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国内MEMS企业渐露头角

文章来源:苏州中衡检测技术有限公司公司网址:http://www.cts-test.com发表时间:2020-8-16

尽管市场饱和和停滞困扰着许多业务领域,但MEMS却仍然是半导体行业的一颗璀璨的明星。近几年,在美日等少数企业霸占MEMS主要市场的时候,国内的MEMS新老企业已峥嵘初现,先是MEMS麦克风龙头歌尔股份挤进全球MEMS供应商TOP10,后8月10日,中国MEMS第一股敏芯股份正式登陆科创板,当日开盘股价一度暴涨接近291%。作为21世纪最有前途的技术之一,MEMS被视为第二次微智造革命。面对如此重要的MEMS技术,在国外MEMS高手如林的赛场中,国内MEMS产业链现状是怎样的?这些MEMS企业实力几何?

什么是MEMS?

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)称为微机电系统,或微电子和微机电系统。MEMS最早是在1960年代提出的,但是直到1980年代才商业化。就像戈登·摩尔观察到晶体管摩尔定律一样,人们做了许多努力,试图使机电系统变得越来越小。

1959年,一位名叫理查德·费曼(Richard Feynman)的人在他的著名演讲《底部有很多空间》(There's Plenty of Room at the Bottom)中谈到,他对探索如何在小范围内操纵和控制事物很感兴趣。费曼说:“他们告诉我,电动马达只有你小手指上的指甲那么大,下面是一个小得惊人的世界。”当然MEMS设备的诞生是许多人在许多地方共同努力的结果。在这个著名的演讲的最后,他向他的发起挑战设计和制造一个微型马达,为每个挑战提供1000美元的奖金。自1997年以来,每年都颁发费曼纳米技术奖,奖励那些在费曼的纳米技术目标方面取得了最大成就的研究人员。


理查德·费曼


MEMS被认为是21世纪最有前途的技术之一,如果半导体微制造被视为第一次微制造革命,MEMS则是第二次革命。通过结合硅基微电子技术和微机械加工技术,MEMS具有革命性的工业和消费产品的潜力。

在此需要划重点的是,MEMS是一种制造技术,诸如杠杆、齿轮、活塞、发动机甚至蒸汽机都是由MEMS制造的。事实上,MEMS这个词实际上有一定误导,因为许多微机械设备在任何意义上都不是机械的。然而,MEMS又不仅仅是关于机械部件的微型化或用硅制造东西,它是是一种利用批量制造技术设计、创建复杂机械设备和系统及其集成电子设备的范例。再具化一点讲,集成电路的设计是为了利用硅的电学特性,而MEMS则利用硅的机械特性,或者说利用硅的电学和机械特性。

作为一种制造技术,MEMS有几个明显的优势。首先,MEMS技术及其微加工技术的跨学科性质,以及其应用的多样性,导致了前所未有的设备范围和协同效应,跨越了以前不相关的领域(例如生物和微电子)。其次,MEMS具有批量制造技术,可以提高零部件和设备的制造性能和可靠性,并具有减小物理尺寸、体积、重量和成本的明显优势。第三,MEMS为制造其他方法无法制造的产品提供了基础。这些因素使得MEMS有可能成为比集成电路微芯片更普及的技术。

就像半导体技术使计算机能够从房间大小缩小到掌上电脑一样,微机电系统(MEMS)用微米级的等效物替代了传统的机械和电子设备,MEMS产品是指尺寸在毫米级甚至微米级的微型机电装置,主要分为微型传感器(如MEMS麦克风和压力传感器)和微型执行器(如MEMS扬声器)两大类。

MEMS器件是用集成电路批量处理技术制造的,例如等离子体蚀刻,薄膜沉积和光刻,尺寸从几微米到毫米不等。这些装置(或系统)能够在微观尺度上感知、控制和驱动,并在宏观尺度上产生影响。

MEMS作为一种新兴技术,其产品以技术-产品范式为中心,而不是以产品-市场范式为中心。因此,MEMS设备可能会在不同的行业找到许多应用。2006年之前,除了汽车气囊与喷墨打印机墨盒之外,很少见到MEMS产品在其他市场的应用。2006年任天堂首先把加速度计引入到其游戏机Wii中,随后MEMS市场开始爆发,包括智能手机在内的各种移动设备都可以找到MEMS产品的应用。如今,MEMS设备无处不在,从加速器和陀螺仪到汽车导航和安全气囊传感器以及医疗和通信设备。

什么支撑MEMS市场增长?


根据Yole Développement发布的《MEMS行业2020年新状态报告》,用于消费设备的MEMS将主要由RF MEMS支撑。到2020年以后,由于5G和6 GHz以下频段的扩展,BAW滤波器的需求将会进一步增加。包括RF MEMS在内,消费市场仅萎缩2.6%,但如果没有RF MEMS,到2020年,消费市场将萎缩16%。预计到2021年,经济将恢复到covid之前的水平,并恢复增长。


图源:Yole Développement

Eric Mounier博士断言:“在汽车领域,2019冠状病毒病的负面影响将会非常显著,到2020年年均下降27.5%。大多数与汽车相关的设备,包括传感、照明和电力,都会因市场下跌而受损。压力和惯性MEMS将继续引领这一市场,因为它们在安全系统中不可或缺,如TPMS7、安全气囊、ESC8和翻车检测。”

MEMS还从COVID-19大流行中获益,一个是工业市场,因为基于热电堆和微测热仪的热成像和传感系统由于需要非接触式体温测量而激增。另一个是医疗市场,医用MEMS市场主要由压力和微流体主导,这种主导产品以后也将继续延续下去。

在电信领域,来自Yole的Dimitrios Damianos表示:“到2025年,MEMS振荡器将呈现出最高的增长潜力,因为5G和汽车V2X连接将需要更多的时间解决方案,因此MEMS振荡器将快速增长。”此外,电信运营商决心在2020年继续加快5G部署,因此增长将在这里。”

2020年,由于民用航空瘫痪,国防和航天市场将大幅下滑,尽管国防不会受到任何重大影响。传统的MEMS传感器包括压力和惯性可能会受到负面影响,因为新的飞机订单受到阻碍。然而,从长远来看,基于微测辐射计的热成像仪在国防应用中提供了一个很好的机会,因为国防领域正在不断取代使用更老的低温冷却技术传统的热成像仪。


全球MEMS供应商竞争格局:双“博”依旧独大,歌尔挤进前十


MEMS可能仍然是一个拥有多种产品的行业,但它也越来越是一个由少数大供应商主导的行业。寡头现象在MEMS领域依旧明显,从Yole统计的最新的2019年MEMS企业TOP30的排行榜可以看出,双“博”(博通+博世)两家公司的销售额都比第三名或更少的公司高出一倍以上,两家的营收均超过14亿美元。而且总体来看,2019年MEMS玩家与2018年排名相差不大。值得一提的是,歌尔由2018年的第11位挤进了前十,排名第9。

2019年MEMS厂家的销售额排名TOP30,(单位:百万美元)(图片出自:Yole Développement)


顺便说一句,排名前30位的公司的总销售额在2018年为99.4亿美元,而在2019年增长2.2%,达到101.6亿美元。

TOP1的博通从2013年开始飞速增长,博通主打射频类MEMS产品,智能手机快速普及导致射频MEMS产品量价齐升,RF MEMS对博通保持首位起到了决定性作用。排名第二的博世主打运动类MEMS产品,双重布局于汽车和消费电子领域。可以预见,今后博通与博世的“斗争”将会愈演愈烈。

第3的ST(意法半导体)是IDM企业,在MEMS领域深耕了20多年,ST的MEMS产品种类丰富广泛,不仅能提供车载、工业、民用等方面的MEMS产品,作为全球最大的MEMS Foundry,也为其他公司代工生产MEMS。针对MEMS传感器,ST一天的产能可以达到600万片,不完全统计,ST已经出货超过150亿片的产品。

第4的德州仪器(TI)是MEMS微镜领域无可争议的领导者。但这2年来其销售额在不断减少,主要是TI主打DLP(Digital Light Processing,即数字光处理,基于数字微镜元件来完成的可视数字信息显示技术)市场趋于饱和,现在TI正在推进开拓车载等新的市场。

在射频MEMS领域,第5位的Qorvo也跟博通一样,把RF MEMS作为主打产品。2019年10月8日,Qorvo收购了高性能射频供应商Cavendish Kinetics,该公司的团队将继续推动RF MEMS(射频微机电系统)技术在Qorvo产品线中的应用,并将该技术转变为用于移动设备和其他市场的大批量制造。全球多家领先的智能手机供应商已经证实,通过Cavendish Kinetics的RF MEMS技术能够显著改善天线的性能,包括降低损耗和提高线性度。

在MEMS麦克风领域,排在第8的楼氏电子(Knowles)是当之无疑的巨头,除了麦克风,楼氏电子还有如助听器类的多元化产品。随着人工智能(AI)音箱市场的兴起,以及汽车中MEMS麦克风的用量增加,楼氏电子可以进一步获利。

歌尔股份在MEMS麦克风领域也表现不俗。2019年歌尔首次跻身全球MEMS厂商前十名,排名第九。自2016年上榜全球MEMS厂商20强以来,歌尔仅用了四年的时间跻身前十,这是首个进入全球MEMS厂商前十的中国企业,也是上榜全球MEMS厂商20强的唯一一家中国企业。

日本厂商惠普(HP)和佳能(Canon)主要在争夺喷墨打印头的增量市场,惠普这几年抓住了消费类打印机的需求增长,以及客户对其墨盒的忠诚度,所以营收略微有所增长。

2019年中国上榜的企业有TOP9的歌尔股份,TOP22的瑞声科技AAC,两家企业主攻声学MEMS产品及系统集成。


过去10年中十大MEMS供应商销售额的市场份额变化(图片出自:Yole Développement)

同时,根据Yole的说法,与10年前相比,意法半导体(STMicroelectronics),德州仪器(Texas Instruments)和惠普(Hewlett Packard)市场份额大有缩减之势,而TDK则按照自己的步伐发展。


MEMS代工厂格局:中国赛微电子控股的代工厂荣登第一


将代工厂用于MEMS的半导体时代已经开始。2018年MEMS代工市场为4.9亿美元,2019年增长了5%,达到5.1亿美元。MEMS代工主要有两种类型:IDM厂商提供的MEMS代工,以及独立代工厂提供的MEMS代工。其中,独立的代工厂包括集成电路代工厂和纯MEMS代工厂。

全球领先的纯MEMS代工厂有Silex Microsystems、Teledyne DALSA、Asia Pacific Microsystems、X-FAB、Innovative Micro Technology等。台积电是全球最大的晶圆代工厂,其MEMS代工业务也排在行业前列。目前,提供MEMS代工的IDM厂商主要有ST、索尼、TI等。根据Yole发布的2019 MEMS foundry排名情况来看,与2018年还是有很大变化的。


2019年的MEMS Foundry销售额排行榜。一般情况下,MEMS Foundry也兼具半导体Foundry的功能,此处仅仅是MEMS Foundry的销售额统计。(图片出自:Yole Développement)


2018年的MEMS Foundry销售额排行榜(图片出自:Yole Développement)


首先可喜可贺的是,Top1是中国的赛微电子(原耐威科技)控股公司Silex Microsystems,2018年Silex Microsystems排在第四位。自2000年成立以来,Silex一直是一家专门生产定制MEMS产品的制造商,并作为一家独立的MEMS代工厂运营。Silex拥有世界上第一个专用的8英寸纯MEMS代工厂。

2015年7月13日,香港投资控股公司GAE Ltd.收购了Silex 98%的股份。因此,GAE已获得对Silex的实际控制权,而GAE的背后则是赛微电子(原来中国的耐威科技),获得对Silex的控股后,赛微电子在北京建设了MEMS晶圆代工厂,以扩大该公司的产能。Silex在瑞典拥有6英寸和8英寸晶圆厂,并在瑞典投资1200万美元进行了升级。Silex的优势在于使用其自有的硅通孔(TSV)技术,Silex还使用锆钛酸铅作为压电材料,用于能量收集等新型应用。

变化较大的是ST和格芯,18年ST排在Foundry第一位,这次跌到了第13位;格芯19年卖掉了8寸MEMS工厂,退出了MEMS业务,2018年格芯排在第七位,这次已不在席列。

排名第二的Teledyne DALSA和第三Sony未发生变化,台积电由2018年的第五上升到了第四位,X-FAB上升了一位排在第五,Asia Pacific Microsystems从2018年的第10进入第7,罗姆由第8跌到第15位。

国内MEMS产业缩影:产业链初具规模


最近几年,国内MEMS产业经过政府和企业的共同努力,已经形成从设计研发(中试)、生产制造、封装测试到系统集成的完整MEMS产业链条。

在科研领域有苏州纳米科技、上海微技术工业研究院、中国科学院电子所等等;设计业也涌现了一大批优秀的企业,如挤进全球前十的歌尔股份、前两天科创板上市的敏芯股份、瑞声科技、共达电声,还有部分初创MEMS公司已经峥嵘初现,如华景传感、明皜传感、深迪半导体、通用微,也包括如士兰微、韦尔股份的传统型集成电路厂商,还有格科微电子、矽睿科技、芯奥微、美新半导体、青岛元芯、华美澳通、无锡纳微电子、士兰微等等;MEMS代工企业也越来越专业,如中芯国际、上海先进、华润上华、罕王微电子、赛微电子(原耐威科技)等;封测企业中包括长电科技、晶方科技、华天科技;系统集成应用商包括华为、比亚迪、海康威视、中兴等。

在MEMS麦克风领域,四大中国厂商包括歌尔股份、瑞声科技、共达电声、敏芯股份合计市场份额高达48%,几乎占据全球MEMS麦克风市场的半壁江山!根据IHSMarkit的数据统计,敏芯股份MEMS麦克风2016年出货量全球排名第六,2017年全球排名第五,2018年全球排名第四。


2017~2019年全球领先的MEMS麦克风厂商营收(来源:麦姆斯咨询)

目前,在国内涉足MEMS的公司中有不少龙头企业,歌尔股份和敏芯股份是MEMS麦克风领域的龙头,赛微电子是MEMS代工的龙头,苏奥传感国内汽车油量传感器龙头,苏州固锝子公司的MEMS加速度传感器销量国内名列前茅,华工科技是国内家电温度传感器龙头,汉威电子是国内气体传感器龙头,还有军工MEMS的龙头中航电测。

2020年7月24日,烟台开发区管委委托烟台业达经济发展集团有限公司(简称“业达经发集团”,系烟台经济技术开发区国有资产监督管理局下属的全资子公司)与睿创微纳共同出资成立烟台新型半导体技术研究院有限公司(简称“半导体研究院”),半导体研究院拟投资15亿元,建设集特色芯片及智能MEMS传感器的设计、制造、测试与封装一体化的开放性研发平台。

聚沙成塔,无论是MEMS的新老企业还是致力于MEMS新技术研发的研究所,对于MEMS全产业链本土化的贡献都是不可磨灭的。但是需要明确的是,中国的MEMS产业尚处于起步阶段,旺盛的市场需求与还相对薄弱的产业形成了一定的反差,从全球前30的MEMS供应商就可以看出,具有一定知名度和出货量的本土MEMS企业仍然屈指可数,逐鹿中国市场的大部分是跨国企业。

结语


当下MEMS在很多市场扮演越来越重要的角色。但可喜的是,国内半导体行业发展势头向好,MEMS技术的产业链条相对比较完整。在中美的时代竞争条件下,乘着物联网的东风,国内MEMS可以说机遇与挑战并存。随着政府的扶持和资本的注入,相信中国的MEMS产业会发展得越来越好!

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