淺析MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程

日前，賽微電子發(fā)布了其最新的募資說(shuō)明書(shū)，在說(shuō)明書(shū)里面，他們對(duì)MEMS行業(yè)進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的描述，現(xiàn)在我們將其摘錄如下，以饗讀者。

據(jù)介紹，MEMS 的全稱是微型電子機(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(wú)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(zhǎng)起來(lái)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(chǎng)的擴(kuò)張，使得MEMS 應(yīng)用越來(lái)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(chǎng)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(chǎng)在不斷創(chuàng)新中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2008 年以前，汽車電子是 MEMS 主要應(yīng)用市場(chǎng)；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(chǎng)；在未來(lái)，隨著智能化場(chǎng)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(zhǎng)。

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(chǎng)規(guī)模為 115 億美元，考慮到 COVID-19 疫情影響，2020 年 MEMS 市場(chǎng)規(guī)模將下滑至 109 億美元，預(yù)計(jì)到 2025 年 MEMS 市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至 177 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá) 7.4%。從市場(chǎng)細(xì)分領(lǐng)域來(lái)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)域的增速也將非常可觀。

在消費(fèi)電子、工業(yè)及汽車電子應(yīng)用的巨大市場(chǎng)和快速發(fā)展的強(qiáng)力拉動(dòng)下，中國(guó)地區(qū)已經(jīng)成為過(guò)去五年 MEMS 市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展最快的地區(qū)。中國(guó)作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，對(duì) MEMS 傳感器的市場(chǎng)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(guó)市場(chǎng)，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(kāi)始了對(duì)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(cè)系統(tǒng)等需求增長(zhǎng)，巨大利潤(rùn)空間驅(qū)使歐洲、日本和美國(guó)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(duì) 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(duì) 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(shì)。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(chǎng)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(lái)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(yíng)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(lái)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(cè)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(kāi)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(duì)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(chǎng)中，一方面 IDM 企業(yè)受到來(lái)自升級(jí)產(chǎn)業(yè)線以及降低成本維持利潤(rùn)的雙重壓力，市場(chǎng)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)、集成的復(fù)雜性卻形成了較高的行業(yè)門(mén)檻，阻礙了市場(chǎng)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(kāi)發(fā)產(chǎn)品的商業(yè)模式將成為未來(lái)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(shì)，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(yíng)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(lái)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(kāi)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(cè)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(cè)試所有環(huán)節(jié)。由于晶圓制造、封裝和測(cè)試的生產(chǎn)線建設(shè)均需要巨額資金投入，因此 IDM 模式對(duì)企業(yè)的研發(fā)力量、資金實(shí)力和市場(chǎng)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(guò)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(lái)，隨著 MEMS 技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)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(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(wú)法僅僅通過(guò)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(méi)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(duì)每個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品采取不同的工藝策略。在生產(chǎn)過(guò)程中，往往需要同時(shí)對(duì)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(cè)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(yíng)。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(chǎng)混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸更小，最大的不超過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)始設(shè)計(jì)工藝。每一項(xiàng)工藝都需要經(jīng)過(guò)工藝開(kāi)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(kāi)發(fā)技術(shù)。例如，DRIE 通過(guò)精密刻蝕硅材料，嚴(yán)格控制深度、寬高比及側(cè)壁輪廓來(lái)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(kāi)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(mén)的設(shè)備來(lái)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(kāi)發(fā)過(guò)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(duì)這些影響因素的充分理解。從經(jīng)驗(yàn)上來(lái)看，MEMS 項(xiàng)目通常需要受過(guò)高等教育的工程師組建為專門(mén)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(chǎng)存在相當(dāng)高的人才壁壘。

MEMS行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局

MEMS 制造上連產(chǎn)品設(shè)計(jì)，下接產(chǎn)品封測(cè)，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(guó)家，目前國(guó)際主要 MEMS 代工廠商之間市場(chǎng)份額差距不大，且市場(chǎng)整體集中度較低，因此競(jìng)爭(zhēng)較為激烈。國(guó)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(lái)產(chǎn)能將部分向國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)移，預(yù)計(jì)短期內(nèi)國(guó)內(nèi)MEMS 市場(chǎng)將處于弱競(jìng)爭(zhēng)洼地，隨著國(guó)內(nèi) MEMS 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與成熟，未來(lái)國(guó)內(nèi)MEMS 企業(yè)間摩擦將日益加劇。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)上看，盡管目前 IDM 企業(yè)憑借長(zhǎng)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(chǎng)及應(yīng)用的開(kāi)辟以及純代工 MEMS 企業(yè)在擅長(zhǎng)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(kāi)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(jìng)爭(zhēng)者。就競(jìng)爭(zhēng)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(jiàn)未來(lái)細(xì)分行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)加劇。
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