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[導讀]MEMS 的全稱是微型電子機械系統(Micro-Electro-Mechanical System),是微電路和微機械按功能要求在芯片上的一種集成,基於光刻、腐蝕等傳統半導體技術,融入超精密機械加工,並結合力學、化學、光學等學科知識和技術基礎,使得一個毫米或微米級的 MEMS 具備精確而完整的機械、化學、光學等特性結構。

MEMS 的全稱是微型電子機械系統(Micro-Electro-Mechanical System),是微電路和微機械按功能要求在芯片上的一種集成,基於光刻、腐蝕等傳統半導體技術,融入超精密機械加工,並結合力學、化學、光學等學科知識和技術基礎,使得一個毫米或微米級的 MEMS 具備精確而完整的機械、化學、光學等特性結構。

MEMS 行業系在集成電路行業不斷髮展的背景下,傳統集成電路無法持續地滿足終端應用領域日漸變化的需求而成長起來的。

隨着微電子學、微機械學以及其他基礎自然科學學科的相互融合,誕生了以集成電路工藝為基礎,結合體微加工等技術打造的新型芯片。汽車電子、消費電子等終端應用市場的擴張,使得MEMS 應用越來越廣泛,產業規模日漸擴大,日趨成為集成電路行業的一個新分支。

一、MEMS的市場規模

隨着 MEMS 技術及產業的發展,MEMS 在通訊、生物醫療、工業科學、消費電子、汽車電子、導航定位等領域的應用日漸普及,MEMS 市場在不斷創新中呈現出快速增長的趨勢。2008 年以前,汽車電子是 MEMS 主要應用市場;2008年以後,智能手機等終端產品日益湧現並佔領 MEMS 主流市場;在未來,隨着智能化場景的進一步普及,各種新興應用領域如物聯網、可穿戴設備、智能家居及工業 4.0 等將為 MEMS 提供更廣闊的發展空間,MEMS 產品的使用量預計將加速增長。

根據全球權威半導體諮詢機構 Yole Development 的研究,2019 年全球 MEMS行業市場規模為 115 億美元,考慮到 COVID-19 疫情影響,2020 年 MEMS 市場規模將下滑至 109 億美元,預計到 2025 年 MEMS 市場規模將增長至 177 億美元,複合增長率可達 7.4%。從市場細分領域來看,消費電子、汽車電子仍將是 MEMS最大的兩個應用領域,而同時在通訊、生物醫療、工業科學領域的增速也將非常可觀。

在消費電子、工業及汽車電子應用的巨大市場和快速發展的強力拉動下,中國地區已經成為過去五年 MEMS 市場規模發展最快的地區。中國作為全球最大的電子產品生產基地,對 MEMS 傳感器的市場需求巨大,各類 MEMS 傳感器供應商包括光傳感器、運動傳感器等供應商均已轉戰中國市場,MEMS 傳感器產業生態環境逐漸完善。

二、MEMS 行業發展歷程

MEMS 起源可追溯至 20 世紀 50 年代,硅的壓阻效應被發現後,學者們開始了對硅傳感器的研究。然而,MEMS 產業真正發展始於 20 世紀 80 年代,前後經歷了 3 次產業化浪潮。

20 世紀 80 年代至 90 年代:1983 年 Honeywell 利用大型刻蝕硅片結構和背蝕刻膜片製作了集成壓力傳感器,將機械結構與電路集成在一個芯片內。80 年代末至 90 年代,汽車行業的快速發展,汽車電子應用如安全氣囊、制動壓力、輪胎壓力監測系統等需求增長,巨大利潤空間驅使歐洲、日本和美國的企業大量生產 MEMS,推動了 MEMS 行業發展的第一次浪潮。

20 世紀 90 年代末至 21 世紀初:本階段早期,噴墨打印頭和微光學器件的巨大需求促進了 MEMS 行業的發展。而 2007 年後,消費電子產品對 MEMS 的強勁需求,手機、小家電、電子遊戲、遠程控制、移動互聯網設備等消費電子產品要求體積更小且功耗更低的 MEMS 相關器件,對 MEMS 產品需求更大,掀起了 MEMS 行業發展的第二次產業化浪潮,並將持續推動 MEMS 行業向前發展。

2010 年至今:產品應用的擴展,使 MEMS 行業呈現新的趨勢。MEMS 產品逐步應用於物聯網、可穿戴設備等新領域,應用場景日益豐富,正漸漸覆蓋人類生活的各個維度。此外,MEMS 是當前移動終端創新的方向,新的設備形態(如可穿戴設備)需要更加微型化的器件和更為便捷的交互方式。然而,物聯網、可穿戴設備應用助推 MEMS 第三次產業化浪潮的同時,行業仍然面臨來自產品規格、功率消耗、產品整合以及成本等方面的壓力,MEMS 產品及相關技術亟待持續改進,以滿足更小、更低能耗、更高性能的需求。

三、MEMS 製造行業主要經營模式

與傳統集成電路產業類似,從 MEMS 產業價值鏈來看,根據行業內企業提供的產品或服務,可以分為設計、製造和封測三個環節。其中,MEMS 製造行業屬於 MEMS 行業的一個環節,處於產業鏈的中游。該行業根據設計環節的需求開發各類 MEMS 芯片的工藝製程並實現規模生產,兼具資金密集型、技術密集型和智力密集型的特徵,對企業資金實力、研發投入、技術積累等均提出了極高要求。

目前市場中,一方面 IDM 企業受到來自升級產業線以及降低成本維持利潤的雙重壓力,市場中已出現 IDM 企業將製造環節外包的情況;另一方面,MEMS產品應用的爆發式增長需要不同領域、不同行業的新興 MEMS 公司參與其中,但鉅額的工廠建設投入、運維成本以及 MEMS 工藝開發、集成的複雜性卻形成了較高的行業門檻,阻礙了市場的持續擴張。

在此背景下,純 MEMS 代工廠與 MEMS 產品設計公司合作開發產品的商業模式將成為未來行業業務模式的主流。類似於傳統集成電路行業發展趨勢,MEMS 產業將逐步走向設計與製造分立、製造環節外包的模式。

MEMS 製造主要指 MEMS 芯片製造,行業內主要經營模式包括兩類,一類是依靠自有生產線進行生產,另一類則是外包給 MEMS 代工廠進行生產。行業內提供 MEMS 製造代工服務的企業,從芯片類型和產業價值鏈來看,主要分為三類,即純 MEMS 代工、IDM 企業代工以及傳統集成電路 MEMS 代工。

1、純 MEMS 代工

純 MEMS 代工企業不提供任何設計服務,企業根據客户提供的 MEMS 芯片設計方案,進行工藝製程開發以及代工生產服務。代表企業有公司、TeledyneDalsa、IMT 等。

2、IDM 企業代工

IDM 企業即垂直整合器件製造商,該類中通快遞香港查詢除了進行集成電路設計之外,一般還擁有自有的封裝廠和測試廠,其業務範圍涵蓋集成電路的設計、製造、封裝和測試所有環節。由於晶圓製造、封裝和測試的生產線建設均需要鉅額資金投入,因此 IDM 模式對企業的研發力量、資金實力和市場影響力都有極高的要求。在滿足自身晶圓製造需求後,IDM 企業會將剩餘的產能外包出去,提供 MEMS代工服務。採用 IDM 代工模式的企業均為全球芯片行業巨頭,主要代表為博世(Bosch)、意法半導體(STMicro)、德州儀器(TI)等企業。

3、傳統集成電路 MEMS 代工

傳統集成電路(主要為 CMOS)代工企業以原有的 CMOS 產線為基礎,嵌套部分特殊的生產 MEMS 工藝技術,將舊產線轉化為 MEMS 代工線。由於批量生產能力突出,傳統集成電路企業往往會集中向出貨量較高的消費電子領域的MEMS 產品提供代工,該類代工企業以台積電(TSMC)、Global Foundries 等為代表。

歷史發展過程中,由於 MEMS 產品在材料、加工、製造工序等單個產品差異較大,器件標準化程度較低,影響了產業垂直分工的發展,行業以 IDM 企業為主導。近年來,隨着 MEMS 技術的發展和市場需求的逐漸興起,MEMS 標準化的程度大大發展,平台化基礎正在形成,越來越多的 MEMS 產品的產業鏈垂直分工條件日趨成熟。

四、MEMS行業的競爭壁壘

由於 MEMS 行業存在產品非標準化的特點,MEMS 公司無法僅僅通過單一工藝支持整個產品世代。MEMS 產品中,除了採用相同的硅材料外,沒有可以在所有器件中通用的基礎元件,“一類產品,一種製造工藝”的定律意味着MEMS 製造商需要針對每個單獨的產品採取不同的工藝策略。在生產過程中,往往需要同時對多個產品同時進行工藝研發,在研發完成、產品測試合格並實現量產、進行銷售之前,公司需要大量資金投入以維持運營。因此,MEMS 相較於傳統集成電路不僅需要大量的時間成本,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,技術又是其另一個壁壘。

首先,MEMS 是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發領域,相對於傳統的機械,它們的尺寸更小,最大的不超過一釐米,有些甚至僅僅幾微米,其厚度更加微小。因而 MEMS 產品的開發和製造需要包括與物理、化學、生物等相關的專業技術。

其次,MEMS 需要多種工藝開發技術。MEMS 晶圓代工業務需要並行處理多項工藝開發項目,還需要儘可能以最有效的方式利用所有工程資源。“一類產品,一種製造工藝”的定律意味着每種產品都需要從頭開始設計工藝。每一項工藝都需要經過工藝開發和優化的步驟,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常調整的工藝,MEMS 的 3D

結構相比於普通的平面結構難度更高。

再次,MEMS 需要具有獨特專有的設備開發技術。例如,DRIE 通過精密刻蝕硅材料,嚴格控制深度、寬高比及側壁輪廓來實現 3D 結構。刻蝕可深可淺,而且涉及到刻蝕晶圓的任意比例。開發這些刻蝕工藝的關鍵參數需要特定的 MEMS 工藝工程技術,同時還需要這些專門的設備來積累豐富的經驗。

人才壁壘也是不可忽視的一個方面。

MEMS 開發過程中相互影響的因素,如工具、設計及工藝的相互依賴,意味着成功的 MEMS 項目依賴於豐富的產品經驗以及對這些影響因素的充分理解。從經驗上來看,MEMS 項目通常需要受過高等教育的工程師組建為專門化團隊進行集體研發,工程師需要擁有至少 10 年工作經驗,以保證研發效率及成功率,而具備前述條件的工程師十分稀缺。因此 MEMS 市場存在相當高的人才壁壘。

五、MEMS行業競爭格局

MEMS 製造上連產品設計,下接產品封測,是 MEMS 產業鏈中必不可少的一環。MEMS 產品類別多樣、應用廣泛,客户定製化程度非常高,其生產採用的微加工技術強調工藝精度,屬於資金、技術及智力密集型行業。

全球範圍內,MEMS 產能主要集中在歐美等發達國家,目前國際主要 MEMS 代工中通快遞香港查詢之間市場份額差距不大,且市場整體集中度較低,因此競爭較為激烈。國內目前尚未出現擁有持續量產實踐的 MEMS 製造企業,但國內市場需求巨大,政策及產業合力助推 MEMS 全產業鏈佈局,未來產能將部分向國內轉移,預計短期內國內MEMS 市場將處於弱競爭窪地,隨着國內 MEMS 產業的發展與成熟,未來國內MEMS 企業間摩擦將日益加劇。

從產業發展趨勢上看,儘管目前 IDM 企業憑藉長期的行業積累、技術實力以及客户基礎主導着 MEMS 加工製造,隨着新興器件的湧現、新細分市場及應用的開闢以及純代工 MEMS 企業在擅長領域內的設計與加工工藝沉澱而產生的經驗效應,能夠同時處理多類器件開發及生產的純MEMS 代工企業將成為製造外包業務中的強力競爭者。

就競爭強度而言,部分中低端器件尤其是消費電子類 MEMS 器件出貨量巨大且技術要求較低,商品同質化程度較高,可預見未來細分行業市場競爭將會加劇。

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