詳解微機電系統(tǒng)，總有你不知道的點

　　MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈類似于傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，主要包括了四大部分：前端 fabless 設(shè)計環(huán)節(jié)、 ODM 代工晶圓廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)、 封裝測試到下游最終應(yīng)用的四大環(huán)節(jié)。

　　MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈劃分

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

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

　　全球主要 MEMS 廠商的生產(chǎn)模式定位

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

　　前者不僅僅包括對傳統(tǒng) IC 設(shè)計的理解，更需要包括多學(xué)科的綜和，例如微觀材料學(xué)、力學(xué)、 化學(xué)等等。 原因是因為內(nèi)部涉及機械結(jié)構(gòu)，空腔，和不同的應(yīng)用場景，如導(dǎo)航，光學(xué)，物理傳感等。可以展開細說。

　　后者， 因為單個 MEMS 被設(shè)計出來的使用用途、使用環(huán)境、 實現(xiàn)目的不同，對封裝有著各種完全不同的要求。 比如對硅麥有防水和不防水區(qū)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不能密封等等。 在整個 MEMS 生產(chǎn)中，封測的成本占比達到 35%-60%以上。

　　MEMS 成本結(jié)構(gòu)拆分

　　一、設(shè)計環(huán)節(jié)

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

　　但國內(nèi) MEMS 行業(yè)的 fabless 規(guī)模相對較小， 但市場規(guī)模來說具備很大的發(fā)展空間。 面對國內(nèi)巨大的消費電子市場， 自產(chǎn)自銷滿足國內(nèi)部分中低端市場需求，也是國內(nèi) Fabless 公司的一個捷徑。例如蘇州敏芯， 他的微硅麥克風(fēng)傳感器產(chǎn)品已經(jīng)滲透至以消費類電子產(chǎn)品為主的各個細分應(yīng)用中，成功應(yīng)用在 MOTOROLA， SONY， ASUS，聯(lián)想，魅族，小米等品牌客戶的產(chǎn)品上。

　　中國 MEMS 設(shè)計企業(yè)主要集中于華東地區(qū)，約占全國企業(yè)總數(shù)的 55%，其中，以上海、蘇州、無錫三地為產(chǎn)業(yè)集中地：

　　? 上海：深迪，矽睿，麗恒，芯敏，微聯(lián)，銘動，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

　　? 無錫：美新，樂爾，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(nèi) MEMS 企業(yè)布局

　　二、制造環(huán)節(jié)：代工、 封測

　　統(tǒng)計的前十大中，設(shè)計全為中資而制造和封裝絕大多數(shù)為外資。但外資的成長性弱于中資，所以中資制造業(yè)和測試封裝業(yè)的實際增長應(yīng)高于統(tǒng)計的平均數(shù)據(jù)。尤其是測試封裝，增速均高于行業(yè)： 5 年復(fù)合增速長電科技 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)通過單一工藝即可支持整個產(chǎn)品世代，其產(chǎn)品制造工藝標準化程度高，批量化生產(chǎn)相對簡易。而 MEMS 產(chǎn)品種類豐富、功能各異，工藝開發(fā)過程中呈現(xiàn)出“一類產(chǎn)品，一種制造工藝”的特點。 MEMS 芯片或器件的種類多達上萬、個性特征明顯，除了采用相同的硅材料外，不同的 MEMS 產(chǎn)品之間沒有完全標準的工藝，產(chǎn)品參量較多，每類產(chǎn)品品種實現(xiàn)量產(chǎn)都需要從前端研發(fā)重新投入，工藝開發(fā)周期長，且量產(chǎn)率較傳統(tǒng)半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)相比更低，依靠單一種類的MEMS 產(chǎn)品很難支撐一個公司。

　　雖然不同種類的 MEMS 從用途來說截然不同，封裝形式也是天壤之別。但是從封裝結(jié)構(gòu)上來說， 大致可以分為以下 3 類： 封閉式封裝(Closed Package)、開放空腔式封裝(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(guī)模，產(chǎn)業(yè)整體處于從實驗室研發(fā)向商用量產(chǎn)轉(zhuǎn)型階段。國內(nèi) MEMS 廠家在營業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)環(huán)境上與國外有明顯差距， 60%-70%的設(shè)計產(chǎn)品依舊集中在加速度計、壓力傳感器等傳統(tǒng)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)驗缺失制約代工廠發(fā)展，制造環(huán)節(jié)亟需填補空白。

　　微機電系統(tǒng)的生產(chǎn)制造涵蓋設(shè)計、制造和封測。由于系統(tǒng)器件具有高度定制化、制程控制與材質(zhì)特殊的特點，封裝與測試環(huán)節(jié)至少占到整個成本的 60%。因此，為了能夠在日益嚴峻的產(chǎn)品價格下跌趨勢下有效降低成本，多數(shù)無晶圓或輕晶圓MEMS 供應(yīng)商將封裝與測試環(huán)節(jié)外包給專業(yè)封測廠商，這也將為 MEMS 器件封裝及測試廠商帶來機遇。

　　隨著國家政策扶持，近兩年中國 MEMS 產(chǎn)線投資興起， 2014 年國內(nèi) MEMS 代工廠建設(shè)投資超過 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(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度定制化、依賴于專用設(shè)備，且具有很強的規(guī)模效應(yīng)。目前，本土MEMS產(chǎn)業(yè)明顯落后國際水平，國內(nèi)市場嚴重依賴進口，市場份額基本被Bosch、ST、 ADI、 Honeywell、 Infineon、 AKM 等國際大公司寡頭壟斷，中高端 MEMS傳感器進口比例達 80%，傳感器芯片進口比例高達 90%。

　　MEMS 制造目前主要分為三類，純 MEMS 代工、 IDM 企業(yè)代工和傳統(tǒng)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器件依賴各種工藝和許多變量。只有經(jīng)過多年的工藝改進及測試， MEMS 器件才能真正被商品化。研發(fā)團隊一般需要大量時間來搜索有關(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(jù)多晶硅的來源及沉積方法來標記工藝中的變化。因此每一種工藝都需要長期、大量的數(shù)據(jù)來穩(wěn)定一個工藝。

　　國內(nèi) MEMS 代工廠華潤上華、中芯國際、上海先進等，硬件條件雖與國際水平相近，但開發(fā)能力遠不及海外代工廠;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(guī)模市場驗證反饋的經(jīng)驗，加工工藝的一致性、可重復(fù)性都不能滿足設(shè)計需要，產(chǎn)品的良率和可靠性也無法達到規(guī)模生產(chǎn)要求。因此商業(yè)化階段的本土設(shè)計公司更愿意同 TSMC、 X-Fab、 Silex 等海外成熟代工廠合作。

　　代工環(huán)節(jié)薄弱導(dǎo)致好的設(shè)計無法迅速產(chǎn)品化并推向市場，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，隨著制造工藝逐漸標準化，MEMS 產(chǎn)業(yè)未來會沿著傳統(tǒng)集成電路行業(yè)發(fā)展趨勢，將逐步走向設(shè)計與制造分離的模式。純 MEMS 代工廠與 MEMS 設(shè)計公司合作開發(fā)的商業(yè)模式將成為未來業(yè)務(wù)模式的主流。

　　MEMS 代工企業(yè)類型比較

　　MEMS 技術(shù)自八十年代末開始受到世界各國的廣泛重視，對比傳統(tǒng)集成電路，該系統(tǒng)擁有諸多優(yōu)點，體積小、重量輕，最大不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度更加微小。 MEMS 的原材料以硅為主，價格低廉，產(chǎn)量充足批量，良率高。同時使用壽命長，耗能低，但由于 MEMS 的工藝難度高，其良率仍然與傳統(tǒng) 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(chǔ)的硅基微加工技術(shù);二是以德國為代表發(fā)展起來的利用 X 射線深度光刻、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 在封裝和外觀上具有相似性，但實質(zhì)上 MEMS 在芯片設(shè)計和制造工藝方面與 IC 不同。 IC 一般是平面器件，通過數(shù)百道工藝步驟，在若干個特定平面層上使用圖案化模板制造而來，表現(xiàn)出特定的電學(xué)或電磁學(xué)功能來實現(xiàn)模擬、數(shù)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(yīng)用和功能方面具有共通性。相對地，MEMS 是一種 3D 微機械結(jié)構(gòu)?；诠韫に嚰夹g(shù)， MEMS 相比于傳統(tǒng)的“大型器件”，微米級別的 MEMS 器件能夠更廣泛、靈活地應(yīng)用在汽車電子、消費電子等領(lǐng)域。

　　國內(nèi) MEMS 主要的傳感器設(shè)計公司有美新半導(dǎo)體、明皜傳感、矽睿科技、深迪半導(dǎo)體、敏芯微電子等。 同時國內(nèi) MEMS 企業(yè)規(guī)模還相對較小，單個企業(yè)較少有年銷售額超過 1 億美金; 高端傳感器還主要是以進口產(chǎn)品為主，整個 MEMS 傳感器主要以國外品牌為主。根據(jù)《中國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(2014)》顯示中國中高端傳感器的進口比例達 80%，傳感器芯片的進口比例更高達 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(jié)構(gòu)來看， 國內(nèi) MEMS 公司在營業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、與國外有明顯差距， 60%-70%的設(shè)計產(chǎn)品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統(tǒng)領(lǐng)域。工藝開發(fā)是我國 MEMS 行業(yè)目前面臨最主要的問題， 產(chǎn)品在本身技術(shù)實力和生產(chǎn)工藝還有待于進步。

　　中國傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

　　雖然國內(nèi)主要集中在初級階段，中低端應(yīng)用。 但從近幾年的發(fā)展來看， 中國地區(qū)已經(jīng)成為過去五年全球 MEMS 市場發(fā)展最快的地區(qū)。 2015 年，我國 MEMS 市場規(guī)模接近 300 億元，且連續(xù)兩年增幅高達 15%以上;而且從中長期來看，國內(nèi) MEMS 行業(yè)的發(fā)展增速會快于國外， 到 2020 年，我國傳感器市場增幅將進一步提升，年平均增長率將達到 20%以上，繼續(xù)保持全球前列。

　　MEMS 行業(yè)發(fā)展趨勢

　　1) MEMS 封裝將會向標準化演進， 模塊平臺標準化意味著更快的反應(yīng)速度。

　　根據(jù) Amkor 公司的觀點， MEMS 的整合正在向標準化、 平臺化演進。 從之前眾多分散復(fù)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

　　2) SIP(System In Package) 系統(tǒng)級的高度集成化會是 MEMS 未來在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場合的主要承載形式。

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

　　MEMS 在 IOT 應(yīng)用領(lǐng)域的 SIP 封裝

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

　　MEMS 在 IOT 應(yīng)用領(lǐng)域的 SIP 封裝

　　3)未來 MEMS 產(chǎn)品可能會逐漸演變?yōu)榈投恕⒅卸撕透叨巳悺?/p>

　　低端 MEMS 主要應(yīng)用于消費電子類產(chǎn)品如智能手機、平板電腦等。 中端 MEMS 主要應(yīng)用于GPS 輔 助導(dǎo) 航 系 統(tǒng) 、工 業(yè) 自 動 化 、 工 程 機械 等 工 業(yè) 領(lǐng) 域 。 根據(jù) Yole Developpment 報告，作為智能感知時代的重要硬件基礎(chǔ)， 2014 年中低端MEMS 傳感器市場規(guī)模達到 130 億美元，預(yù)計到 2018 年，中低端 MEMS 市場產(chǎn)值將以 12%～13%的復(fù)合增長率增長至 225 億美元。

　　在今后 5 到 10 年內(nèi)隨著 MEMS 技術(shù)的成熟，以智能手機以及平板電腦為主要應(yīng)用對象的低端MEMS 市場利潤將逐漸下降，但未來在可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域還有一定機遇;以工業(yè)、醫(yī)療及汽車為應(yīng)用對象的中端 MEMS 還將持續(xù)提供增長和盈利;未來以工業(yè) 4.0 和國防軍工市場也應(yīng)用對象的高端 MEMS 將為帶來顯著的超額收益。據(jù)市場研究機構(gòu)預(yù)測，高端 MEMS 市場在 2016 年~2021 年的其年復(fù)合增長達到 13.4%，而同期全球 MEMS 市場的復(fù)合年增長率僅為 8.9%，其中軍事、航天、高端醫(yī)療電子和工業(yè) 4.0 應(yīng)用四個領(lǐng)域?qū)嘉磥砀叨?MEMS 市場營收的 80%。