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详解微机电系统 总有你不知道的点

http://www.ec.hc360.com2019年02月21日11:08 来源:半导体行业观察T|T

    微机电系统(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。简单理解,MEMS就是将传统传感器的机械部件微型化后,通过三维堆叠技术,例如三维硅穿孔TSV等技术把器件固定在硅晶元(wafer)上,最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式,最终切割组装而成的硅基传感器。受益于普通传感器无法企及的IC硅片加工批量化生产带来的成本优势,MEMS同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。

    传统ECM驻极体电容麦克风/AppleWatch楼氏MEMS硅麦克风

    诸如最典型的半导体发展历史:从20世纪初在英国物理学家弗莱明手下发明的第一个电子管,到1943年拥有17468个电子三极管的ENIAC和1954年诞生装有800个晶体管的计算机TRADIC,到1954年飞兆半导体发明了平面工艺使得集成电路可以量产,从而诞生了1964年具有里程碑意义的首款使用集成电路的计算机IBM360。模拟量到数字化、大体积到小型化以及随之而来的高度集成化,是所有近现代化产业发展前进的永恒追求。

    半导体的发展历史:从电子管-晶体管-集成电路

    正因为MEMS拥有如此众多跨世代的优势,目前来看我们认为其是替代传统传感器的唯一可能选择,也可能是未来构筑物联网感知层传感器最主要的选择之一。

    1)微型化:MEMS器件体积小,一般单个MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位,重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。MEMS更高的表面体积比(表面积比体积)可以提高表面传感器的敏感程度。

    2)硅基加工工艺,可兼容传统IC生产工艺:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨,同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。

    3)批量生产:以单个5mm*5mm尺寸的MEMS传感器为例,用硅微加工工艺在一片8英寸的硅片晶元上可同时切割出大约1000个MEMS芯片,批量生产可大大降低单个MEMS的生产成本。

    4)集成化:一般来说,单颗MEMS往往在封装机械传感器的同时,还会集成ASIC芯片,控制MEMS芯片以及转换模拟量为数字量输出。同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。随着MEMS的工艺的发展,现在倾向于单个MEMS芯片中整合更多的功能,实现更高的集成度。例如惯性传感器IMU(Inertialmeasurementunit)中,从最早的分立惯性传感器,到ADI推出的一个封装内中集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计和一个压力传感器以及ADSP-BF512Blackfin处理器的10自由度高精度MEMS惯性测量单元。

    5)多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。MEMS是构筑物联网的基础物理感知层传感器的最主要选择之一。由于物联网特别是无线传感器网络对器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感,传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。MEMS微机电系统结合兼容传统的半导体工艺,采用微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体的技术,它是以半导体制造技术为基础发展起来的,批量化生产能满足物联网对传感器的巨大需求量和低成本要求。

    物联网时代到来,MEMS的机会

    全球半导体产业中,PC在主导产业10多年后,已经逐渐让位于消费电子,随着摩尔定律逐渐到达其瓶颈,制程的进步已经渐近其物理极限。根据MonolithIC3D创办人ZviOr-Bach的观点,在28纳米之后,晶圆厂可以继续把晶体做得更小、但却无法更便宜,对制程要求相对较低的物联网应用可能会成为成熟制程重要的下游产业应用。

    摩尔定律正在接近极限

    就目前趋势来看,高端制程在整个IC封装工艺中,占比已经开始相对下降。先进制程节点元件的实际工程成本,已经证明对产业界大多数厂商来说都太昂贵;因此半导体产业确实已经分头发展,只有少数会追求微缩至7纳米,而大多数仍维持采用28纳米或更旧节点的设计。

    未来可以预见未来大规模下游应用主要会以新的消费电子例如AR/VR,以及物联网例如智能驾驶、智慧物流、智能家居等。而传感器做为感知层,是不可或缺的关键基础物理层部分,物联网的快速发展,将会给MEMS行业带来巨大的发展红利。

    微机电系统(Micro-ElectroMechanicalSystem)是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。简单理解,MEMS就是将传统传感器的机械部件微型化后,通过三维堆叠技术,例如三维硅穿孔TSV等技术把器件固定在硅晶元(wafer)上,最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式,最终切割组装而成的硅基传感器。受益于普通传感器无法企及的IC硅片加工批量化生产带来的成本优势,MEMS同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。

    传统ECM驻极体电容麦克风/AppleWatch楼氏MEMS硅麦克风

    诸如最典型的半导体发展历史:从20世纪初在英国物理学家弗莱明手下发明的第一个电子管,到1943年拥有17468个电子三极管的ENIAC和1954年诞生装有800个晶体管的计算机TRADIC,到1954年飞兆半导体发明了平面工艺使得集成电路可以量产,从而诞生了1964年具有里程碑意义的首款使用集成电路的计算机IBM360。模拟量到数字化、大体积到小型化以及随之而来的高度集成化,是所有近现代化产业发展前进的永恒追求。

    半导体的发展历史:从电子管-晶体管-集成电路

    正因为MEMS拥有如此众多跨世代的优势,目前来看我们认为其是替代传统传感器的唯一可能选择,也可能是未来构筑物联网感知层传感器最主要的选择之一。

    1)微型化:MEMS器件体积小,一般单个MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位,重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。MEMS更高的表面体积比(表面积比体积)可以提高表面传感器的敏感程度。

    2)硅基加工工艺,可兼容传统IC生产工艺:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨,同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。

    3)批量生产:以单个5mm*5mm尺寸的MEMS传感器为例,用硅微加工工艺在一片8英寸的硅片晶元上可同时切割出大约1000个MEMS芯片,批量生产可大大降低单个MEMS的生产成本。

    4)集成化:一般来说,单颗MEMS往往在封装机械传感器的同时,还会集成ASIC芯片,控制MEMS芯片以及转换模拟量为数字量输出。同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。随着MEMS的工艺的发展,现在倾向于单个MEMS芯片中整合更多的功能,实现更高的集成度。例如惯性传感器IMU(Inertialmeasurementunit)中,从最早的分立惯性传感器,到ADI推出的一个封装内中集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计和一个压力传感器以及ADSP-BF512Blackfin处理器的10自由度高精度MEMS惯性测量单元。

    5)多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。MEMS是构筑物联网的基础物理感知层传感器的最主要选择之一。由于物联网特别是无线传感器网络对器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感,传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。MEMS微机电系统结合兼容传统的半导体工艺,采用微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体的技术,它是以半导体制造技术为基础发展起来的,批量化生产能满足物联网对传感器的巨大需求量和低成本要求。

    物联网时代到来,MEMS的机会

    全球半导体产业中,PC在主导产业10多年后,已经逐渐让位于消费电子,随着摩尔定律逐渐到达其瓶颈,制程的进步已经渐近其物理极限。根据MonolithIC3D创办人ZviOr-Bach的观点,在28纳米之后,晶圆厂可以继续把晶体做得更小、但却无法更便宜,对制程要求相对较低的物联网应用可能会成为成熟制程重要的下游产业应用。

    摩尔定律正在接近极限

    就目前趋势来看,高端制程在整个IC封装工艺中,占比已经开始相对下降。先进制程节点元件的实际工程成本,已经证明对产业界大多数厂商来说都太昂贵;因此半导体产业确实已经分头发展,只有少数会追求微缩至7纳米,而大多数仍维持采用28纳米或更旧节点的设计。

    未来可以预见未来大规模下游应用主要会以新的消费电子例如AR/VR,以及物联网例如智能驾驶、智慧物流、智能家居等。而传感器做为感知层,是不可或缺的关键基础物理层部分,物联网的快速发展,将会给MEMS行业带来巨大的发展红利。

    MEMS产业链类似于传统半导体产业,主要包括了四大部分:前端fabless设计环节、ODM代工晶圆厂生产环节、封装测试到下游最终应用的四大环节。

    

MEMS产业链划分

    全球前十名MEMS厂商主要包括博世、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、Avago和Qorvo、楼氏电子、松下等等。其中BOSCH因为其在汽车电子和消费电子的双重布局,牢牢占据着行业的第一的位置,其营收约占前五大公司合计营收的三分之一。

    大部分MEMS行业的主要厂商是以Fabless为主,例如楼氏、HP、佳能等。同时,平行的也有IDM厂商垂直参与到整条产业链的各个环节,比如Bosch、ST等都建有自己的晶元代工生产线。

    全球主要MEMS厂商的生产模式定位

    基于之前阐述的MEMS本身区别于传统IC产业特征,我们认为行业的核心门槛在于两点:设计理念和封测工艺。

    前者不仅仅包括对传统IC设计的理解,更需要包括多学科的综和,例如微观材料学、力学、化学等等。原因是因为内部涉及机械结构,空腔,和不同的应用场景,如导航,光学,物理传感等。可以展开细说。

    后者,因为单个MEMS被设计出来的使用用途、使用环境、实现目的不同,对封装有着各种完全不同的要求。比如对硅麦有防水和不防水区分,光学血氧浓度传感器需要穿孔和空腔安装透镜,气压传感器需要向外界敞开不能密封等等。在整个MEMS生产中,封测的成本占比达到35%-60%以上。

    MEMS成本结构拆分

    一、设计环节

    作为MEMS的核心门槛之一,半导体设计环节因为其fabless的轻资产特性,及其核心门槛,国内公司投资较为积极。国内有众多比较知名的Fabless,例如海思半导体、展讯、RDA、全志科技、国民技术、澜起科技等等。

    但国内MEMS行业的fabless规模相对较小,但市场规模来说具备很大的发展空间。面对国内巨大的消费电子市场,自产自销满足国内部分中低端市场需求,也是国内Fabless公司的一个捷径。例如苏州敏芯,他的微硅麦克风传感器产品已经渗透至以消费类电子产品为主的各个细分应用中,成功应用在MOTOROLA,SONY,ASUS,联想,魅族,小米等品牌客户的产品上。

    中国MEMS设计企业主要集中于华东地区,约占全国企业总数的55%,其中,以上海、苏州、无锡三地为产业集中地:

    •上海:深迪,矽睿,丽恒,芯敏,微联,铭动,文襄,天英,巨哥

    •苏州:明皜,敏芯,双桥,多维,能斯达,汶灏,圣赛诺尔,希美

    •无锡:美新,乐尔,康森斯克,微奥,杰德,必创,微纳,芯奥微,沃浦

    •其他:深圳瑞声,山东歌尔,河北美泰,山西科泰,郑州炜盛,北京水木智芯,浙江大立,武汉高德,成都国腾,西安励德,天津微纳芯等。

    国内MEMS企业布局

    二、制造环节:代工、封测

    统计的前十大中,设计全为中资而制造和封装绝大多数为外资。但外资的成长性弱于中资,所以中资制造业和测试封装业的实际增长应高于统计的平均数据。尤其是测试封装,增速均高于行业:5年复合增速长电科技16.5%、华天科技26.94%、通富微电8.25%、晶方科技34.2%。

    IC产业通过单一工艺即可支持整个产品世代,其产品制造工艺标准化程度高,批量化生产相对简易。而MEMS产品种类丰富、功能各异,工艺开发过程中呈现出“一类产品,一种制造工艺”的特点。MEMS芯片或器件的种类多达上万、个性特征明显,除了采用相同的硅材料外,不同的MEMS产品之间没有完全标准的工艺,产品参量较多,每类产品品种实现量产都需要从前端研发重新投入,工艺开发周期长,且量产率较传统半导体生产行业相比更低,依靠单一种类的MEMS产品很难支撑一个公司。

    虽然不同种类的MEMS从用途来说截然不同,封装形式也是天壤之别。但是从封装结构上来说,大致可以分为以下3类:封闭式封装(ClosedPackage)、开放空腔式封装(OpenCavityPackage)、眼式封装(OpenEyedPackage)。

    

MEMS封装形式

    中国MEMS产业在2009年后才逐渐起步,目前尚未形成规模,产业整体处于从实验室研发向商用量产转型阶段。国内MEMS厂家在营业规模、技术水平、产品结构、产业环境上与国外有明显差距,60%-70%的设计产品依旧集中在加速度计、压力传感器等传统领域,对新产品(例如生物传感器、化学传感器、陀螺仪)的涉足不多。工艺水平与经验缺失制约代工厂发展,制造环节亟需填补空白。

    微机电系统的生产制造涵盖设计、制造和封测。由于系统器件具有高度定制化、制程控制与材质特殊的特点,封装与测试环节至少占到整个成本的60%。因此,为了能够在日益严峻的产品价格下跌趋势下有效降低成本,多数无晶圆或轻晶圆MEMS供应商将封装与测试环节外包给专业封测厂商,这也将为MEMS器件封装及测试厂商带来机遇。

    随着国家政策扶持,近两年中国MEMS产线投资兴起,2014年国内MEMS代工厂建设投资超过1.5亿美元,但是技术的匮乏和人才的缺失依然是产业短板。MEMS技术与IC技术有本质差异,技术核心领域在于工艺和制造,MEMS制造结构复杂、高度定制化、依赖于专用设备,且具有很强的规模效应。目前,本土MEMS产业明显落后国际水平,国内市场严重依赖进口,市场份额基本被Bosch、ST、ADI、Honeywell、Infineon、AKM等国际大公司寡头垄断,中高端MEMS传感器进口比例达80%,传感器芯片进口比例高达90%。

    MEMS制造目前主要分为三类,纯MEMS代工、IDM企业代工和传统集成电路MEMS代工。与其将MEMS看做一种产品倒不如把它看成一种工艺,MEMS器件依赖各种工艺和许多变量。只有经过多年的工艺改进及测试,MEMS器件才能真正被商品化。研发团队一般需要大量时间来搜索有关工艺及材料物理特性方面的资料。利用单一一种材料(如多晶硅)制得的器件可能需要根据多晶硅的来源及沉积方法来标记工艺中的变化。因此每一种工艺都需要长期、大量的数据来稳定一个工艺。

    国内MEMS代工厂华润上华、中芯国际、上海先进等,硬件条件虽与国际水平相近,但开发能力远不及海外代工厂;中国MEMS代工企业还未积累起足够的工艺技术储备和大规模市场验证反馈的经验,加工工艺的一致性、可重复性都不能满足设计需要,产品的良率和可靠性也无法达到规模生产要求。因此商业化阶段的本土设计公司更愿意同TSMC、X-Fab、Silex等海外成熟代工厂合作。

    代工环节薄弱导致好的设计无法迅速产品化并推向市场,极大地制约了中国MEMS产业的发展,产业中游迫切需要有工艺经验和高端技术的厂商填补洼地。虽然大部分MEMS业务仍然掌握在IDM企业中,随着制造工艺逐渐标准化,MEMS产业未来会沿着传统集成电路行业发展趋势,将逐步走向设计与制造分离的模式。纯MEMS代工厂与MEMS设计公司合作开发的商业模式将成为未来业务模式的主流。

    MEMS代工企业类型比较

    MEMS技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视,对比传统集成电路,该系统拥有诸多优点,体积小、重量轻,最大不超过一个厘米,甚至仅仅为几个微米,其厚度更加微小。MEMS的原材料以硅为主,价格低廉,产量充足批量,良率高。同时使用寿命长,耗能低,但由于MEMS的工艺难

    就工艺方面,目前全球主要的技术途径有三种,一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术;二是以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA技术;三是以日本为代表发展的精密加工技术,如微细电火花EDM、超声波加工。

    尽管MEMS和IC在封装和外观上具有相似性,但实质上MEMS在芯片设计和制造工艺方面与IC不同。IC一般是平面器件,通过数百道工艺步骤,在若干个特定平面层上使用图案化模板制造而来,表现出特定的电学或电磁学功能来实现模拟、数字、计算或储存等特定任务。理想状态下,IC基本元件(晶体管)是一种纯粹的电学器件,几乎所有的IC应用和功能方面具有共通性。相对地,MEMS是一种3D微机械结构。基于硅工艺技术,MEMS相比于传统的“大型器件”,微米级别的MEMS器件能够更广泛、灵活地应用在汽车电子、消费电子等领域。

    国内MEMS主要的传感器设计公司有美新半导体、明皜传感、矽睿科技、深迪半导体、敏芯微电子等。同时国内MEMS企业规模还相对较小,单个企业较少有年销售额超过1亿美金;高端传感器还主要是以进口产品为主,整个MEMS传感器主要以国外品牌为主。根据《中国传感器产业发展白皮书(2014)》显示中国中高端传感器的进口比例达80%,传感器芯片的进口比例更高达90%,显示本土中高端传感器技术和产业化的落后。从产品使用领域结构来看,国内MEMS公司在营业规模、技术水平、产品结构、与国外有明显差距,60%-70%的设计产品集中在加速度计、压力传感器等传统领域。工艺开发是我国MEMS行业目前面临最主要的问题,产品在本身技术实力和生产工艺还有待于进步。

    中国传感器产品结构

    虽然国内主要集中在初级阶段,中低端应用。但从近几年的发展来看,中国地区已经成为过去五年全球MEMS市场发展最快的地区。2015年,我国MEMS市场规模接近300亿元,且连续两年增幅高达15%以上;而且从中长期来看,国内MEMS行业的发展增速会快于国外,到2020年,我国传感器市场增幅将进一步提升,年平均增长率将达到20%以上,继续保持全球前列。

    MEMS行业发展趋势

    1)MEMS封装将会向标准化演进,模块平台标准化意味着更快的反应速度。

    根据Amkor公司的观点,MEMS的整合正在向标准化、平台化演进。从之前众多分散复杂的封装形式(DiscretePackaging)逐渐演化到以密封模压封装(Overmolded)、集成电路便面裸露封装(ExposedDieSurface)、空腔封装(CavityPackage)这三种载体为主的封装形式。

    MEMS封装向标准化演进

    2)SIP(SystemInPackage)系统级的高度集成化会是MEMS未来在互联网应用场合的主要承载形式。

    随着下游最重要的应用场景物联网的快速发展,MEMS在IOT平台的产品未来会逐渐演化到SIP封装就显得尤为重要。往往单个MEMS模块会集成包括MCU(MicrocontrollerUnit)、RF模块(RadioFrequenc,例如蓝牙,NBIOT发射模块)和MEMS传感器等多个功能部分。系统级的封装带来的同样是快速响应速度和及时的产品更新换代,这对于消费电子产品来说极端重要。目前很多代工厂或者封装厂例如Amkor都在推广标准化的IOTMEMS平台产品。

    

    MEMS在IOT应用领域的SIP封装

    而采用的封装形式主要会以空腔封装(CavityPackage)和混合空腔封装(HybirdCavityPackage)。

    MEMS在IOT应用领域的SIP封装

    3)未来MEMS产品可能会逐渐演变为低端、中端和高端三类。

    低端MEMS主要应用于消费电子类产品如智能手机、平板电脑等。中端MEMS主要应用于GPS辅助导航系统、工业自动化、工程机械等工业领域。根据YoleDeveloppment报告,作为智能感知时代的重要硬件基础,2014年中低端MEMS传感器市场规模达到130亿美元,预计到2018年,中低端MEMS市场产值将以12%~13%的复合增长率增长至225亿美元。

    在今后5到10年内随着MEMS技术的成熟,以智能手机以及平板电脑为主要应用对象的低端MEMS市场利润将逐渐下降,但未来在可穿戴设备、物联网领域还有一定机遇;以工业、医疗及汽车为应用对象的中端MEMS还将持续提供增长和盈利;未来以工业4.0和国防军工市场也应用对象的高端MEMS将为带来显著的超额收益。据市场研究机构预测,高端MEMS市场在2016年~2021年的其年复合增长达到13.4%,而同期全球MEMS市场的复合年增长率仅为8.9%,其中军事、航天、高端医疗电子和工业4.0应用四个领域将会占未来高端MEMS市场营收的80%。

责任编辑:刘婷婷

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