一文读懂MEMS!万亿苹pg电子官方果背后的豪杰!

2022-08-29 18:24:41 阅读次数:2

  苹果的iPhone开启了移动互联网时代,而成就iPhone的,则是各种创新科技硬件的应用,其中包括MEMS。

  2007年的初代iPhone,使用了MEMS麦克风、MEMS加速度传感器等器件,使手机首次实现各种智能操作;2010年的iPhone 4首次使用MEMS三轴陀螺仪,让我们可以翻转或移动手机控制程序运行;2016年的苹果TWS耳机AirPods不仅配备了MEMS麦克风,实现了拾音、降噪、语音命令、自适应均衡,还配备了红外传感器和运动加速计,让耳机学会监测人的佩戴状态。那么,在造就了苹果超2万亿美元市值的iPhone中,国产MEMS有什么机会?

  本文是“国产替代”系列的第十二篇,关注MEMS国产替代。在本文中,你将了解到:MEMS到底是什么,MEMS的市场情况和国产化布局,国产MEMS及背后的思考。

  多数人可能并不知道,MEMS这种低调的工业品,不仅是科技界公认最具发展潜力的研究领域之一,更是衡量工业国家核心竞争力的指标之一,被业界人士视为“一辈子都做不完的产业”。

  作为无处不在的一种革命性关键技术,MEMS已渗透到我们生活的方方面面,涵盖几乎所有需要微型化的产品。苹果、华为、三星、小米、OPPO等各种消费电子品牌都离不开MEMS技术。

  1959年,物理学家理查德·费曼在加州理工学院的演讲《微观世界有无垠的空间》中,曾大胆构想原子尺度的工业世界,人们甚至可以吞下“外科医生机器人”,清除动脉血栓或消灭肿瘤。[1]

  如今,这种构想不再是科幻,MEMS就是一种比人类头发的直径还小很多倍的微型机械,它就像细胞一样,构建了微观的人工智慧世界[2]。比如吞食MEMS诊断药丸检测体内身体指标,并通过无线],再比如用MEMS为细胞做手术[4]。可以说,我们在宏观世界能做什么,MEMS就能帮我们在微观做什么。

  MEMS全称为“微机电系统”(Micro-Electro-Mechanical System),又称微系统技术、微机械等。是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。该系统可在微观尺度上单独或批量执行传感、控制和驱动操作,并在宏观尺度上实现各类功能。

  随着技术的发展,科学家又提出了纳机电系统NEMS(Nano-Electro-Mechanical System)的概念。由于二者结构相同,且归属于同一领域,下文中MEMS均代指MEMS/NEMS。

  MEMS是最先进的机械技术与最先进的微电子技术的结晶。它是一种结构偏向机械,制造偏向微电子的技术,兼具微型化、低成本、高效能、大批量生产的优点,这也是它最有商业价值的地方:一方面,MEMS会使用诸多微观模拟元件(类似我们常看到的宏观机械零件),组成体积极微小的器件,如通道、孔、悬臂、膜、腔等结构[5];另一方面,它能通过微纳米技术,在芯片上制造微型机械结构,因此可大批量生产,且有较低的生产成本。[6]

  MEMS是一种能与自然界交流的器件,感知化学、电学、机械、热学、辐射、磁场六个能量域的环境参数,再做出相应的反应。

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  感知和运动是MEMS的两大特质,以此分为两类:MEMS传感器和MEMS执行器。二者功能均是将信号或功率,从一个能量域转换为另一个能量域,传感器是将环境信号转换为电信号,执行器是将电信号转换为机械运动,二者相辅相成。

  MEMS传感器被人誉为“电五官”。若把处理器比作人脑,通信比作神经系统,MEMS传感器就是五官和皮肤,感知物理、化学或生物量的存在和强度。其机理是沉积在设备传感层上的聚合物吸收了特定化学物质,产生了应力、质量、电气或机械特性变化,最终由MEMS利用压阻式、电容式或光学式等传感机制检测这些变化。需要强调的是,MEMS传感器是传统传感器的升级版,其尺寸更小、功耗更低、性能更好。

  MEMS执行器相当于人的四肢,能执行各种微操作和运动,如微马达、微开关、微推进器、微泵和微阀等。其机理是采用电热、电磁、静电或压电四种驱动机制使器件产生微观结构运动。[7]

  MEMS工艺流程包括研发设计(芯片设计、工艺流程设计、机电和结构设计、设计验证等)、晶圆制造(融合离子扩散、薄膜沉积PVD/CVD、光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀等)、封装测试,看似与集成电路相同,实则比集成电路更难。从集成电路到MEMS,是平面工艺到立体工艺、电路静态结构到机械可动结构、半导体到机械/化学/光学等多学科交叉融合、电子产品应用环境到各种自然界或人造环境的变化。

  MEMS衬底材料(支撑材料)硅是主流,一些特殊应用会使用玻璃、高分子聚合物、金属等,二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)和氧化锌(ZnO)等金属氧化物也逐渐成为有吸引力的材料。[9]

  加工技术依据材料分为硅基和非硅基两种路线。硅基MEMS加工技术以集成电路加工技术为基础,具有批量化、成本低、集成度高等优势;非硅基加工技术包括LIGA、准LIGA(即X光同步辐射光刻、电铸成型及注塑工艺)和精密加工技术,非硅基加工技术实现的可动微结构能够拥有更大纵向尺寸,但批量能力差、重复性差、加工成本高。[10][11]

  虽然MEMS处处都好,但对研发商来说,想说爱它不容易:一方面,它拥有“一种产品,一种工艺”的特点,每种器件的设计、制造、封装、测试方法均存在较大差异,市场很难形成标准化,成熟的产品才能表现出一定的集中度[12];另一方面,做MEMS要耐得住性子,极端情况下一款传感器的研发需6年~8年,加上测试、导入产业链的时间,成品甚至能花费近20年;除此之外,MEMS与集成电路产业的通病就是价格与产品重要性不成正比。[13]

  其实,MEMS还是个90后,它的商用历史只有三十多年,产业刚刚步入成熟期。从MEMS的研发历史来看,是从结构研究逐渐到材料的过程。

  MEMS会伴随电子、机械、材料、信息、物理、化学、光学及生物医学等学科的技术成长,同时当MEMS与不同技术结合会再产生新的器件。在此过程中,一些器件应用逐渐衰退,新器件应用开始起步,往复循环,生生不息。

  纵览三十多年历史,MEMS新器件的驱动力主要源于应用,只有当新产品要用到某些器件,才会引发大规模研究和生产:

  由于MEMS的生产过程与集成电路类似,所以主要玩家基本也是集成电路企业。相比投资火热的集成电路,MEMS产业相对较小,同时高技术门槛拦住了许多初创玩家。

  近几年MEMS的应用场景逐步增加,需求量持续攀升:主流智能手机开始将MEMS麦克风使用量拉升至2~4颗,用于语音采集、噪音消除和改善语音识别等功能;单只TWS耳机中至少要使用2颗MEMS麦克风,用于通话、离线唤醒、音乐控制、应用开启和降噪模式切换等多种功能;每辆汽车的MEMS传感器使用数量拉升至30颗甚至上百颗,用于辅助自动驾驶、车辆检测等功能。

  应用带动下,MEMS的市场前景乐观。Yole预测,MEMS全球市场份额将由2020年的121亿美元升至2026年的182亿美元,年复合增长率7.17%。其中,消费领域是MEMS的最大应用市场,约占整体收入的60%,其次分别为汽车、工业、医疗、航空航天和通信。[15]

  从器件上来看,MEMS传感器是绝对的主力,全球市场规模预计从2020年的90亿美元提升至2026年的128亿美元,年均复合增长率为6.1%。其中,压力传感器和惯性组合传感器极具潜力,至2026年全球市场规模将分别达到23.6亿美元和21.3亿美元,其次是声学传感器(MEMS麦克风)、加速度传感器、陀螺仪传感器等。MEMS射频器件增长势头猛烈,至2026年将有40.5亿美元的全球市场空间。喷墨打印头、微型测辐射热仪、光学传感器、硅基微流控器件等将持续保持增长。[15]

  从领域上来看,消费、汽车、工业、医疗四大领域均有一定市场前景,但增速有所区别,物联网、智慧医疗、智慧城市是MEMS主要驱动力。

  目前MEMS市场以国外厂商为主,顶级的MEMS厂商包括博世、博通、Qorvo、意法半导体、德州仪器、歌尔微、惠普、楼氏、TDK、英飞凌等。国产MEMS企业是追赶者,歌尔微(MEMS麦克风)、瑞声科技(MEMS麦克风)、高德红外(红外传感器)三家企业上榜2020年全球市场销售额排行前30。[15]

  按细分领域划分,MEMS声学传感器领域楼氏、瑞声科技、歌尔微三家公司占据全球市场份额的75%,MEMS压力传感器领域博世、泰科电子和英飞凌三家公司占据全球市场份额的57%,MEMS惯性组合传感器领域博世、意法半导体和TDK三家厂商占据全球市场份额的76%。[16]

  在国内,MEMS市场潜力巨大。据赛迪顾问预测,从2020年至2030年,国内MEMS市场规模将由736.7亿元人民币提升至超过1200亿元人民币。[17]

  我国MEMS起步并不比国外晚很多,但由于历史原因导致力量分散、条块分割、投入严重不足[13],直到2010年前后产业才形成雏形[18],仅从MEMS传感器来说,依然存在较大缺口,超过90%的芯片与高档传感器芯片需要从国外进口,导致价格直线上升,且在MEMS的产品结构布局上不足20%。[19]

  不过好在国内已形成较好的企业资源、创新资源和载体平台,并已拥有至少37条MEMS产线],发展后劲足。

  从二级市场上来看,国产MEMS已拥有研发设计、设备材料、晶圆制造、封装测试、集成应用的完备产业链,同时拥有丰富种类器件。

  国内MEMS投资和兼并也持续活跃,2020年相关案例达116个、金额347亿[22]。项目投资以A轮为主,感知技术离应用层越近,越能吸引投资者,项目估值和投资金额越大。从投资项目来看,资本较为看好生物、机器视觉、自动驾驶和语音交互领域等应用。[23]

  从2020年的MEMS专利数量来看,美国占全球MEMS专利总申请量的32%,处于领先状态。虽然中国也有13%,但申请人以高校和科研机构为主,产品产业化有一定差距[24]。另外,MEMS产业本身就较为分散,国内不仅缺乏系统性,甚至过于寄予希望于短期获利。[25]

  产研结合:技术是限制MEMS企业发展的一个关键点,通过孵化科研院所或高新技术企业,对这类企业提供必要政策、资金的支持和MEMS生产设备的支持,通过软件、硬件配套使技术快速转化为成熟产品;

  产业合作:市场是限制MEMS企业发展的另一个关键点,MEMS产品单价低,从研发到上市周期长,需巨大规模才能盈利,如果能与下游客户形成紧密的战略合作,既能提供稳定的市场,也能充分了解下游客户的需求;

  发展路径:先与国外企业合作,引入有市场前景的MEMS产品及技术或购买国外MEMS自行封测,再自主设计和制造低端MEMS进行国产替代,积累技术和市场,逐步突破技术进入高端市场,最后不断吞并中小型企业pg电子官方,并将这种经验复制到其他MEMS产品上,国内歌尔微、瑞声两家企业均是通过此种模式发展壮大。[26]

  现有市场,消费电子仍会是MEMS的主战场,但显现在行业上的趋势是消费电子需求不济,整体行业正进入下行周期,这会带动MEMS进入整固期。(具体可参考果壳硬科技此前

  一文)此时对已入局MEMS并有技术积累的企业来说,将是黄金收购期,可抓住这次机遇利用收购快速提升竞争能力。[26]

  另外,在消费电子景气度下降期间,汽车和医疗领域的新市场更值得被发掘。汽车方面,激光雷达、图像识别、主动刹车、胎压等新传感器短期需求将会持续增加[27];医疗方面,用于护理点的微流控MEMS、用于监测人体温度的微型测辐射热仪、用于医学成像的压电微机械超声换能器(PMUT)将会是MEMS的新天地。[28]

  对MEMS行业来说,一直无法解决的问题就是市场规模在膨胀,但单器件却越来越便宜。对下游厂商而言,用MEMS就是为了便宜[29]。MEMS封装测试占总成本30%~70%[30],因此对国产MEMS厂商而言,想挣钱,就要先降低制造成本。

  国外大多数MEMS企业是IDM模式(Integrated Device Manufacturer,指从设计、制造、封装、测试到销售一体化垂直整合型公司),这些企业都拥有自主的制造能力。但国内则是以Fabless模式(设计型公司)为主导,虽然这些公司设计的产品越来越强大,但制造能力依赖外部代工厂。

  更为困难的是,国内MEMS晶圆生产能力与国际先进水平差距较大。据中国电子技术标准化研究院信息显示,国内仅华润上华、中芯国际、上海先进半导体寥寥几家公司的晶圆生产线与国际水平相近,且生产经验无法达到国外规模化生产的标准,同时国内MEMS封装技术没有统一接口标准,产品外形千差万别。[30]

  总而言之,当制造不再是问题,国产MEMS就会越来越强大。另外,国产制造商还能通过添加更多附加服务,来抵消影响,如提供高度复杂的软件支持或提供支持AI的传感解决方案。

  MEMS在市场的价值一定是体现在应用上的,反观应用已经实现了三次进化:2000年~2010年是离线时代,传感和执行的价值仅限于独立动作,如屏幕旋转、计步、硬件打印;2010年~2020年是在线时代,MEMS开始与云端连接,如地理定位、状态监测、汽车导航和3D打印;2020年到现在是生活时代,离线和在线已经没有差别,通过内置机器学习内核、微型DSP并应用人工智能技术,让数字和真实之间无缝衔接,如零延迟反馈、预测性维护pg电子官方、全息图等。[29]

  国产MEMS研究界和产业界除了要追赶新材料(如PZT、氮化铝、氧化钒)、新封装(如3D晶圆级封装)技术以求进一步降本增效外,还应注重与下游应用的匹配,做到感、知、联一体化。