2016-11-07 中國半導體論壇 

?MEMS較之傳統機械工藝比較優勢明顯

MEMS工藝不僅具有集成電路系統的許多優點，同時集約了多種學科發展的尖端成果，與傳統的機械工藝相比，它具有微型化、集成化、多樣化、批量化等特點，成本上也有明顯優勢，且生產出的產品功能多樣，可高度集成。

 ?機遇與挑戰并存，MEMS鑄就下一個千億市場

 MEMS是集成電路相對景氣的子領域，預計到2021年全球MEMS產業規模將達到200億美元，2015-2021復合增長率為8.9%，增速遠高于集成電路行業平均水平，同時受移動設備市場逐步飽和的沖擊，增速有所放緩。國內增速快于國外，消費電子、醫療和工業控制等細分領域引領市場。

 ?感知時代，MEMS借力物聯網蓄勢騰飛

 傳感器作為感知層的重要組成部分，在物聯網時代不可替代，MEMS作為支撐技術，也將發揮重要作用。預計2020年全球物聯網市場市值將增至1.7萬億美元，約有500億臺設備接入物聯網，物聯網是繼汽車電子、智能手機、可穿戴設備后MEMS的下一個核心驅動力。

 ?專業分工大勢所趨，產業鏈中下游Foundry和封測廠商受益明顯

 MEMS將“重演”集成電路領域產業鏈裂變過程，專業分工是大勢所趨。MEMS行業是個相對較小且分散的行業，適合Fabless的輕資產模式，MEMS代工廠商地位將日益突出，且較之于集成電路一線的Foundry，專注MEMS行業的Foundry諸如賽萊克斯、ITM、Tronics并無明顯劣勢，更有助于貼近客戶。除此之外，MEMS封測環節技術較之集成電路復雜，更是占據了成本70%，擁有批量自動化封裝及測試能力的廠商將獲取產業鏈最大份額“蛋糕”。

 MEMES是IC與機械的完美融合

 微機電系統Micro-Electro-MechanicalSystems （MEMS）是利用集成電路制造技術和微加工技術把微結構、微傳感器、控制處理電路甚至接口、通信和電源等制造在一塊或多塊芯片上的微型集成系統。由于MEMS是微電子同微機械的結合，如果把微電子電路比作人的大腦，微機械比作人的五官（傳感器）和手腳（執行器），兩者的緊密結合，就是一個功能齊全而強大的微系統。

 MEMS工藝兼具批量生產和成本優勢

 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）后，由執行器與外界作用。每一個微系統可以采用數字或模擬信號（電、光、磁等物理量）與其它微系統進行通信。

MEMS工藝與傳統的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學機械拋光工藝等，但是有些復雜的微結構難以用IC工藝實現，除了體微加工技術、表面微加工技術之外，MEMS制造還廣泛地使用多種特殊加工方法，包括鍵合、LIGA、電鍍、軟光刻、微模鑄、微立體光刻與微電火花加工等。

 MEMS是受到集成電路工藝的啟發而發展起來的，它不僅具有集成電路系統的許多優點，同時集約了多種學科發展的尖端成果，與傳統的機械工藝相比，它具有微型化、集成化、多樣化、批量化等特點。

 ?  原材料價格低廉：大部分MEMS的原材料是硅(Si)，價格低廉，產量充足

 ?  批量生產，良率高： MEMS工藝全自動化控制，隔離了人為因素，最大限度地控制同一批MEMS芯片之間的工藝誤差，從而提升良品率。但由于MEMS的工藝難度高，其良率仍然與傳統IC制造相比有一定的差距。

 ?  體積小、重量輕：傳統機械加工無法使用納米-微米級別的工藝，MEMS采用類似集成電路的工藝保證了產品的微型化。

MEMS產品功能多樣、高度集成

 MEMS傳感器：硅麥克風、陀螺儀、加速度器、磁力計、組合傳感器、壓力傳感器、輪胎壓力傳感系統等。

MEMS執行器：微鏡、振動器、射頻、體聲波濾波器、噴墨頭、自動聚焦、紅外探測器等

集成可能性是MEMS技術的另一個優點，MEMS和ASIC(專用集成電路)采用相似的工藝，因此具有極大地潛力將二者集成，上圖的加速度計中MEMS與IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一個封裝內。

增速快于集成電路，國內快于國外

全球MEMS增速有所放緩

過去幾年，以智能手機為代表的消費電子產品大幅拉升MEMS器件的出貨量，隨著智能手機/便攜式應用市場已經接近飽和，MEMS市場增速比前幾年有所放緩。Yole Development預計2015~2021年全球MEMS市場的復合年增長率（CAGR）為8.9%，將從119億美元增長到200億美元，同期全球MEMS出貨量的復合年增長率為13%。

預計2016年，MEMS按產品線劃分占主導低位的依然是慣性傳感器和微流量傳感器，占比都為24%左右，其次是壓力傳感器，占比為13%，光學傳感器和噴墨頭，占比都為10%左右。

國內MEMS聚焦長三角，處于發展初期

 從區域而言，MEMS產業擁有很強的區域分布特點，無論是設計企業、制造企業還是封裝測試企業，基本都圍繞長三角來展開；北方主要集中在航天、兵器、電子這些研究所里面，面向國防軍工、航天應用領域，因此形成了相對封閉的體系；珠三角地區則更多做應用和銷售，中西部MEMS產業較為落后。

中國的MEMS產業生態系統也正逐步完善，從研發、開發、設計、代工、封測到應用，產業鏈已基本形成，今后MEMS將在消費電子、汽車工業、工業控制乃至生物醫學、航空航天等領域扮演越來越重要的角色。

國內MEMS持續火熱，消費和醫療引領市場

從應用結構來看，由于國內智能手機較廣的普及率及市場存量，網絡通信應用領域領跑中國MEMS市場的發展；同時，中國中國是全球最大的汽車生產國，國家極力推動新能源汽車及車聯網的發展，汽車電子領域所占份額僅次于網絡通信；此外，在計算機領域，除了平板電腦對MEMS器件需求量大，噴墨打印頭也占了相當大的比重。

根據賽迪顧問的研究數據，2014年醫療領域占據全球19%的MEMS市場，中國則不到10%。隨著居民收入水平的提高，對健康的需求日益提升，在未來整個市場當中，醫療領域增長最快。其次是在消費領域，第一，消費電子領域基數較小，第二，智能家居、可穿戴設備以及AR/VR等新興領域將推動整個消費領域的增長。

據賽迪顧問的研究數據，2014年中國MEMS器件市場規模為265億元人民幣，占據全球市場的三分之一。從發展速度而言，中國MEMS市場增速一直快于全球市場增速。2014年中國MEMS器件市場增速高達17%，中國集成電路市場增速為9%，橫向對比而言，MEMS器件市場的增速兩倍于集成電路市場。預計到2017年，國內MEMS市場規模將達到400-450億元，2014-2017復合增長率為19%。在較為樂觀情況下，按照賽迪的遠景預測，整個中國MEMS市場有望形成接近1000億人民幣的龐大市場。

應用廣泛，借物聯網站下一個風口

MEMS傳感器在汽車領域的應用

隨著汽車安全應用與降低碳排放的關注度日益提升，MEMS傳感器在汽車電子領域的滲透率逐漸提高，除此之外，無人駕駛等新興技術也推動著MEMS傳感器進一步普及。2010年全球平均每輛汽車包含9.2個傳感器，中國汽車含有5個，但中國擴大部署安全氣囊和輪胎壓力監測系統(TPMS)，將推動中國汽車平均傳感器數量到2015年增加到10個，在每輛汽車中，光TPMS系統就要使用4.2個汽車MEMS傳感器，目前中國已超越日本成為第三大汽車MEMS市場。目前汽車上常見的傳感器有加速度計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計、紅外傳感器、超聲波傳感器、激光測距儀、雷達傳感器等。

MEMS傳感器在智能手機領域的應用

在智能手機中，大量MEMS傳感器的使用增加其智能性，提高了用戶體驗。iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀&加速度計（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch Sensortec BMA280），磁力計，大氣壓力計（Bosch Sensortec BMP280）、指紋傳感器(Authen Tec的TMDR92)、距離傳感器，環境光傳感器(來自AMS的TSL2581 )和MEMS麥克風。

截至到2014年，常見的三種用于智能手機的羅盤傳感器、加速度器傳感器、陀螺儀滲透率分別為48%、64%、17%，陀螺儀滲透率偏低，通常在高端機型上有配置。

MEMS傳感器在可穿戴設備領域的應用

在可穿戴智能設備上，傳感器的使用更為廣泛。AppleWatch配置的MEMS傳感器超過十種。

?  加速度傳感器：測量身體運動，并且可以記錄用戶步數以及睡眠習慣。

?  陀螺儀：可以偵測轉動，此外，陀螺儀還能讓iWatch“感知”用戶，比如舉起手腕準備看表時，屏幕自動亮起。

?  磁力計：可以用來提升運動追蹤的準確性。

?  晴雨表/氣壓傳感器：提供更準確的天氣數據，感知海拔高度的變化

?  環境溫度傳感器：提供更準確的生物數據

?  心率監控儀：進行心率監控

?  血氧傳感器：測量血氧值，對于準確的脈搏率檢測至關重要

?  皮膚電導傳感器：計算用戶的排汗量

?  皮膚溫度傳感器：可以幫助用戶了解自己的健身強度

?  GPS：GPS可以幫助我們了解自己要去哪里，去過哪里

除了Apple Watch，在智能家居熱賣的Nest，很大程度上就受益于濕溫度、紅外傳感器的廉價；Jawbone、Misfit等智能手環的興起，也是受益于重力傳感器的普及。

MEMS傳感器在微納衛星領域的應用

2014年5月4日， SpaceX為國際空間站提供給養的一個火箭，將會投放一個衛星母船（體積僅為10X30厘米），這艘母船，將會投放104顆名為“小妖怪”的微型衛星。“小妖怪”衛星的體積，只有幾個拇指般大小。每一顆衛星的重量僅為5克，制造成本僅為5美元。每一個“小妖怪”擁有一個微處理器芯片，一個可以和地球通信的無線電發射裝置，兩個天線，一個太陽能電池提供衛星長期工作的電力，每一個衛星還配置了磁力計和陀螺儀，從而獲知衛星指向的方向。

采用MEMS技術制造的微納衛星體積小、重量輕、成本低、技術含量高、可批量制造，具有十分廣闊的前景，并且在我國有成功先例。2015年9月20日，長征六號運載火箭在太原衛星發射中心升空，成功將20顆微小衛星送入預定軌道，其中包括清華大學研制的“納星2號” 技術試驗衛星，該衛星的有效載荷包括納型星敏感器、微型低功耗太陽敏感器、硅基MEMS陀螺、微型石英音叉陀螺、MEMS磁強計、北斗/GPS接收機等，性能指標均達到國際先進、國內領先水平。

MEMS傳感器在物聯網領域的應用 

物聯網（IoT）是把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。簡而言之，物聯網就是“物物相連的互聯網”。傳感器作為物聯網三大層次結構之一的感知層的重要組成部分，將現實世界中的物理量、化學量、生物量等轉化成可供處理的數字信號，是實現物聯網的基礎和前提，同時MEMS（微機電）技術作為支撐技術，在物聯網的發展中起著至關重要的作用。

隨著移動互聯市場趨于飽和，物聯網（IoT）逐漸成為全球經濟增長和科技發展的新增點。IDC發布報告指出，2020年全球物聯網市場市值將增至1.7萬億美元。根據IoT的數據，2020年約有500億臺設備接入物聯網，是現在的2.5倍。

MEMS的傳感器發展共經歷了三個階段，分別對應不同的驅動力。2000年左右是汽車電子、2007年左右是智能手機、2013年左右是可穿戴設備，下一個驅動MEMS的傳感器發展的動力是物聯網，業界預測全球傳感器需求有望從當前的百億級激增到2025年的Trillion-Sensor（TSensor，萬億-傳感器）量級。

MEMS技術在可穿戴設備、智能家居、醫療、工業4.0、智能汽車、智慧城市等IOT細分領域都有廣泛的應用，常見的MEMS傳感器諸如麥克風、體聲波濾波器、壓力傳感器、溫度傳感器等都存在豐富的應用場景。

MEMS行業發展趨勢

市場存出清需求，傳感器領域并購持續涌現 

2001-2007年間，MEMS傳感器均價由3.5美元降低到接近2.7美元，CAGR為-6%；2007-2013年間，MEMS傳感器均價由接近2.7美元降低到1美元，CAGR為-13%。過去五年MEMS市場參與者不斷增加，尤其移動端貨量急劇增長，給價格帶來了較大的壓力，市場有內在出清的需求。

隨著價格不斷走低，經營不善、技術薄弱、缺乏核心競爭力的廠商出現虧損。近年來行業并購案例不斷出現，強者恒強，具有行業話語權的龍頭廠商將在市場調整中最終獲益。

組合傳感器是MEMS集成新方向

MEMS產業正向多傳感器集成方向前進，形成三大類組合傳感器，體積更小、重量更輕、功能集成度更高的組合MEMS傳感器是發展方向。

?  密閉封裝（Closed Package）組合傳感器是簡單且發展較為成熟的，主要是慣性傳感器，如多軸加速度計、陀螺儀和磁力計，21世紀初，美新（MEMSIC）和意法半導體（ST）最先將加速度計推到手機中，使得慣性組合傳感器成為最成熟、最常用的集成器件。對于加速度計和陀螺儀，集成是在硅片上實現的，并通過系統級封裝（SiP）將專用集成電路（ASIC）和磁力計集成在一起。

?  開放腔體（Open Cavity）組合傳感器需要與外界聯通以感知環境信息。例如，壓力傳感器可以和濕度傳感器、氣體傳感器集成，這些傳感器的集成主要采用系統級封裝，因為大部分傳感器采用不同的制造工藝，在單片硅晶圓上的集成成本過高。

?  第三類是光學窗口（Open-eyed）組合傳感器，攝像頭（圖像傳感器）是手機中最昂貴的傳感器模組，手機中逐漸形成兩個光學窗口組合傳感器，包括前置和后置的圖像傳感器，也將集成現有的光學傳感器，如接近傳感器、環境光傳感器和3D景深傳感器等。

根據HIS的數據，組合傳感器市場在2011年之后占比逐步上升，預計到2017年一半的MEMS產品是組合形式。慣性傳感器的價值已經嚴重下滑，從分立傳感器轉向組合傳感器，三軸分立傳感器，甚至六軸組合傳感器的價格已經非常低了，集成三軸陀螺儀，三軸加速傳感器，三軸磁感應傳感器的九軸慣性傳感器將有明顯優勢。

封測環節意義重大，占據MEMS產業鏈70%成本 

不同于傳統的集成電路產業鏈，MEMS中封裝和測試占據了產業鏈70%的成本，根據典型的MEMS設備成本拆分，其中ASIC占據了12%，測試占據了40%，封裝占據了30%，傳感器占據了18%，因此封裝和測試顯得尤為重要。MEMS的器件復雜性導致了封裝成本過高，同時測試效率低，尤其是做生物MEMS、化學MEMS，其測試效率更低，這也是制約MEMS封測發展的瓶頸，因此批量自動化封裝及測試能力是降低成本獲取市場的關鍵，擁有核心封測技術的廠商將深度受益。

MEMS主要的封裝技術為BGA/LGA和 WLP，近年來WLP份額增長較快，2016年幾乎與BGA/LGA持平，是MEMS領域最有潛力的封裝技術。

比照IC，MEMS代工崛起跡象明確

在集成電路產業飛速發展的背后，IC設計和制造方式一直在進行調整，產業鏈條不斷裂變。自上個世紀80年代以來IC產業經歷了四個階段，代工模式（Foundry）的出現是導致IC產業鏈條裂變的一個重要因素。這以上世紀90年代臺灣集成電路公司（TSMC）等代工企業的興起為標志，典型特征是晶圓代工企業與IC設計公司相互分離，新興的IC設計公司（Fabless，即無工廠化）不再擁有自己的生產線，這種產業模式因其快速靈活、適應市場需要迅速成長起來。

 進入新世紀，IC設計和制造領域內的產業鏈再次裂變導致產業內分工更加細化。在IC制造領域，為降低成本，生產技術提供者（往往是大型的IDM企業）與生產者相互獨立，前者專門提供已驗證的生產技術，后者則將之運用于大規模的生產。這一變遷過程，表面看是IC產業鏈自身逐步裂變的自然過程，事實上卻是在技術飛速發展、成本約束加強的全球化背景下，各國企業之間產業內分工日益細化和深化的過程。

MEMS行業中Fabless的份額由2006年的10%增加到2012年的32%左右，正如集成電路行業所經歷由的一樣，行業細化和分工的趨勢不可逆轉。MEMS傳感器行業的品種多達上萬種，單品種的銷量很難放大，在價格不斷走低的情況下，企業很難盈利，無法承受大規模的資本支出。面對不斷增長的市場規模，迫切想進入的中小設計廠商有很強的代工需求，Fabless存在的價值日益凸顯。除此之外，由于市場規模相對過小，缺乏統一工藝，傳統的集成電路代工廠商如臺積電, 聯電, 中芯國際等一線代工廠商較之新進入的MEMS代工企業賽萊克斯和Tronics、IMT并無絕對的優勢，這就給專注于MEMS代工廠商留下了更大的發展空間。

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