MEMS行業(yè)有哪些困難

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)給MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器帶來了新的機(jī)會(huì)，但芯片廠商面對(duì)新機(jī)會(huì)卻非常謹(jǐn)慎。

造成這種局面的原因有幾個(gè)。MEMS系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造與測試上都有難點(diǎn)，像模擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)一樣，市場要求MEMS產(chǎn)品性能出色。MEMS芯片都是為某種應(yīng)用定制的產(chǎn)品，這些由可動(dòng)的微機(jī)械部件與高級(jí)電子控制部件構(gòu)成的MEMS芯片很多都是工程奇跡。

然而，產(chǎn)品的價(jià)格并不與產(chǎn)品的重要性或者開發(fā)難度成正比。以加速度計(jì)、陀螺儀以及容式觸摸屏傳感器為例，這些傳感器如今被廣泛應(yīng)用在智能手機(jī)當(dāng)中，大的手機(jī)廠商很容易利用一個(gè)小供應(yīng)商來壓低另一家供應(yīng)商的價(jià)格。雖然這些傳感器出貨量巨大，但是平均售價(jià)也在直線下跌。

“從陀螺儀和加速度計(jì)來看，價(jià)格每季度下跌３％至５％，”應(yīng)用材料技術(shù)８英寸線事業(yè)部市場總監(jiān)Mike Rosa說，“不少M(fèi)EMS行業(yè)的企業(yè)家談?wù)摷澳壳暗睦Ь?。系統(tǒng)廠商對(duì)于MEMS產(chǎn)品需求量很大，但是它們已經(jīng)把價(jià)格殺到MEMS廠商難以為繼的地步。何況每一代新產(chǎn)品，并不隨價(jià)格下降而在制造上變得容易?！?/p>

Mike的觀點(diǎn)得到了晶圓代工廠的響應(yīng)，“現(xiàn)在是MEMS產(chǎn)業(yè)的困難時(shí)期，”聯(lián)電商業(yè)管理副總裁Walter Ng說，“MEMS產(chǎn)品都是定制化開發(fā)，但系統(tǒng)廠商要求通用商品級(jí)的價(jià)格。如果把價(jià)格壓低到商品級(jí)，那么MEMS生意將很難做，所以現(xiàn)在業(yè)界在推動(dòng)MEMS產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化。但即便MEMS產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化了，仍然會(huì)存在很多定制化工藝的需求。”

因?yàn)闆]有足夠的利潤支撐，價(jià)格壓力或使出貨量最大的MEMS產(chǎn)品失去創(chuàng)新的動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)MEMS廠商去尋找成本壓力較小的市場，“MEMS市場的新機(jī)會(huì)是MEMS麥克風(fēng)（又稱硅麥），對(duì)于錄音要求較高的場合通常會(huì)使用多顆硅麥，”Coventor工程副總裁 Stephen Breit說，“我們也看到市場對(duì)于微超聲波傳感器在指紋識(shí)別與手勢探測方面的應(yīng)用需求，微超聲波傳感器比電容式MEMS傳感器容忍噪聲的能力更強(qiáng)，在汽車上該類型傳感器的應(yīng)用也很廣泛，例如安全功能?！?/p>

什么是MEMS器件

顧名思義，MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）就是由將機(jī)械部件和電子部件組合在一起的一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)品。MEMS可以包含一些可動(dòng)部件，但是有的MEMS也不含可動(dòng)部件。MEMS產(chǎn)品有的非常簡單，有的特別復(fù)雜。

2006年之前，除了汽車氣囊與噴墨打印機(jī)墨盒之外，很少見到MEMS產(chǎn)品在其他市場的應(yīng)用。2006年任天堂首先把加速度計(jì)引入到其游戲機(jī)Wii中，隨后MEMS市場開始爆發(fā)，包括智能手機(jī)在內(nèi)的各種移動(dòng)設(shè)備都可以找到MEMS產(chǎn)品的應(yīng)用。

在如今的智能手機(jī)中，從微閥（microvalve）、微鏡（micromirror）、用于麥克風(fēng)的壓力傳感器到可以測量血液的片上實(shí)驗(yàn)室（labs-on-chip），到處都可以找到MEMS芯片。

MEMS產(chǎn)品通常用比較成熟的工藝就可以制造，但是有些技術(shù)要用到先進(jìn)工藝。MEMS產(chǎn)品用到的先進(jìn)工藝包括各種類型的沉積方法（CVD、PVD、低壓CVD以及ALD），各種類型的光刻技術(shù)，以及包括深層離子刻蝕在內(nèi)的多種蝕刻方法。MEMS用到的材料包括SOI襯底與鈧薄膜（scandium thin film）。

MEMS芯片大致可以分為一下四類：

容式，該類型技術(shù)可用于偵測任何導(dǎo)電信號(hào)。觸摸屏和指紋傳感器用到的容式MEMS技術(shù)。

陀螺儀式，該類型器件用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的器件探測任何方向上的加速度。

壓電式，壓電式器件將機(jī)械壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這種薄膜器件剛開始推廣，業(yè)界期望壓電式MEMS器件可用在包括能量收集在內(nèi)的多種應(yīng)用上。

激光式，激光MEMS器件仍在開發(fā)階段，該類型器件可以為不同應(yīng)用微調(diào)激光，汽車大燈或聲光濾波器是典型應(yīng)用場景。

根據(jù)MNX（MEMS and Nanotechnology Exchange，一家MEMS代工廠）的定義，通常一個(gè)MEMS系統(tǒng)包含四種基本元器件：微型傳感器、微型執(zhí)行器、微電子與微架構(gòu)。

開發(fā)一款MEMS產(chǎn)品要綜合考慮價(jià)格因素（影響研發(fā)與制造）、技術(shù)成熟度以及具體應(yīng)用所需的性能。

新方法

MEMS在手機(jī)市場應(yīng)用越來越廣泛，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用市場前景更為廣闊，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用都需要傳感器，其中很多就是MEMS傳感器。一些MEMS產(chǎn)品會(huì)被標(biāo)準(zhǔn)化，成為商品級(jí)產(chǎn)品從而降價(jià)，另外一些則會(huì)在性能上要求更多。

“有五種MEMS產(chǎn)品年銷售超過10億顆，年銷售額也超過了10億美元，硅麥克風(fēng)就是其中之一，”應(yīng)用材料的Mike Rosa說，“硅麥克風(fēng)守住了毛利率底線。一部手機(jī)可以有很多功能，但是如果麥克風(fēng)壞了那就成為一塊磚頭。硅麥克風(fēng)性能的提升也帶來了開發(fā)新應(yīng)用的可能，例如在汽車噪音消除方面就有很多新方向?！?/p>

他提到MEMS麥克風(fēng)正在從容式改為壓電式，采用新材料的硅麥克風(fēng)性能得到了提升。

SOI也是這樣的材料。采用SOI材料的晶圓更厚，這樣在加工上比較容易，從而可以降低成本。一些早期的MEMS芯片使用的晶圓只有2到4微米厚。

“MEMS傳感器還有很大的性能提升空間，特別是工業(yè)與軍事應(yīng)用領(lǐng)域，即使是慣性傳感器也有空間提升，”Conventor的Breit說，“對(duì)于消費(fèi)電子來說，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)‘足夠好’了。不過物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴產(chǎn)品通常要求更小的尺寸，這樣才能放入最終產(chǎn)品里去?！?/p>

測試

測試MEMS器件需要不同的方法，因?yàn)橛行㎝EMS芯片包含可動(dòng)作的機(jī)械器件，測試時(shí)需要搖動(dòng)器件來測試移動(dòng)范圍與結(jié)構(gòu)的一致性，但是這種測試各自有相應(yīng)的問題，例如成本。

“用大型ATE設(shè)備測試成本敏感型MEMS器件有點(diǎn)像大炮打蚊子，并不適合，”NI首席市場開發(fā)經(jīng)理 Joey Tun說，“不過現(xiàn)在已經(jīng)有一點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢，每一個(gè)半導(dǎo)體公司都把MEMS當(dāng)作重要的IP資產(chǎn)，并開發(fā)自己的測試方案。與傳統(tǒng)測試方法完全不同，需要很多垂直領(lǐng)域的知識(shí)。”

Tun表示僅MEMS封裝本身就可能會(huì)需要線性加速測試或旋轉(zhuǎn)測試，當(dāng)然芯片公司可以基于公開平臺(tái)來定制化自己的測試需求。

“用戶決定MEMS器件如何測試，”他說，“例如，汽車級(jí)產(chǎn)品就對(duì)測試要求嚴(yán)格得多?，F(xiàn)在，測試成本占了MEMS產(chǎn)品的成本的30%至50%。雖然測試成本有下降的趨勢，但物理世界還是給測試造成了很多麻煩。物理刺激（physical stimulus）有其本身的不確定性，需要微調(diào)和校正，但如果真對(duì)物理刺激進(jìn)行微調(diào)，還是非常花時(shí)間的?！?/p>

技術(shù)提高

為滿足新一代射頻濾波器與壓電式MEMS（用于噴墨打印機(jī)）的需求，人們開始把鈧和摻雜氮化鋁等新材料引入到MEMS中，因此微調(diào)和測試在MEMS產(chǎn)業(yè)中變得越來越普遍。

“噴墨打印機(jī)最開始采用溶劑型墨水，現(xiàn)在采用臘型（wax-based）墨水，”應(yīng)用材料的Rosa說，“要讓臘在100℃融化，才能噴射出去。但是要噴射更粘稠的材料，需要采用一個(gè)能輸出高壓力的致動(dòng)器（actuator），壓電致動(dòng)器就是可輸出這種高壓力的器件?！?/p>

Rosa表示在射頻濾波器與指紋識(shí)別傳感器中，采用鈧材料的情況越來越普遍，這些器件中鈧的濃度在5%到40%左右，每5%的濃度相當(dāng)于1分貝信噪比。“射頻濾波器的頻率響應(yīng)曲線基本是個(gè)鐘形，鈧材料可以讓頻響曲線的兩邊更為陡峭，所以提高了信噪比。”

目前為止，幾乎所有的MEMS都是由8英寸晶圓產(chǎn)線制造的。不過由于汽車電子與物聯(lián)網(wǎng)需求的不斷攀升，導(dǎo)致8英寸產(chǎn)線利用率極高，晶圓代工廠開始考慮能否用12英寸晶圓制造MEMS，是否可行還要看是否12英寸MEMS有足夠的利潤率以保證投資能夠收回來。

“在MEMS制造中，工藝尺寸縮小與流程復(fù)用很多時(shí)候并不適用，因?yàn)槠涫欠菢?biāo)準(zhǔn)化的，”聯(lián)電的Ng說，“在一些特殊應(yīng)用方面我們成功了，出貨量大，也有規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。但是有些MEMS器件的生產(chǎn)制造還存在不少挑戰(zhàn)，它們體積很小，用量又不多。由于芯片面積小，所以每個(gè)月用到的晶圓數(shù)量不大。”

然而，8英寸晶圓存在一些局限。用8英寸晶圓制造的陀螺儀放不下大側(cè)壁（sidewall），采用12英寸晶圓就可以解決這個(gè)問題。Rosa表示，因?yàn)楝F(xiàn)在把ASIC（專用集成電路，很多是12英寸工藝）和MEMS芯片放在一起加工的情況越來越多，因此把兩片12英寸晶圓綁定在一起越來越簡單，成本也越來越低。

“ASIC正在變得越來越復(fù)雜，開發(fā)人員在努力把更多的功能集成到一顆芯片上，”Rosa說，“在MEMS行業(yè)我們看到三個(gè)趨勢：驅(qū)動(dòng)器件的新器件、現(xiàn)有器件的新應(yīng)用以及持續(xù)的價(jià)格下跌。MEMS公司必須在價(jià)格策略方面更具創(chuàng)意?！?/p>

這些更具創(chuàng)意的策略包括晶圓綁定、將ASIC和MEMS封在一個(gè)先進(jìn)封裝里面，或者直接用CMOS工藝制造MEMS，從而將ASIC與MEMS封裝成單顆芯片。

結(jié)論

毫無疑問，MEMS在很多市場扮演越來越重要的角色。壓力和運(yùn)動(dòng)傳感器是物聯(lián)網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵部件，MEMS是一項(xiàng)核心技術(shù)。

但由于MEMS產(chǎn)品的價(jià)格下跌無法阻止，未來幾年整個(gè)MEMS市場規(guī)?？赡芡诂F(xiàn)在的水平。除非通過足夠多的并購使得市場上只剩巨頭玩家，或者開發(fā)出新的需求使得供不應(yīng)求，這樣才有可能保證足夠高的投資回報(bào)率，并讓MEMS企業(yè)有資金投入到新技術(shù)與新工藝的開發(fā)。

至少現(xiàn)在來看，很多公司仍然在權(quán)衡將來的策略，這些公司仍然在設(shè)計(jì)制造大量的MEMS芯片，但是未來幾年會(huì)怎樣，誰也說不清。