎn)廠(chǎng)家與美國GE公司車(chē)用MEMS壓力傳感器Die的成本、批量售價(jià)如表1所示。由此可見(jiàn)MEMS的毛利是相當高的。
        
    
    圖1 2002—2008年車(chē)用MEMS壓力傳感器芯片（Die）銷(xiāo)售預測
         
    
    表1 國內外車(chē)用MEMS壓力芯片供應商情況對比
    
    MEMS壓力傳感器Die的典型產(chǎn)品如P592，它是用MEMS技術(shù)在硅片上刻融一硅杯形成一壓力腔，在其杯底制作一個(gè)以電阻應變計為四個(gè)橋臂的惠斯頓電橋。其電原理圖和Die上的硅電路如圖2。MEMS壓力傳感器Die 實(shí)物如圖3，邦定在PCB板上如圖4，邦定在壓力傳感器腔內如圖5，圖6是工業(yè)用壓力變送器MEMS Die局部圖。
         
    
    圖2 P592電原理圖和Die上的硅電路
       
    
    圖3 MEMS Die實(shí)物 圖4 邦定在PCB板 圖5 邦定在壓力傳感器腔內
        
    
    圖6 工業(yè)用壓力變送器MEMS Die 局部圖
    
    MEMS芯片在設計、工藝、生產(chǎn)方面與IC的異同
    
    與傳統IC行業(yè)注重二維靜止的電路設計不同，MEMS是以理論力學(xué)為基礎， 結合電路和微機械原理設計的三維動(dòng)態(tài)產(chǎn)品。
    
    對于在微米尺度進(jìn)行機械設計會(huì )更多地依靠經(jīng)驗和實(shí)踐。
    
    MEMS的設計開(kāi)發(fā)工具也與傳統IC有所不同，但傳統開(kāi)發(fā)IC的工具還是需要使用。
    
    MEMS加工除使用大量傳統IC工藝外，還需要一些特殊工藝，如雙面刻蝕，雙面光刻等，較傳統IC工藝簡(jiǎn)單，光刻步驟少，但MEMS生產(chǎn)有一些非標準的特殊工藝。
    
    MEMS的工藝參數、生產(chǎn)工藝過(guò)程需按不同的產(chǎn)品要求進(jìn)行調整。
    
    由于需要產(chǎn)品設計、工藝設計和生產(chǎn)三方面的密切配合，IDM的模式要優(yōu)于Fabless+ Foundry的模式。
    
    MEMS的某些特殊要求工藝可能玷污現有IC生產(chǎn)線(xiàn)，需要注意環(huán)保。
    
    MEMS壓力傳感器Die的設計、生產(chǎn)、銷(xiāo)售鏈
        
    
    1）MEMS 產(chǎn)品定義/設計
    
    傳統半導體廠(chǎng)商對MEMS 產(chǎn)品定義/設計可以有三個(gè)途徑，一是與已有MEMS壓力傳感器芯片等版圖的公司合作，以盡快進(jìn)入生產(chǎn)；二是向有關(guān)IDH購買(mǎi)設計方案和版圖，縮短自已開(kāi)發(fā)的周期；三是聘請MEMS設計專(zhuān)家，培養自已的人材，建立自己的設計隊伍。
    
    2）MEMS生產(chǎn)工藝設計
    
    目前的4寸線(xiàn)的大多數工藝可為MENS生產(chǎn)所用，只是缺少雙面光刻、濕法腐蝕和鍵合三項MEMS特有工藝。
    
    3）MEMS Dei生產(chǎn)
    
    目前的4寸線(xiàn)缺少一些MEMS生產(chǎn)專(zhuān)用設備，主要為雙面光刻機、濕法腐蝕臺、鍵合機、壓力檢測設備；與IC產(chǎn)品共用4寸線(xiàn)，一些特殊工藝存在玷污生產(chǎn)線(xiàn)的可能。
    
    4）MEMS Dei銷(xiāo)售
    
    開(kāi)拓汽車(chē)電子、消費電子領(lǐng)域的銷(xiāo)售經(jīng)驗和渠道；汽車(chē)電子的需要量激增，如捷伸電子的年需求量約為200萬(wàn)個(gè)。
    
    4”生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計
    
    4”生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本粗略估算如表2所示，可供有關(guān)廠(chǎng)商參考。
       
    
    表2
    
    表2說(shuō)明：
    
    1）新增固定成本是指為該項目投入的人員成本和新設備的折舊（人員：專(zhuān)家1名+MEMS設計師2名+工程師4名+工藝師5名+技工12名，年成本147萬(wàn)元，新增設備投入650萬(wàn)元，按90%四年折舊計算）；
    
    2）現有4’線(xiàn)成本是指在5次光刻條件下使用4’線(xiàn)的成本（包括人工、化劑、水電、備件等的均攤成本）；
    
    3）硅片材料成本是指雙拋4寸硅片的價(jià)格。
    
    作者：顏重光
    
    上海貝嶺股份有限公司FAE經(jīng)理/高工
    
    上海市傳感技術(shù)學(xué)會(huì ) 理事
    
    參考資料：
    
    《XSY系列遠傳數字壓力表 》 顏重光 1990-01
    
    《兩線(xiàn)制壓力變送器 》 顏重光 1992-11
    
    《新型實(shí)用傳感器應用指南》 顏重光等主編 電子工業(yè)出版社 1998-04
    
    《TPMS的設計方案思考》 顏重光 2004-08
    
    《TPMS專(zhuān)用傳感器模塊技術(shù)剖析》 顏重光 2006-08
    
    《TPMS市場(chǎng)及傳統半導體廠(chǎng)商對MEMS的思考》 顏重光 2006-11
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