技術(shù)
導(dǎo)讀:汽車電子、消費(fèi)電子等終端應(yīng)用市場的擴(kuò)張,使得MEMS 應(yīng)用越來越廣泛,產(chǎn)業(yè)規(guī)模日漸擴(kuò)大,日趨成為集成電路行業(yè)的一個(gè)新分支。
MEMS ,全稱是微型電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System),是微電路和微機(jī)械按功能要求在芯片上的一種集成,基于光刻、腐蝕等傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù),融入超精密機(jī)械加工,并結(jié)合力學(xué)、化學(xué)、光學(xué)等學(xué)科知識(shí)和技術(shù)基礎(chǔ),使得一個(gè)毫米或微米級(jí)的 MEMS 具備精確而完整的機(jī)械、化學(xué)、光學(xué)等特性結(jié)構(gòu)。
MEMS 行業(yè)系在集成電路行業(yè)不斷發(fā)展的背景下,傳統(tǒng)集成電路無法持續(xù)地滿足終端應(yīng)用領(lǐng)域日漸變化的需求而成長起來的。隨著微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)以及其他基礎(chǔ)自然科學(xué)學(xué)科的相互融合,誕生了以集成電路工藝為基礎(chǔ),結(jié)合體微加工等技術(shù)打造的新型芯片。汽車電子、消費(fèi)電子等終端應(yīng)用市場的擴(kuò)張,使得MEMS 應(yīng)用越來越廣泛,產(chǎn)業(yè)規(guī)模日漸擴(kuò)大,日趨成為集成電路行業(yè)的一個(gè)新分支。
MEMS的市場規(guī)模
隨著 MEMS 技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,MEMS 在通訊、生物醫(yī)療、工業(yè)科學(xué)、消費(fèi)電子、汽車電子、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域的應(yīng)用日漸普及,MEMS 市場在不斷創(chuàng)新中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。2008 年以前,汽車電子是 MEMS 主要應(yīng)用市場;2008年以后,智能手機(jī)等終端產(chǎn)品日益涌現(xiàn)并占領(lǐng) MEMS 主流市場;在未來,隨著智能化場景的進(jìn)一步普及,各種新興應(yīng)用領(lǐng)域如物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、智能家居及工業(yè) 4.0 等將為 MEMS 提供更廣闊的發(fā)展空間,MEMS 產(chǎn)品的使用量預(yù)計(jì)將加速增長。
根據(jù)全球權(quán)威半導(dǎo)體咨詢機(jī)構(gòu) Yole Development 的研究,2019 年全球 MEMS行業(yè)市場規(guī)模為 115 億美元,考慮到 COVID-19 疫情影響,2020 年 MEMS 市場規(guī)模將下滑至 109 億美元,預(yù)計(jì)到 2025 年 MEMS 市場規(guī)模將增長至 177 億美元,復(fù)合增長率可達(dá) 7.4%。從市場細(xì)分領(lǐng)域來看,消費(fèi)電子、汽車電子仍將是 MEMS最大的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,而同時(shí)在通訊、生物醫(yī)療、工業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的增速也將非??捎^。
在消費(fèi)電子、工業(yè)及汽車電子應(yīng)用的巨大市場和快速發(fā)展的強(qiáng)力拉動(dòng)下,中國地區(qū)已經(jīng)成為過去五年 MEMS 市場規(guī)模發(fā)展最快的地區(qū)。中國作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地,對 MEMS 傳感器的市場需求巨大,各類 MEMS 傳感器供應(yīng)商包括光傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器等供應(yīng)商均已轉(zhuǎn)戰(zhàn)中國市場,MEMS 傳感器產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境逐漸完善。
MEMS 行業(yè)發(fā)展歷程
MEMS 起源可追溯至 20 世紀(jì) 50 年代,硅的壓阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后,學(xué)者們開始了對硅傳感器的研究。然而,MEMS 產(chǎn)業(yè)真正發(fā)展始于 20 世紀(jì) 80 年代,前后經(jīng)歷了 3 次產(chǎn)業(yè)化浪潮。
20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代:1983 年 Honeywell 利用大型刻蝕硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作了集成壓力傳感器,將機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)。80 年代末至 90 年代,汽車行業(yè)的快速發(fā)展,汽車電子應(yīng)用如安全氣囊、制動(dòng)壓力、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等需求增長,巨大利潤空間驅(qū)使歐洲、日本和美國的企業(yè)大量生產(chǎn) MEMS,推動(dòng)了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第一次浪潮。
20 世紀(jì) 90 年代末至 21 世紀(jì)初:本階段早期,噴墨打印頭和微光學(xué)器件的巨大需求促進(jìn)了 MEMS 行業(yè)的發(fā)展。而 2007 年后,消費(fèi)電子產(chǎn)品對 MEMS 的強(qiáng)勁需求,手機(jī)、小家電、電子游戲、遠(yuǎn)程控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品要求體積更小且功耗更低的 MEMS 相關(guān)器件,對 MEMS 產(chǎn)品需求更大,掀起了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第二次產(chǎn)業(yè)化浪潮,并將持續(xù)推動(dòng) MEMS 行業(yè)向前發(fā)展。
2010 年至今:產(chǎn)品應(yīng)用的擴(kuò)展,使 MEMS 行業(yè)呈現(xiàn)新的趨勢。MEMS 產(chǎn)品逐步應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等新領(lǐng)域,應(yīng)用場景日益豐富,正漸漸覆蓋人類生活的各個(gè)維度。此外,MEMS 是當(dāng)前移動(dòng)終端創(chuàng)新的方向,新的設(shè)備形態(tài)(如可穿戴設(shè)備)需要更加微型化的器件和更為便捷的交互方式。然而,物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備應(yīng)用助推 MEMS 第三次產(chǎn)業(yè)化浪潮的同時(shí),行業(yè)仍然面臨來自產(chǎn)品規(guī)格、功率消耗、產(chǎn)品整合以及成本等方面的壓力,MEMS 產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)亟待持續(xù)改進(jìn),以滿足更小、更低能耗、更高性能的需求。
MEMS 制造行業(yè)主要經(jīng)營模式
與傳統(tǒng)集成電路產(chǎn)業(yè)類似,從 MEMS 產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈來看,根據(jù)行業(yè)內(nèi)企業(yè)提供的產(chǎn)品或服務(wù),可以分為設(shè)計(jì)、制造和封測三個(gè)環(huán)節(jié)。其中,MEMS 制造行業(yè)屬于 MEMS 行業(yè)的一個(gè)環(huán)節(jié),處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游。該行業(yè)根據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的需求開發(fā)各類 MEMS 芯片的工藝制程并實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn),兼具資金密集型、技術(shù)密集型和智力密集型的特征,對企業(yè)資金實(shí)力、研發(fā)投入、技術(shù)積累等均提出了極高要求。
目前市場中,一方面 IDM 企業(yè)受到來自升級(jí)產(chǎn)業(yè)線以及降低成本維持利潤的雙重壓力,市場中已出現(xiàn) IDM 企業(yè)將制造環(huán)節(jié)外包的情況;另一方面,MEMS產(chǎn)品應(yīng)用的爆發(fā)式增長需要不同領(lǐng)域、不同行業(yè)的新興 MEMS 公司參與其中,但巨額的工廠建設(shè)投入、運(yùn)維成本以及 MEMS 工藝開發(fā)、集成的復(fù)雜性卻形成了較高的行業(yè)門檻,阻礙了市場的持續(xù)擴(kuò)張。
在此背景下,純 MEMS 代工廠與 MEMS 產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司合作開發(fā)產(chǎn)品的商業(yè)模式將成為未來行業(yè)業(yè)務(wù)模式的主流。類似于傳統(tǒng)集成電路行業(yè)發(fā)展趨勢,MEMS 產(chǎn)業(yè)將逐步走向設(shè)計(jì)與制造分立、制造環(huán)節(jié)外包的模式。
MEMS 制造主要指 MEMS 芯片制造,行業(yè)內(nèi)主要經(jīng)營模式包括兩類,一類是依靠自有生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn),另一類則是外包給 MEMS 代工廠進(jìn)行生產(chǎn)。行業(yè)內(nèi)提供 MEMS 制造代工服務(wù)的企業(yè),從芯片類型和產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈來看,主要分為三類,即純 MEMS 代工、IDM 企業(yè)代工以及傳統(tǒng)集成電路 MEMS 代工。
一、純 MEMS 代工
純 MEMS 代工企業(yè)不提供任何設(shè)計(jì)服務(wù),企業(yè)根據(jù)客戶提供的 MEMS 芯片設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行工藝制程開發(fā)以及代工生產(chǎn)服務(wù)。代表企業(yè)有公司、TeledyneDalsa、IMT 等。
二、IDM 企業(yè)代工
IDM 企業(yè)即垂直整合器件制造商,該類廠商除了進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì)之外,一般還擁有自有的封裝廠和測試廠,其業(yè)務(wù)范圍涵蓋集成電路的設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試所有環(huán)節(jié)。由于晶圓制造、封裝和測試的生產(chǎn)線建設(shè)均需要巨額資金投入,因此 IDM 模式對企業(yè)的研發(fā)力量、資金實(shí)力和市場影響力都有極高的要求。在滿足自身晶圓制造需求后,IDM 企業(yè)會(huì)將剩余的產(chǎn)能外包出去,提供 MEMS代工服務(wù)。采用 IDM 代工模式的企業(yè)均為全球芯片行業(yè)巨頭,主要代表為博世(Bosch)、意法半導(dǎo)體(STMicro)、德州儀器(TI)等企業(yè)。
三、傳統(tǒng)集成電路 MEMS 代工
傳統(tǒng)集成電路(主要為 CMOS)代工企業(yè)以原有的 CMOS 產(chǎn)線為基礎(chǔ),嵌套部分特殊的生產(chǎn) MEMS 工藝技術(shù),將舊產(chǎn)線轉(zhuǎn)化為 MEMS 代工線。由于批量生產(chǎn)能力突出,傳統(tǒng)集成電路企業(yè)往往會(huì)集中向出貨量較高的消費(fèi)電子領(lǐng)域的MEMS 產(chǎn)品提供代工,該類代工企業(yè)以臺(tái)積電(TSMC)、Global Foundries 等為代表。
歷史發(fā)展過程中,由于 MEMS 產(chǎn)品在材料、加工、制造工序等單個(gè)產(chǎn)品差異較大,器件標(biāo)準(zhǔn)化程度較低,影響了產(chǎn)業(yè)垂直分工的發(fā)展,行業(yè)以 IDM 企業(yè)為主導(dǎo)。近年來,隨著 MEMS 技術(shù)的發(fā)展和市場需求的逐漸興起,MEMS 標(biāo)準(zhǔn)化的程度大大發(fā)展,平臺(tái)化基礎(chǔ)正在形成,越來越多的 MEMS 產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈垂直分工條件日趨成熟。
MEMS行業(yè)的競爭壁壘
由于 MEMS 行業(yè)存在產(chǎn)品非標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn),MEMS 公司無法僅僅通過單一工藝支持整個(gè)產(chǎn)品世代。MEMS 產(chǎn)品中,除了采用相同的硅材料外,沒有可以在所有器件中通用的基礎(chǔ)元件,“一類產(chǎn)品,一種制造工藝”的定律意味著MEMS 制造商需要針對每個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品采取不同的工藝策略。在生產(chǎn)過程中,往往需要同時(shí)對多個(gè)產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行工藝研發(fā),在研發(fā)完成、產(chǎn)品測試合格并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)、進(jìn)行銷售之前,公司需要大量資金投入以維持運(yùn)營。
因此,MEMS 相較于傳統(tǒng)集成電路不僅需要大量的時(shí)間成本,還需要大量的資金投入,這就建立期了其資金壁壘。
除了資金外,技術(shù)又是其另一個(gè)壁壘。
首先,MEMS 是一種全新的必須同時(shí)考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域,相對于傳統(tǒng)的機(jī)械,它們的尺寸更小,最大的不超過一厘米,有些甚至僅僅幾微米,其厚度更加微小。因而 MEMS 產(chǎn)品的開發(fā)和制造需要包括與物理、化學(xué)、生物等相關(guān)的專業(yè)技術(shù)。
其次,MEMS 需要多種工藝開發(fā)技術(shù)。MEMS 晶圓代工業(yè)務(wù)需要并行處理多項(xiàng)工藝開發(fā)項(xiàng)目,還需要盡可能以最有效的方式利用所有工程資源?!耙活惍a(chǎn)品,一種制造工藝”的定律意味著每種產(chǎn)品都需要從頭開始設(shè)計(jì)工藝。每一項(xiàng)工藝都需要經(jīng)過工藝開發(fā)和優(yōu)化的步驟,這些工藝步驟包括DRIE、鍵合、薄膜沉積(特別是在薄膜特性會(huì)直接影響 MEMS 性能的地方,如壓電材料等)和晶圓封蓋。光刻也是另一道需要經(jīng)常調(diào)整的工藝,MEMS 的 3D
結(jié)構(gòu)相比于普通的平面結(jié)構(gòu)難度更高。
再次,MEMS 需要具有獨(dú)特專有的設(shè)備開發(fā)技術(shù)。例如,DRIE 通過精密刻蝕硅材料,嚴(yán)格控制深度、寬高比及側(cè)壁輪廓來實(shí)現(xiàn) 3D 結(jié)構(gòu)。刻蝕可深可淺,而且涉及到刻蝕晶圓的任意比例。開發(fā)這些刻蝕工藝的關(guān)鍵參數(shù)需要特定的 MEMS 工藝工程技術(shù),同時(shí)還需要這些專門的設(shè)備來積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。
人才壁壘也是不可忽視的一個(gè)方面。
MEMS 開發(fā)過程中相互影響的因素,如工具、設(shè)計(jì)及工藝的相互依賴,意味著成功的 MEMS 項(xiàng)目依賴于豐富的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)以及對這些影響因素的充分理解。從經(jīng)驗(yàn)上來看,MEMS 項(xiàng)目通常需要受過高等教育的工程師組建為專門化團(tuán)隊(duì)進(jìn)行集體研發(fā),工程師需要擁有至少 10 年工作經(jīng)驗(yàn),以保證研發(fā)效率及成功率,而具備前述條件的工程師十分稀缺。因此 MEMS 市場存在相當(dāng)高的人才壁壘。
MEMS行業(yè)競爭格局
MEMS 制造上連產(chǎn)品設(shè)計(jì),下接產(chǎn)品封測,是 MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈中必不可少的一環(huán)。MEMS 產(chǎn)品類別多樣、應(yīng)用廣泛,客戶定制化程度非常高,其生產(chǎn)采用的微加工技術(shù)強(qiáng)調(diào)工藝精度,屬于資金、技術(shù)及智力密集型行業(yè)。
全球范圍內(nèi),MEMS 產(chǎn)能主要集中在歐美等發(fā)達(dá)國家,目前國際主要 MEMS 代工廠商之間市場份額差距不大,且市場整體集中度較低,因此競爭較為激烈。國內(nèi)目前尚未出現(xiàn)擁有持續(xù)量產(chǎn)實(shí)踐的 MEMS 制造企業(yè),但國內(nèi)市場需求巨大,政策及產(chǎn)業(yè)合力助推 MEMS 全產(chǎn)業(yè)鏈布局,未來產(chǎn)能將部分向國內(nèi)轉(zhuǎn)移,預(yù)計(jì)短期內(nèi)國內(nèi)MEMS 市場將處于弱競爭洼地,隨著國內(nèi) MEMS 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與成熟,未來國內(nèi)MEMS 企業(yè)間摩擦將日益加劇。
從產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢上看,盡管目前 IDM 企業(yè)憑借長期的行業(yè)積累、技術(shù)實(shí)力以及客戶基礎(chǔ)主導(dǎo)著 MEMS 加工制造,隨著新興器件的涌現(xiàn)、新細(xì)分市場及應(yīng)用的開辟以及純代工 MEMS 企業(yè)在擅長領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計(jì)與加工工藝沉淀而產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)效應(yīng),能夠同時(shí)處理多類器件開發(fā)及生產(chǎn)的純MEMS 代工企業(yè)將成為制造外包業(yè)務(wù)中的強(qiáng)力競爭者。就競爭強(qiáng)度而言,部分中低端器件尤其是消費(fèi)電子類 MEMS 器件出貨量巨大且技術(shù)要求較低,商品同質(zhì)化程度較高,可預(yù)見未來細(xì)分行業(yè)市場競爭將會(huì)加劇。