電子行業深度報告：MEMS產業紅利爆發，博世穩居行業第一

微機電系統(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在幾毫米乃至更小 的傳感器裝置,其內部結構一般在微米甚至納米量級,是一個獨立的智能系統。

MEMS 行業產業鏈拆分

MEMS 產業鏈類似於傳統半導體產業,主要包括了四大部分:前端 fabless 設計環節、ODM 代工晶圓廠生產環節、封裝測試到下游最終應用的四大環節。

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全球前十名 MEMS 廠商主要包括

博世、意法半導體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSense、Avago 和 Qorvo、樓氏電子、松下等等。

其中 BOSCH 因為其在汽車電子和消費電子的雙重布局,牢牢占據著行業的第一的位置,其營收約占前五大公司合計營收的三分之一。

大部分 MEMS 行業的主要廠商是以 Fabless 為主,例如樓氏、HP、佳能等。

同 時,平行的也有 IDM 廠商垂直參與到整條產業鏈的各個環節,比如 Bosch、ST等都建有自己的晶元代工生產線。

全球主要 MEMS 廠商的生產模式定位

簡單理解,MEMS 就是將傳統傳感器的機械部件微型化後,通過三維堆疊技術, 例如三維矽穿孔 TSV 等技術把器件固定在矽晶元(wafer)上,最後根據不同的 應用場合採用特殊定製的封裝形式,最終切割組裝而成的矽基傳感器。

受益於普 通傳感器無法企及的 IC 矽片加工批量化生產帶來的成本優勢,MEMS 同時又具 備普通傳感器無法具備的微型化和高集成度。

諸如最典型的半導體發展歷史:

從 20 世紀初在英國物理學家弗萊明手下發明的 第一個電子管,到 1943 年擁有 17468 個電子三極體的 ENIAC 和 1954 年誕生 裝有 800 個電晶體的計算機 TRADIC,到 1954 年飛兆半導體發明了平面工藝使得集成電路可以量產,從而誕生了 1964 年具有里程碑意義的首款使用集成電路 的計算機 IBM 360。

模擬量到數字化、大體積到小型化以及隨之而來的高度集成 化,是所有近現代化產業發展前進的永恆追求。

正因為 MEMS 擁有如此眾多跨世代的優勢,目前來看我們認為其是替代傳統傳 感器的唯一可能選擇,也可能是未來構築物聯網感知層傳感器最主要的選擇之一。

1)微型化

MEMS 器件體積小,一般單個 MEMS 傳感器的尺寸以毫米甚至微 米為計量單位,重量輕、耗能低。

同時微型化以後的機械部件具有慣性小、諧振 頻率高、響應時間短等優點。

MEMS 更高的表面體積比(表面積比體積)可以 提高表面傳感器的敏感程度。

2)矽基加工工藝

可兼容傳統 IC 生產工藝:矽的強度、硬度和楊氏模量與鐵相 當,密度類似鋁,熱傳導率接近鉬和鎢,同時可以很大程度上兼容矽基加工工藝。

3)批量生產

以單個 5mm*5mm 尺寸的 MEMS 傳感器為例,用矽微加工工藝 在一片 8 英寸的矽片晶元上可同時切割出大約 1000 個 MEMS 晶片,批量生產 可大大降低單個 MEMS 的生產成本。

4)集成化

一般來說,單顆 MEMS 往往在封裝機械傳感器的同時,還會集成ASIC 晶片,控制 MEMS 晶片以及轉換模擬量為數字量輸出。

5)多學科交叉

MEMS 涉及電子、機械、材料、製造、信息與自動控制、物理、 化學和生物等多種學科,並集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。

MEMS 是構築物聯網的基礎物理感知層傳感器的最主要選擇之一

由於物聯網 特別是無線傳感器網絡對器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感,傳感器的微 型化對物聯網產業的發展至關重要。

MEMS 微機電系統結合兼容傳統的半導體 工藝,採用微米技術在晶片上製造微型機械,並將其與對應電路集成為一個整體 的技術,它是以半導體製造技術為基礎發展起來的,批量化生產能滿足物聯網對傳感器的巨大需求量和低成本要求。

全球半導體產業中,PC 在主導產業 10 多年後,已經逐漸讓位於消費電子,隨 著摩爾定律逐漸到達其瓶頸,製程的進步已經漸近其物理極限。

根據 MonolithIC 3D 創辦人 Zvi Or-Bach 的觀點,在 28 納米之後,晶圓廠可以繼續把晶體做得更 小、但卻無法更便宜,對製程要求相對較低的物聯網應用可能會成為成熟製程重 要的下游產業應用。

其中 65 納米及以上的製程節點,仍占據整體晶圓產量約 43%或是 48%的晶圓 廠產能;更明顯的趨勢是,65 納米以上節點占據所有初始設計(design starts) 的近 85%。

可能的原因是下游的應用日趨多元化,選擇更多樣化,例如 3D NAND、FD-SOI、MEMS 等等,新興的物聯網帶來新的技術,有助於支持新想法並實現 新的產品應用。

未來可以預見未來大規模下游應用主要會以新的消費電子例如 AR/VR,以及物 聯網例如智能駕駛、智慧物流、智能家居等。

而傳感器做為感知層,是不可或缺 的關鍵基礎物理層部分,物聯網的快速發展,將會給 MEMS 行業帶來巨大的發 展紅利。

物聯網的系統架構主要包括三部分:感知層、傳輸層和應用層。

感知層的作用主 要是獲取環境信息和物與物的交互,主要由傳感器、微處理器和 RF 無線收發器 等組成;

傳輸層主要用於感知層之間的信息傳遞,由包括 NB IOT、Zig Bee、Thread、 藍牙等通訊協議組成;應用層主要包括雲計算、雲存儲、大數據和數據挖掘以及 人機互動等軟體應用層面構成。

感知層傳感器處於整個物聯網的最底層,是數據 採集的入口,物聯網的「心臟」,有著巨大的發展空間。

物聯網產業覆蓋面廣,小到手機,大到新能源汽車以及大量未聯網的設備、終端 都將聯通,為市場帶來萬億市值增長潛力。

網際網路、智慧型手機的出世推動了信息 產業第二波浪潮,但目前已趨於成熟,增速較為平緩,而以傳感網、物聯網為代 表的信息獲取或信息感知正在推動信息產業進入第三次浪潮,物聯網時代已經啟 動。

2015 年,全球物聯網產業規模已接近 3500 億美元,中國物聯網產業規模達到7500 億人民幣。

Forrester Research 預測,到 2020 年,物聯網產業的規模要 比信息網際網路大 30 倍,將有 240 億台物聯網設備接入網際網路,真正實現萬物互 聯。

隨著國內設計、製造、封測等多個環節的技術和工藝正在逐步成熟,MEMS 作為 物理量連接半導體的產物,將恰逢其時的受益於物聯網產業的發展,MEMS 在消 費電子、汽車電子、工業控制、軍工、智能家居、智慧城市等領域將得到更為廣 泛的應用。

根據 Yole developpement 的預測,2016-2020 年 MEMS 傳感器市場 將以 13%年複合成長率增長,2020 年 MEMS 傳感器市場將達到 300 億美元,前景 無限。

費電子、汽車電子、工業控制、軍工、智能家居、智慧城市等領域將得到更為廣 泛的應用,根據 Yole developpement 的預測,2016-2020 年 MEMS 傳感器市場 將以 13%年複合成長率增長,2020 年 MEMS 傳感器市場將達到 300 億美元,前景 無限。

2015 年中國 MEMS 器件市場規模為 308 億元人民幣,占據全球市場的三分之一。

從發展速度而言,中國 MEMS 市場增速一直快於全球市場增速。

中國 MEMS 器件市 場平均增速約 15 - 20%,中國集成電路市場增速約為 7 - 10%,橫向對比而言,MEMS 器件市場的增速兩倍於集成電路市場。

MEMS 產業鏈

MEMS 沒有一個固定成型的標準化的生產工藝流程,每一款 MEMS 都針對下游 特定的應用場合,因而有獨特的設計和對應的封裝形式,千差萬別。

MEMS 和傳統的半導體產業有著巨大的不同,她是微型機械加工工藝和半導體 工藝的結合。

MEMS 傳感器本身一般是個比較複雜的微型物理機械結構,並沒 有 PN 結。

但同時單個 MEMS 一般都會集成 ASIC 晶片並植在矽晶圓片上,再 封裝測試和切割,後道工藝流程又類似傳統 COMS 工藝流程。

因此 MEMS 性能的提升很大程度上不會過分依賴於矽晶圓製程工藝的升級,而 更傾向於根據下游應用需求定製設計、對微型機械結構的優化、對不同材料的選 擇,實現每一款傳感器的獨特功能,因此也不存在傳統半導體工藝晶圓廠不同世 代的製程工藝升級路線圖(ROAD MAP)。

典型的 MEMS 系統如圖所示,由傳感器、信息處理單元、執行器和通訊/接口單 元等組成。

其輸入是物理信號,通過傳感器轉換為電信號,經過信號處理(模擬 的和/或數字的)後,由執行器與外界作用。

每一個微系統可以採用數字或模擬 信號(電、光、磁等物理量)與其它微系統進行通信。

MEMS 將電子系統與周 圍環境有機結合在一起,微傳感器接收運動、光、熱、聲、磁等自然界信號,信 號再被轉換成電子系統能夠識別、處理的電信號,部分 MEMS 器件可通過微執 行器實現對外部介質的操作功能。

設計環節

作為 MEMS 的核心門檻之一,半導體設計環節因為其 fabless 的輕資產特性, 及其核心門檻,國內公司投資較為積極。

國內有眾多比較知名的 Fabless,例如 海思半導體、展訊、RDA、全志科技、國民技術、瀾起科技等等。

根據中國半導體行業協會設計分會 2015 年的數據,國內前 10 大設計公司中除 了英特爾亞太,其餘 9 家公司全部都為中國企業。

在全球前 10 大設計企業排名 中,海思半導體和展訊分別占據第 6 和第 10 的位置,與國際先進企業基本可以 在同一水平上競爭。

根據 IC Insights 在 2015 年的報告,雖然中國的無晶圓廠 IC 產業規模相對仍然 較小,其 2014 年營收總計僅占據前五十大無晶圓廠 IC 業者總營收(約 805 億 美元)的 8%,不過中國的無晶圓廠 IC 產業成長顯著,且是策略性的。

該機構 指出,中國廠商在全球前五十大無晶圓廠 IC 業者總營收中的市占率,是歐洲與 日本業者總和的兩倍。

因此,我們認為未來國內在 MEMS 的 Fabless 設計企業 也會有類似崛起發展的機會。

中國 MEMS 設計企業主要集中於華東地區,約占全國企業總數的 55%,

其中,以上海、蘇州、無錫三地為產業集中地:

IC 產業通過單一工藝即可支持整個產品世代,其產品製造工藝標準化程度高, 批量化生產相對簡易。

而 MEMS 產品種類豐富、功能各異,工藝開發過程中呈 現出「一類產品,一種製造工藝」的特點。

MEMS 晶片或器件的種類多達上萬、 個性特徵明顯,除了採用相同的矽材料外,不同的 MEMS 產品之間沒有完全標 準的工藝,產品參量較多,每類產品品種實現量產都需要從前端研發重新投入, 工藝開發周期長,且量產率較傳統半導體生產行業相比更低,依靠單一種類的MEMS 產品很難支撐一個公司。

MEMS 封裝形式

中國 MEMS 產業在 2009 年後才逐漸起步,目前尚未形成規模,產業整體處於 從實驗室研發向商用量產轉型階段。

國內 MEMS 廠家在營業規模、技術水平、 產品結構、產業環境上與國外有明顯差距,60%-70%的設計產品依舊集中在加 速度計、壓力傳感器等傳統領域,對新產品(例如生物傳感器、化學傳感器、陀 螺儀)的涉足不多。

工藝水平與經驗缺失制約代工廠發展,製造環節亟需填補空 白。

微機電系統的生產製造涵蓋設計、製造和封測。

由於系統器件具有高度定製化、 製程控制與材質特殊的特點,封裝與測試環節至少占到整個成本的 60%。

因此, 為了能夠在日益嚴峻的產品價格下跌趨勢下有效降低成本,多數無晶圓或輕晶圓MEMS 供應商將封裝與測試環節外包給專業封測廠商,這也將為 MEMS 器件 封裝及測試廠商帶來機遇。

隨著國家政策扶持,近兩年中國 MEMS 產線投資興起,2014 年國內 MEMS 代 工廠建設投資超過 1.5 億美元,但是技術的匱乏和人才的缺失依然是產業短板。

MEMS 技術與 IC 技術有本質差異,技術核心領域在於工藝和製造,MEMS 製造 結構複雜、高度定製化、依賴於專用設備,且具有很強的規模效應。

目前,本土MEMS 產業明顯落後國際水平,國內市場嚴重依賴進口,市場份額基本被 Bosch、ST、ADI、Honeywell、Infineon、AKM 等國際大公司寡頭壟斷,中高端 MEMS傳感器進口比例達 80%,傳感器晶片進口比例高達 90%。

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