随着5G与物联网的快速发展,中国MEMS市场迎来新的增长机遇。

在中国制造战略中,前几年唱主角的是主机装备等大国重器,而处在感知最前端的传感器,则是微不足道的配角。然而,传感器往往是处于一切工业产品的最前沿阵地,它提供了感知物理世界的第一道哨卡,其在现代信息技术产业中,重要性并不输芯片。

为避免国产传感器进入像芯片那样的窘境,国家不断在科技创新规划中加强传感器的地位。各企业也响应号召积极投产,其中最有代表性的就有MEMS传感器。

MEMS传感器就是把一颗MEMS芯片和一颗专用集成电路芯片(ASIC芯片)封装在一块后形成的器件,用于探测和检测物理、化学、生物等现象和信号。

随着全球电子制造产业链加速向亚太地区转移,凭借成本等优势,MEMS产业重心也不断东迁,中国自然成为MEMS发展潜力最大、增速最快的市场。尤其是5G与物联网的快速发展,对MEMS产业产生深远影响,催生出大量创新产品及应用,带动MEMS产品在工业生产及日常生活的普及化,使得中国MEMS 市场迎来新的增长机遇。

在消费电子领域,5G换机潮使单部手机 MEMS 传感器数量不断增加;智能家居和可穿戴设备的兴起也有效扩大 MEMS 传感器的市场空间。

汽车电子是 MEMS 产品的第二大市场,汽车自动化程度提高和政府推出的汽车安全规定也给 MEMS 传感器的应用带来机遇。

智能制造和医疗领域同样存在较大市场机会,其中医用MEMS传感器已成为智慧医疗的核心。

其中,消费电子是MEMS的第一大市场,占比44%,汽车领域位居第二,占比24%,医疗设备占比17%。

此外,近几年国内MEMS市场增长几乎每年保持在20%,即便是疫情爆发的2020年,MEMS市场增速也达到了23%,是当年GDP增速的10倍,我们的市场应用正处于快速增长阶段,预计2022年市场将会突破1000亿,并且未来每年还会保持20%左右的速度持续增长。

那么,MEMS有何优势可以吸引如此巨大的增量市场?

MEMS的优势

用MEMS工艺制造的传感器具有微型化、集成化、可大批量生产等特点。同时,MEMS传感器不仅能够感知被测参数,将其转换成方便度量的信号;而且能对所得到的信号进行分析、处理和识别、判断,因此MEMS也被称为智能传感器。

微型化:MEMS器件体积小,一般单个MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位,重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。MEMS更高的表面体积比可以提高表面传感器的敏感程度。

可批量生产:以单个5mm*5mm尺寸的MEMS传感器为例,用硅微加工工艺在一片8英寸的硅片晶圆上可同时切割出大约1000个MEMS芯片,批量生产可大大降低单个MEMS的生产成本。

集成化:MEMS在封装机械传感器的同时,还会通过集成ASIC芯片,来控制MEMS芯片以及转换模拟量为数字量输出。与此同时,微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。随着MEMS的工艺的发展,现在倾向于单个MEMS芯片中整合更多的功能,实现更高的集成度。

MEMS产业模式

Fabless+Foundry模式:芯片设计企业专注于 MEMS 芯片及其产品结构的设计,完成设计后交由第三方晶圆厂生产制造出 MEMS 芯片,经过封装测试后实现向消费电子、汽车、医疗和工控等应用领域客户的出货。

IDM模式:IDM 企业即垂直整合器件制造商,该类厂商除了进行集成电路设计之外,一般还拥有自有的封装厂和测试厂,其业务范围涵盖集成电路的设计、制造、封装和测试所有环节。除自主设计传感器外,需配套大量传感器制造和封装测试所需设备,资金投入大。由于IDM模式对技术积累、生产规模和资金实力等方面要求高,采用该模式的企业均为全球大型MEMS传感器企业。

外购芯片封测模式:国产MEMS封装产业在全球范围内处于相对领先的地位,但高端测试设备仍被国外龙头企业垄断。且中国MEMS压力传感器行业起步较晚,本土企业在传感器设计方面的技术积累薄弱,本土企业多通过外采海外传感器企业设计好的芯片以及与传感器配套的其他芯片如ASIC信号调理电路芯片,自行或委托代工厂完成传感器的封装和测试,再将传感器成品销售给下游终端客户的方式。

全球MEMS龙头主要以IDM垂直整合制造为主,即涵盖IC设计、IC制造、封装测试等各个环节,甚至延伸到下游终端集成,其利用内部资源整合优势,从MEMS 设计到制造所需时间较短,并大部分拥有自己的知识产权,技术开发能力较强,具有技术领先优势。目前全球 MEMS 龙头主要包括意法半导体、德州仪器、博世、博通和 Qorvo、楼氏电子等。

那么,是不是可以说MEMS产业更适合IDM模式?

实则不然。

MEMS具有“一类产品,一种制造工艺”的特点。随着新兴器件的涌现、新细分市场及应用的开辟以及纯代工 MEMS 企业在擅长领域内的设计与加工工艺沉淀而产生的经验效应,能够同时处理多类器件开发及生产的纯MEMS 代工企业将成为制造外包业务中的强力竞争者。就竞争强度而言,部分中低端器件尤其是消费电子类 MEMS 器件出货量巨大且技术要求较低,商品同质化程度较高,随着IDM 企业受到来自升级产业线以及降低成本维持利润的压力不断增加Fabless+Foundry模式品的商业模式将成为未来行业业务模式的主流。

在中国MEMS产业即将步入黄金机遇期之际,国内企业的代工能力已和国外不相上下。不过中国MEMS产业要彻底实现我国MEMS产业的飞速发展和自主可控,最关键的是需要MEMS芯片的设计和代工制造搭建完整的产业链齐头并进,因此市场源源不断的涌现一些IDM企业,与代工企业探索新的市场机会,开启攻坚战。

国产攻坚

歌尔股份(代工):中国微型麦克风代表性企业,在微型麦克风领域,市场占有率居世界同行业之首。歌尔在2020年全球MEMS厂商营收排名中升至第六位,继去年首次跻身前十后,仅用一年时间排名升至第六,也是前十名中唯一一家中国企业。

瑞声科技(代工):瑞声科技在设计和大批量高精密制造方面有近三十年经验,在微型声学、触觉、MEMS麦克风领域,分别被工信部认定为我国制造业单项冠军示范企业。现已成为全球领先的同行、IT及消费电子市场微型元器件整体方案供货商。

敏芯微电子(IDM&代工):敏芯作为中国最早成立的MEMS研发公司之一,现已拥有完整的芯片设计、晶圆制造、封装与测试等全产业链的自主研发设计能力,凭借完全自主设计的MEMS芯片与ASIC芯片成功打破了国外厂商长期垄断的格局。

美新半导体 (IDM):美新半导体在无锡建有8英寸MEMS磁、惯性传感器封测产线。2021年7月,据绍兴滨海新区管委会公示公告,美新半导体将在绍兴建设MEMS磁传感器生产线及加速度传感器工艺开发实验线,该产线预计年产6亿颗MEMS芯片。

赛微电子 (代工):2021年6月北京8英寸MEMS产线(北京FAB3)一期建成生产,目前月产约1万片。FAB3二三期工程正在进行,全部投产后,预计FAB3总产能达3万片每月。

中芯集成电路制造(绍兴)(代工):中芯国际的MEMS方案主要集中在MEMS麦克风、加速度计、陀螺仪、压力、显微镜、超声波传感器、射频器件。2020年第四季度一期产能扩产至每月4万片晶圆,近期其成功完成晶圆设备链调试,8英寸晶圆月产能增至7万片,良品率达99%。

上海先进半导体(代工):先进半导体由传统模拟芯片代工厂转型MEMS代工, 目前有5英寸、6英寸、8英寸晶圆生产线,MEMS生产线可以代工的器件包括:三轴陀螺 仪、加速度计、生物MEMS芯片、光学MEMS、RFMEMS、微流体开关、压力传感器等,可被广泛应用于消费电子、医疗电子以及汽车电子等领域。目前,该MEMS生产平台拥有世界最先进的深槽刻蚀、键合、硅片边缘修整等设备,设计月产量可达3000片。

华润微电子(IDM&代工):拥有3条6英寸线,其中MEMS产线是国内规模最大的与CMOS生产线兼容的MEMS传感器量产生产线,具有国内领先水平的 MEMS 表面和体硅加工技术。并且华润微电子8寸MEMS的3000片/月产能扩充已经完成,并投入使用。光电及MEMS麦克风工艺平台从6英寸升级到8英寸,实现批量生产,产品性能及良率水平优秀。

士兰微电子(IDM):杭州士兰微是国内规模最大的IDM企业之一。自2010年开始,士兰微电子投入大量资金,通过对加速度传感器、地磁传感器、压力传感器等一系列传感器产品的开发,在6寸、8寸芯片生产线上实现了批量制造能力,并建立自己的MEMS封测生产线,初步走通了系列传感器的IDM发展之路,已申请相关发明专利百余项。

中科院微电子所(中试线):2016年由中科院微电子所设立的MEMS研发平台,其8英寸MEMS中试线工艺稳定性达到98%;针对三轴重力加速度计、基于氧化钒的红外图像传感器、医用CT中X-ray探测、基于薄膜体声波滤波器(FBAR)、MEMS红外探测器等产品。

政策支持

在政策护航、研发生产体系完善的大环境下, MEMS 行业提获利颇丰,半导体芯片行业作为信息产业中的基础和核心部分,是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业。国家也在持续关注并大力支持传感器行业的发展,并政策层面对智能传感器产业已有较多支持。

MEMS传感器利好政策