你真的懂MEMS嗎？

　　二、制造環(huán)節(jié)：代工、 封測(cè)

　　統(tǒng)計(jì)的前十大中，設(shè)計(jì)全為中資而制造和封裝絕大多數(shù)為外資。但外資的成長(zhǎng)性弱于中資，所以中資制造業(yè)和測(cè)試封裝業(yè)的實(shí)際增長(zhǎng)應(yīng)高于統(tǒng)計(jì)的平均數(shù)據(jù)。尤其是測(cè)試封裝，增速均高于行業(yè)： 5 年復(fù)合增速長(zhǎng)電科技 16.5%、華天科技26.94%、通富微電 8.25%、晶方科技 34.2%。

　　IC 產(chǎn)業(yè)通過(guò)單一工藝即可支持整個(gè)產(chǎn)品世代，其產(chǎn)品制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度高，批量化生產(chǎn)相對(duì)簡(jiǎn)易。而 MEMS 產(chǎn)品種類豐富、功能各異，工藝開發(fā)過(guò)程中呈現(xiàn)出“一類產(chǎn)品，一種制造工藝”的特點(diǎn)。 MEMS 芯片或器件的種類多達(dá)上萬(wàn)、個(gè)性特征明顯，除了采用相同的硅材料外，不同的 MEMS 產(chǎn)品之間沒(méi)有完全標(biāo)準(zhǔn)的工藝，產(chǎn)品參量較多，每類產(chǎn)品品種實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)都需要從前端研發(fā)重新投入，工藝開發(fā)周期長(zhǎng)，且量產(chǎn)率較傳統(tǒng)半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)相比更低，依靠單一種類的MEMS 產(chǎn)品很難支撐一個(gè)公司。

　　雖然不同種類的 MEMS 從用途來(lái)說(shuō)截然不同，封裝形式也是天壤之別。但是從封裝結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)， 大致可以分為以下 3 類： 封閉式封裝(Closed Package)、開放空腔式封裝(Open Cavity Package)、眼式封裝(Open Eyed Package)。

　　MEMS封裝形式

　　中國(guó) MEMS 產(chǎn)業(yè)在 2009 年后才逐漸起步，目前尚未形成規(guī)模，產(chǎn)業(yè)整體處于從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)向商用量產(chǎn)轉(zhuǎn)型階段。國(guó)內(nèi) MEMS 廠家在營(yíng)業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)環(huán)境上與國(guó)外有明顯差距， 60%-70%的設(shè)計(jì)產(chǎn)品依舊集中在加速度計(jì)、壓力傳感器等傳統(tǒng)領(lǐng)域，對(duì)新產(chǎn)品(例如生物傳感器、化學(xué)傳感器、陀螺儀)的涉足不多。工藝水平與經(jīng)驗(yàn)缺失制約代工廠發(fā)展，制造環(huán)節(jié)亟需填補(bǔ)空白。

　　微機(jī)電系統(tǒng)的生產(chǎn)制造涵蓋設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)。由于系統(tǒng)器件具有高度定制化、制程控制與材質(zhì)特殊的特點(diǎn)，封裝與測(cè)試環(huán)節(jié)至少占到整個(gè)成本的 60%。因此，為了能夠在日益嚴(yán)峻的產(chǎn)品價(jià)格下跌趨勢(shì)下有效降低成本，多數(shù)無(wú)晶圓或輕晶圓MEMS 供應(yīng)商將封裝與測(cè)試環(huán)節(jié)外包給專業(yè)封測(cè)廠商，這也將為 MEMS 器件封裝及測(cè)試廠商帶來(lái)機(jī)遇。

　　隨著國(guó)家政策扶持，近兩年中國(guó) MEMS 產(chǎn)線投資興起， 2014 年國(guó)內(nèi) MEMS 代工廠建設(shè)投資超過(guò) 1.5 億美元，但是技術(shù)的匱乏和人才的缺失依然是產(chǎn)業(yè)短板。MEMS 技術(shù)與 IC 技術(shù)有本質(zhì)差異，技術(shù)核心領(lǐng)域在于工藝和制造， MEMS 制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度定制化、依賴于專用設(shè)備，且具有很強(qiáng)的規(guī)模效應(yīng)。目前，本土MEMS產(chǎn)業(yè)明顯落后國(guó)際水平，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，市場(chǎng)份額基本被Bosch、ST、 ADI、 Honeywell、 Infineon、 AKM 等國(guó)際大公司寡頭壟斷，中高端 MEMS傳感器進(jìn)口比例達(dá) 80%，傳感器芯片進(jìn)口比例高達(dá) 90%。

　　MEMS 制造目前主要分為三類，純 MEMS 代工、 IDM 企業(yè)代工和傳統(tǒng)集成電路 MEMS 代工。與其將 MEMS 看做一種產(chǎn)品倒不如把它看成一種工藝， MEMS器件依賴各種工藝和許多變量。只有經(jīng)過(guò)多年的工藝改進(jìn)及測(cè)試， MEMS 器件才能真正被商品化。研發(fā)團(tuán)隊(duì)一般需要大量時(shí)間來(lái)搜索有關(guān)工藝及材料物理特性方面的資料。利用單一一種材料(如多晶硅)制得的器件可能需要根據(jù)多晶硅的來(lái)源及沉積方法來(lái)標(biāo)記工藝中的變化。因此每一種工藝都需要長(zhǎng)期、大量的數(shù)據(jù)來(lái)穩(wěn)定一個(gè)工藝。

　　國(guó)內(nèi) MEMS 代工廠華潤(rùn)上華、中芯國(guó)際、上海先進(jìn)等，硬件條件雖與國(guó)際水平相近，但開發(fā)能力遠(yuǎn)不及海外代工廠;中國(guó) MEMS 代工企業(yè)還未積累起足夠的工藝技術(shù)儲(chǔ)備和大規(guī)模市場(chǎng)驗(yàn)證反饋的經(jīng)驗(yàn)，加工工藝的一致性、可重復(fù)性都不能滿足設(shè)計(jì)需要，產(chǎn)品的良率和可靠性也無(wú)法達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)要求。因此商業(yè)化階段的本土設(shè)計(jì)公司更愿意同 TSMC、 X-Fab、 Silex 等海外成熟代工廠合作。

　　代工環(huán)節(jié)薄弱導(dǎo)致好的設(shè)計(jì)無(wú)法迅速產(chǎn)品化并推向市場(chǎng)，極大地制約了中國(guó)MEMS 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)中游迫切需要有工藝經(jīng)驗(yàn)和高端技術(shù)的廠商填補(bǔ)洼地。雖然大部分 MEMS 業(yè)務(wù)仍然掌握在 IDM 企業(yè)中，隨著制造工藝逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，MEMS 產(chǎn)業(yè)未來(lái)會(huì)沿著傳統(tǒng)集成電路行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，將逐步走向設(shè)計(jì)與制造分離的模式。純 MEMS 代工廠與 MEMS 設(shè)計(jì)公司合作開發(fā)的商業(yè)模式將成為未來(lái)業(yè)務(wù)模式的主流。

　　MEMS 代工企業(yè)類型比較

　　MEMS 技術(shù)自八十年代末開始受到世界各國(guó)的廣泛重視，對(duì)比傳統(tǒng)集成電路，該系統(tǒng)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，體積小、重量輕，最大不超過(guò)一個(gè)厘米，甚至僅僅為幾個(gè)微米，其厚度更加微小。 MEMS 的原材料以硅為主，價(jià)格低廉，產(chǎn)量充足批量，良率高。同時(shí)使用壽命長(zhǎng)，耗能低，但由于 MEMS 的工藝難度高，其良率仍然與傳統(tǒng) IC 制造相比有一定的差距。

　　就工藝方面，目前全球主要的技術(shù)途徑有三種，一是以美國(guó)為代表的以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ)的硅基微加工技術(shù);二是以德國(guó)為代表發(fā)展起來(lái)的利用 X 射線深度光刻、微電鑄、微鑄塑的 LIGA 技術(shù);三是以日本為代表發(fā)展的精密加工技術(shù)，如微細(xì)電火花 EDM、超聲波加工。

　　盡管 MEMS 和 IC 在封裝和外觀上具有相似性，但實(shí)質(zhì)上 MEMS 在芯片設(shè)計(jì)和制造工藝方面與 IC 不同。 IC 一般是平面器件，通過(guò)數(shù)百道工藝步驟，在若干個(gè)特定平面層上使用圖案化模板制造而來(lái)，表現(xiàn)出特定的電學(xué)或電磁學(xué)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬、數(shù)字、計(jì)算或儲(chǔ)存等特定任務(wù)。理想狀態(tài)下， IC 基本元件(晶體管)是一種純粹的電學(xué)器件，幾乎所有的 IC 應(yīng)用和功能方面具有共通性。相對(duì)地，MEMS 是一種 3D 微機(jī)械結(jié)構(gòu)?；诠韫に嚰夹g(shù)， MEMS 相比于傳統(tǒng)的“大型器件”，微米級(jí)別的 MEMS 器件能夠更廣泛、靈活地應(yīng)用在汽車電子、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

　　國(guó)內(nèi) MEMS 主要的傳感器設(shè)計(jì)公司有美新半導(dǎo)體、明皜傳感、矽睿科技、深迪半導(dǎo)體、敏芯微電子等。 同時(shí)國(guó)內(nèi) MEMS 企業(yè)規(guī)模還相對(duì)較小，單個(gè)企業(yè)較少有年銷售額超過(guò) 1 億美金; 高端傳感器還主要是以進(jìn)口產(chǎn)品為主，整個(gè) MEMS 傳感器主要以國(guó)外品牌為主。根據(jù)《中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(2014)》顯示中國(guó)中高端傳感器的進(jìn)口比例達(dá) 80%，傳感器芯片的進(jìn)口比例更高達(dá) 90%，顯示本土中高端傳感器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的落后。從產(chǎn)品使用領(lǐng)域結(jié)構(gòu)來(lái)看， 國(guó)內(nèi) MEMS 公司在營(yíng)業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、與國(guó)外有明顯差距， 60%-70%的設(shè)計(jì)產(chǎn)品集中在加速度計(jì)、壓力傳感器等傳統(tǒng)領(lǐng)域。工藝開發(fā)是我國(guó) MEMS 行業(yè)目前面臨最主要的問(wèn)題， 產(chǎn)品在本身技術(shù)實(shí)力和生產(chǎn)工藝還有待于進(jìn)步。

　　中國(guó)傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

　　雖然國(guó)內(nèi)主要集中在初級(jí)階段，中低端應(yīng)用。 但從近幾年的發(fā)展來(lái)看， 中國(guó)地區(qū)已經(jīng)成為過(guò)去五年全球 MEMS 市場(chǎng)發(fā)展最快的地區(qū)。 2015 年，我國(guó) MEMS 市場(chǎng)規(guī)模接近 300 億元，且連續(xù)兩年增幅高達(dá) 15%以上;而且從中長(zhǎng)期來(lái)看，國(guó)內(nèi) MEMS 行業(yè)的發(fā)展增速會(huì)快于國(guó)外， 到 2020 年，我國(guó)傳感器市場(chǎng)增幅將進(jìn)一步提升，年平均增長(zhǎng)率將達(dá)到 20%以上，繼續(xù)保持全球前列。