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MEMS传感器一个半导体新技术的解析

发布日期:2021-04-01 01:11

  智能化时代来临,MEMS 迎来快速增长期。智能手机和平板电脑的兴起带动MEMS 出货量倍增,方兴未艾之际,2014 年可穿戴设备及医疗电子异军突起,将继续推动MEMS 快速成长,据Yole Developpement 预计,2012-2018 年,全球 MEMS市场将以12%的年复合增长率成长,2018 年市场规模达到 220 亿美元。从中长期来看,物联网崛起将打开MEMS 应用的蓝海。

  智能化时代来临,MEMS 迎来快速增长期。智能手机和平板电脑的兴起带动MEMS 出货量倍增,方兴未艾之际,2014 年可穿戴设备及医疗电子异军突起,将继续推动MEMS 快速成长,据Yole Developpement 预计,2012-2018 年,全球 MEMS市场将以12%的年复合增长率成长,2018 年市场规模达到 220 亿美元。从中长期来看,物联网崛起将打开MEMS 应用的蓝海。

  MEMS(Micro-Electro-Mechanical System微机电系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统,简言之,其工作原理是外部环境物理、化学和生物等信号输入,通过微传感器转换成电信号,经过信号处理(模拟信号或数字信号)后,由微执行器执行动作,达到与外部环境“互动”的功能。

  MEMS技术是一种多学科交叉的前沿技术,几乎涉及到自然科学的所有领域,如电子技术、物理学、机械等。MEMS器件需要做到微米尺度,在这样的尺度下,很多宏观物理规律将不再适用,很多的理论也将发展改变,开发难度大。其次,需要对器件进行微米级别的加工,也对加工工艺、设备、环境提出了很高的要求。这些决定了MEMS技术具有很大的技术壁垒的特性。

  MEMS产品的研发需要用到高精密的微纳米加工设备,这些设备大都价格昂贵。比如一台基础的ASML公司的光刻机,售价都要高达百万级别。其次在加工过程中需要使用到耗材也是非常昂贵,比如光刻胶、显影液、高纯硅片等。再者,MEMS产品设计微纳米加工工艺,对于研发人员也有较高的门槛要求,需要高精尖人才才能胜任。

  技术壁垒高企叠加成本较高,导致新产品开发周期较长,上世纪60年代压力传感器的商业化时间为21年。大部分新兴MEMS公司是无晶圆厂的初创公司,他们依赖于全球MEMS代工产能。由于市场目标是快速、量大的消费市场,对于那些新兴的MEMS初创公司来说,他们寄希望代工厂能够为提供便捷的工艺转移、快速的良率提高、完整的解决方案(从前端到封装)。然而这种代工机制也会进一步的拉长研发过程,因为产品的的设计和生产被隔断,每次新修改的设计不能马上得到验证,中间的时间延迟最终导致了整个产品的长周期研发。

  目前产能主要集中于欧美等发达国家,据统计,2012年全球前20大供应商占据77%的市场份额,在智能手机及平板电脑领域,前五大MEMS厂商占据市场73%的市场份额。

  MEMS 产业链类似于传统半导体产业,主要包括了四大部分:前端设计fabless、制造和下游应用的三大环节。

  全球前十名MEMS 厂商主要包括博世意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、Avago 和Qorvo、娄氏电子、松下等等。大部分MEMS 行业的主要厂商是以设计为主,如娄氏、HP、佳能等。但也有厂商会垂直参与到整条产业链的各个环节,比如Bosch、ST等都建有自己的晶元代工生产线。

  作为MEMS的核心门槛之一,半导体设计环节因为其fabless的轻资产特性,及其核心门槛,国内公司投资较为积极。国内有众多比较知名的Fabless,例如海思半导体、展讯、RDA、全志科技、国民技术、澜起科技等等。

  国内MEMS行业的Fabless规模相对较小,但市场规模来说具备很大的发展空间。面对国内巨大的消费电子市场,自产自销满足国内部分中低端市场需求,也是国内fabless公司的一个捷径。例如苏州敏芯最近宣布MEMS传感器出货量超一亿颗,他们的微硅麦克风传感器产品已经渗透至以消费类电子产品为主的各个细分应用中,成功应用在SONY,ASUS,联想,魅族,小米等品牌客户的产品上。

  Mems制造环节主要为生产、封装和测试两部分。中国MEMS 产业在2009 年后才逐渐起步,国内MEMS 厂家在营业规模、技术水平、产品结构、产业环境上与国外有明显差距,目前国内mems厂商的产品仍旧集中在中低端市场,如加速度计、压力传感器等传统领域,但对新产品(例如生物传感器、化学传感器、陀螺仪)的涉足不多。本土MEMS产业明显落后国际水平,同时国内由存在着巨大的市场需求,导致国内市场严重依赖进口,市场份额基本被Bosch、ST、ADI、Honeywell、Infineon、AKM 等国际大公司寡头垄断,中高端MEMS传感器进口比例达80%,传感器芯片进口比例高达90%。

  生产环节由于需要精简的技术和昂贵的设备,一般都是由晶圆厂代工完成。国内MEMS 代工厂主要为华润上华、中芯国际、上海先进等,硬件条件虽与国际水平相近,但开发能力远不及海外代工厂;中国MEMS代工企业还未积累起足够的工艺技术储备和大规模市场验证反馈的经验,加工工艺的一致性、可重复性都不能满足设计需要,产品的良率和可靠性也无法达到规模生产要求。因此商业化阶段的本土设计公司更愿意同TSMC、X-Fab、Silex 等海外成熟代工厂合作。因此,海外的代工厂仍旧抢占着绝大部分的代工业务。代工环节薄弱导致好的设计无法迅速产品化并推向市场,极大地制约了中国MEMS 产业的发展,产业中游迫切需要有工艺经验和高端技术的厂商填补洼地。

  封装和测试也是mems制造中的核心部分,且因mems器件的用途不同而有着不同的工艺。比如对硅麦有防水和不防水区分,光学血氧浓度传感器需要穿孔和空腔安装透镜等。但是由于mems器件具有高度定制化、制程控制与材质特殊的特点,封装与测试环节至少占到整个成本的60%。

  为了能够在日益严峻的产品价格下跌趋势下有效降低成本,多数无晶圆或轻晶圆MEMS 供应商将封装与测试环节外包给专业封测厂商,这也将为MEMS 器件封装及测试厂商带来机遇。

  MEMS器件由于和传统IC相比,其具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、价格低、易批量生产等优点,因此被广泛应用于汽车、消费电子、医疗电子、航空航天和工业等领域,其中,消费电子、汽车电子和医疗电子是三大主要应用领域。

  MEMS赋予电子产品独特的人机交互体验,使得电子产品更加娱乐化智能化,广泛应用于喷墨打印头、投影仪、笔记本等计算机类产品、智能手机等通讯产品以及MP3、MP4、游戏机、麦克风等消费电子产品中。

  近年来,智能手机和平板电脑的普及也极大的拉动了MEMS传感器的销量。目前一款智能手机中平均需要使用到加速度计、陀螺仪、电子罗盘、压力传感器、硅麦克风等多达12颗MEMS芯片,未来随着技术的发展,更多MEMS芯片如压力传感器、温湿度传感器RF传感器也在向智能终端渗透,预计不久后,每部智能手机将使用到20颗以上的MEMS芯片。其次,根据市场调研机构Yole的统计,2012年手机和平板电脑中的MEMS市场增长19%至22亿美元,预计2018年将增长至64亿美元,年复合增速18.5%。

  其次,MEMS传感器在可穿戴设备市场也有着巨大增长潜力。在智能手机、平板电脑、笔记本电脑渗透率达到较高水平,产业链竞争加剧,盈利下降的背景下,国际电子巨头将目标瞄准了可穿戴市场,三星在国际大厂中率先推出智能手表Galaxy Gear,随后高通亦展示了自己的智能手表top、苹果iwatch、google glass也相继问世,可穿戴市场快速启动。

  随着全球人口老龄化及人们对健康的日益重视,近年来医疗电子领域发展迅速,体外诊断及医疗设备小型化成为趋势,并进入高速成长期。MEMS广泛应用于生物和医疗电子产品中,如生物制药、pH胶囊、心脏起搏器、精密手术仪器、医疗机器、智能假肢、血糖仪、数字血压计、血气分析仪等。据法国Yole Developpement的调查指出,全球生物MEMS市场规模可望在未来几年内成长三倍,从2012年的19亿美元成长到2018年的66亿美元。

  汽车电子是MEMS的主要应用市场之一。现阶段,MEMS传感器的应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统(ABS)、电子车身稳定程序(ESP)、电控悬挂(ECS)、电动手刹(EPB)、斜坡起动辅助(HAS)、胎压监控(EPMS)、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等。其中电子车身稳定程序ESP得到众MEMS厂商的高度关注。由于其主动防滑功能要求更多的传感器和先进的处理系统,因此将带动汽车电子MEMS传统应用市场的需求。目前每台汽车采用50到上百个MEMS传感器,主要为压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和流量传感器,合计占汽车MEMS系统的99%,未来随着汽车进一步智能化,对MEMS传感器的需求将进一步提升。

  物联网是指把射频识别装置、、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。具体地说,就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、公路、建筑、供水系统、油气管道等物体中,然后将“物联网”与现有的互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合。其中,MEMS的作用在于让“无生命,无思想”的物品对环境变化恰当反应,实现“传感+执行”的过程。未来MEMS芯片将整合音讯、光线、化学分析及压力、温度感测等子系统,发展出人体眼睛、鼻子、耳朵、皮肤等感官功能的芯片;如果再加入对电磁、电力的感应与控制能力,将赋予物品一定的“生命力和思想”,使物联网的实现变成可能。

  封装测试领域将迎来较大发展:MEMS产业链可大致分为设计、制造、封装测试、方案和系统应用。MEMS封测环节技术较集成电路更为复杂,在整个产业链中,封测的成本占比达到35%-60%以上。我们认为MEMS封测领域将高速发展,同时将获取产业链价值的最大份额。因此,在MEMS领域具有领先技术、规模效应和良好管理能力的企业的成长性值得关注。

  物联网崛起将打开MEMS 应用的蓝海:据Yole Development 预测,全球MEMS 市场规模将从2014 年的111 亿美元增长到2020 年的220 亿美元以上,年复合增长在12%以上,增速超过半导体市场。在NB-IOT物联网时代,新的可穿戴设备需要更加微型化器件和更为便捷的交互方式,将带给MEMS 器件更多应用机遇。

  MEMS产业将逐步走上专业化分工模式:MEMS 制造目前主要分为三类,纯MEMS 代工、IDM 企业代工和传统集成电路MEMS 代工。虽然大部分MEMS 业务仍然掌握在IDM 企业中,随着制造工艺逐渐标准化,MEMS 产业未来会沿着传统集成电路行业发展趋势,将逐步走向设计与制造分离的模式。纯MEMS 代工厂与MEMS 设计公司合作开发的商业模式将成为未来业务模式的主流。

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