傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商對(duì)MEMS的思考
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最近幾年來(lái)MEMS（Micro Electro MECHANICAL Systems）技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了迅猛的發(fā)展，MEMS產(chǎn)品已經(jīng)有了開(kāi)拓性的應(yīng)用，MEMS產(chǎn)業(yè)鏈將會(huì)迅速掘起，預(yù)計(jì)2007年全球MEMS元器件銷售總額將突破70億美元。
目前世界上生產(chǎn)MEMS 的20強(qiáng)中多數(shù)是從事集成電路的廠家。它們把MEMS當(dāng)成是集成電路發(fā)展的一個(gè)分支。僅管耗硅量不大，但是銷售額非常驚人，利潤(rùn)遠(yuǎn)高于一般的集成電路。大多數(shù)MEMS產(chǎn)品全面商品化的時(shí)間在最近5年之內(nèi)，因此可以說(shuō)MEMS是一個(gè)新興的工業(yè)，現(xiàn)在正趨于黃金發(fā)展時(shí)期。
我國(guó)在MEMS的壓力傳感器、加速度計(jì)、慣性傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、熱對(duì)流式多軸加速度傳感器、打印機(jī)上的噴墨頭傳感器和手機(jī)上的MEMS麥克風(fēng)等產(chǎn)品方面，從理論研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)技術(shù)方面都已有所突破，日趨成熟。
在消費(fèi)電子產(chǎn)品帶動(dòng)下，基于MEMS的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器市場(chǎng)日漸火爆。預(yù)計(jì)2006年，全球市場(chǎng)麥克風(fēng)銷售量為25億只，MEMS產(chǎn)品占據(jù)其中8%的市場(chǎng)份額。到2008年，預(yù)計(jì)在30億只麥克風(fēng)市場(chǎng)中MEMS產(chǎn)品占據(jù)15%，復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)240%。
汽車電子對(duì)MEMS的需求量也在不斷地增長(zhǎng)，如安全氣囊需要的加速度傳感器、汽車剎車系統(tǒng)壓力傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器、懸掛系統(tǒng)雙歧路壓力傳感器、汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)（TPMS）等均已普遍采用，汽車生產(chǎn)廠家選用國(guó)產(chǎn)化率不斷增高，促進(jìn)國(guó)內(nèi)的MEMS產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和相關(guān)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。汽車電子將是MEMS系列產(chǎn)品切入的最佳機(jī)會(huì)。同樣，消費(fèi)電子產(chǎn)品的量大面廣，對(duì)MEMS的需求量將達(dá)天文數(shù)字，如手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、胎壓計(jì)、血壓計(jì)、櫥用秤、健康秤、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、微波爐、烤箱、熱水器等需要低成本的各種MEMS Die。而工業(yè)電子如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱重等儀器儀表也正在擴(kuò)大使用MEMS的壓力、加速度等傳感器。
傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商對(duì)MEMS的思考
傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商增加MEMS生產(chǎn)和太陽(yáng)能硅片的生產(chǎn)是未來(lái)做大、做好、做強(qiáng)的革命性選擇，產(chǎn)品多樣化和加強(qiáng)企業(yè)的應(yīng)變能力是做贏的有力措施。
傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商的4” 、5” 生產(chǎn)線正面臨淘汰，即使用來(lái)生產(chǎn)LDO也只有非常低的利潤(rùn)，如將其中一部分轉(zhuǎn)而生產(chǎn)MEMS則可獲較高的利潤(rùn)。
4” 線上的每一個(gè)圓晶片可生產(chǎn)合格的MEMS壓力傳感器Die 5-6K個(gè)，每個(gè)Die出售后可獲成本7-10倍的毛利。
轉(zhuǎn)產(chǎn)MEMS改動(dòng)工藝不大、新增輔助設(shè)備有限，投資少、效益高，當(dāng)然新的工藝需要學(xué)習(xí)、熟練和磨合，轉(zhuǎn)產(chǎn)需要時(shí)間，不會(huì)一蹴而就。
MEMS芯片與IC芯片整合、封裝在一起是集成電路技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，也是傳統(tǒng)IC廠商的新機(jī)遇，企業(yè)只有做新才能獲取更多的利潤(rùn)。GE的NPX2 TPMS傳感器是NovaSenso的壓力/加速度Die +PHILIPS的MCU（PCH7970）Die，英飛凌(INFINEON）的SP30 TPMS傳感器是SensoNor的壓力/加速度Die +PHILIPS的MCU（PCH7970）Die。將MEMS Die和ASIC Die封裝在一個(gè)芯片內(nèi)在當(dāng)今已經(jīng)是一種成熟的技術(shù)。
汽車用MEMS壓力傳感器芯片市場(chǎng)
全球MEMS芯片行業(yè)目前呈專業(yè)壟斷的現(xiàn)狀，據(jù)國(guó)外資料分析，其中車用壓力傳感器芯片市場(chǎng)被GE Novasensor占據(jù)41%以上。但是要不了多久，中國(guó)的份額一定會(huì)擴(kuò)大。
網(wǎng)上2002—2008年全球及中國(guó)車用MEMS壓力傳感器芯片（Die）銷售預(yù)測(cè)如圖1所示。需求量呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。
國(guó)內(nèi)MEMS芯片（Die）供應(yīng)商主要有：上海微系統(tǒng)所、沈陽(yáng)儀表所、電子部13研究所、北京微電子所等，目前形成生產(chǎn)的主要是MEMS壓力傳感器芯片（Die）。據(jù)有關(guān)部門調(diào)研國(guó)內(nèi)幾家主要生產(chǎn)廠家與美國(guó)GE公司車用MEMS壓力傳感器Die的成本、批量售價(jià)如表1所示。由此可見(jiàn)MEMS的毛利是相當(dāng)高的。
圖1 2002—2008年車用MEMS壓力傳感器芯片（Die）銷售預(yù)測(cè)
表1 國(guó)內(nèi)外車用MEMS壓力芯片供應(yīng)商情況對(duì)比
MEMS壓力傳感器Die的典型產(chǎn)品如P592，它是用MEMS技術(shù)在硅片上刻融一硅杯形成一壓力腔，在其杯底制作一個(gè)以電阻應(yīng)變計(jì)為四個(gè)橋臂的惠斯頓電橋。其電原理圖和Die上的硅電路如圖2。MEMS壓力傳感器Die 實(shí)物如圖3，邦定在PCB板上如圖4，邦定在壓力傳感器腔內(nèi)如圖5，圖6是工業(yè)用壓力變送器MEMS Die局部圖。
圖2 P592電原理圖和Die上的硅電路
圖3 MEMS Die實(shí)物 圖4 邦定在PCB板 圖5 邦定在壓力傳感器腔內(nèi)
圖6 工業(yè)用壓力變送器MEMS Die 局部圖
MEMS芯片在設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)方面與IC的異同
與傳統(tǒng)IC行業(yè)注重二維靜止的電路設(shè)計(jì)不同，MEMS是以理論力學(xué)為基礎(chǔ)， 結(jié)合電路和微機(jī)械原理設(shè)計(jì)的三維動(dòng)態(tài)產(chǎn)品。
對(duì)于在微米尺度進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)更多地依靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐。
MEMS的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具也與傳統(tǒng)IC有所不同，但傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)IC的工具還是需要使用。
MEMS加工除使用大量傳統(tǒng)IC工藝外，還需要一些特殊工藝，如雙面刻蝕，雙面光刻等，較傳統(tǒng)IC工藝簡(jiǎn)單，光刻步驟少，但MEMS生產(chǎn)有一些非標(biāo)準(zhǔn)的特殊工藝。
MEMS的工藝參數(shù)、生產(chǎn)工藝過(guò)程需按不同的產(chǎn)品要求進(jìn)行調(diào)整。
由于需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)三方面的密切配合，IDM的模式要優(yōu)于Fabless+ Foundry的模式。
MEMS的某些特殊要求工藝可能玷污現(xiàn)有IC生產(chǎn)線，需要注意環(huán)保。
MEMS壓力傳感器Die的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售鏈
1）MEMS 產(chǎn)品定義/設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商對(duì)MEMS 產(chǎn)品定義/設(shè)計(jì)可以有三個(gè)途徑，一是與已有MEMS壓力傳感器芯片等版圖的公司合作，以盡快進(jìn)入生產(chǎn)；二是向有關(guān)IDH購(gòu)買設(shè)計(jì)方案和版圖，縮短自已開(kāi)發(fā)的周期；三是聘請(qǐng)MEMS設(shè)計(jì)專家，培養(yǎng)自已的人材，建立自己的設(shè)計(jì)隊(duì)伍。
2）MEMS生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)
目前的4寸線的大多數(shù)工藝可為MENS生產(chǎn)所用，只是缺少雙面光刻、濕法腐蝕和鍵合三項(xiàng)MEMS特有工藝。
3）MEMS Dei生產(chǎn)
目前的4寸線缺少一些MEMS生產(chǎn)專用設(shè)備，主要為雙面光刻機(jī)、濕法腐蝕臺(tái)、鍵合機(jī)、壓力檢測(cè)設(shè)備；與IC產(chǎn)品共用4寸線，一些特殊工藝存在玷污生產(chǎn)線的可能。
4）MEMS Dei銷售
開(kāi)拓汽車電子、消費(fèi)電子領(lǐng)域的銷售經(jīng)驗(yàn)和渠道；汽車電子的需要量激增，如捷伸電子的年需求量約為200萬(wàn)個(gè)。
4”生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本估計(jì)
4”生產(chǎn)MEMS壓力傳感器Die成本粗略估算如表2所示，可供有關(guān)廠商參考。
表2
表2說(shuō)明：
1）新增固定成本是指為該項(xiàng)目投入的人員成本和新設(shè)備的折舊（人員：專家1名+MEMS設(shè)計(jì)師2名+工程師4名+工藝師5名+技工12名，年成本147萬(wàn)元，新增設(shè)備投入650萬(wàn)元，按90%四年折舊計(jì)算）；
2）現(xiàn)有4’線成本是指在5次光刻條件下使用4’線的成本（包括人工、化劑、水電、備件等的均攤成本）；
3）硅片材料成本是指雙拋4寸硅片的價(jià)格。
作者：顏重光
上海貝嶺股份有限公司FAE經(jīng)理/高工
上海市傳感技術(shù)學(xué)會(huì) 理事
參考資料：
《XSY系列遠(yuǎn)傳數(shù)字壓力表 》 顏重光 1990-01
《兩線制壓力變送器 》 顏重光 1992-11
《新型實(shí)用傳感器應(yīng)用指南》 顏重光等主編 電子工業(yè)出版社 1998-04
《TPMS的設(shè)計(jì)方案思考》 顏重光 2004-08
《TPMS專用傳感器模塊技術(shù)剖析》 顏重光 2006-08
《TPMS市場(chǎng)及傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商對(duì)MEMS的思考》 顏重光 2006-11
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