MEMS行业的三大竞争壁垒


来源:物联传媒   时间:2021-02-03 17:46:07


MEMS ,全称是微型电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System),是微电路和微机械按功能要求在芯片上的一种集成,基于光刻、腐蚀等传统半导体技术,融入超精密机械加工,并结合力学、化学、光学等学科知识和技术基础,使得一个毫米或微米级的 MEMS 具备精确而完整的机械、化学、光学等特性结构。

MEMS 行业系在集成电路行业不断发展的背景下,传统集成电路无法持续地满足终端应用领域日渐变化的需求而成长起来的。随着微电子学、微机械学以及其他基础自然科学学科的相互融合,诞生了以集成电路工艺为基础,结合体微加工等技术打造的新型芯片。汽车电子、消费电子等终端应用市场的扩张,使得MEMS 应用越来越广泛,产业规模日渐扩大,日趋成为集成电路行业的一个新分支。

MEMS的市场规模

随着 MEMS 技术及产业的发展,MEMS 在通讯、生物医疗、工业科学、消费电子、汽车电子、导航定位等领域的应用日渐普及,MEMS 市场在不断创新中呈现出快速增长的趋势。2008 年以前,汽车电子是 MEMS 主要应用市场;2008年以后,智能手机等终端产品日益涌现并占领 MEMS 主流市场;在未来,随着智能化场景的进一步普及,各种新兴应用领域如物联网、可穿戴设备、智能家居及工业 4.0 等将为 MEMS 提供更广阔的发展空间,MEMS 产品的使用量预计将加速增长。

根据全球权威半导体咨询机构 Yole Development 的研究,2019 年全球 MEMS行业市场规模为 115 亿美元,考虑到 COVID-19 疫情影响,2020 年 MEMS 市场规模将下滑至 109 亿美元,预计到 2025 年 MEMS 市场规模将增长至 177 亿美元,复合增长率可达 7.4%。从市场细分领域来看,消费电子、汽车电子仍将是 MEMS最大的两个应用领域,而同时在通讯、生物医疗、工业科学领域的增速也将非常可观。

在消费电子、工业及汽车电子应用的巨大市场和快速发展的强力拉动下,中国地区已经成为过去五年 MEMS 市场规模发展最快的地区。中国作为全球最大的电子产品生产基地,对 MEMS 传感器的市场需求巨大,各类 MEMS 传感器供应商包括光传感器、运动传感器等供应商均已转战中国市场,MEMS 传感器产业生态环境逐渐完善。

MEMS 行业发展历程

MEMS 起源可追溯至 20 世纪 50 年代,硅的压阻效应被发现后,学者们开始了对硅传感器的研究。然而,MEMS 产业真正发展始于 20 世纪 80 年代,前后经历了 3 次产业化浪潮。

20 世纪 80 年代至 90 年代:1983 年 Honeywell 利用大型刻蚀硅片结构和背蚀刻膜片制作了集成压力传感器,将机械结构与电路集成在一个芯片内。80 年代末至 90 年代,汽车行业的快速发展,汽车电子应用如安全气囊、制动压力、轮胎压力监测系统等需求增长,巨大利润空间驱使欧洲、日本和美国的企业大量生产 MEMS,推动了 MEMS 行业发展的第一次浪潮。

20 世纪 90 年代末至 21 世纪初:本阶段早期,喷墨打印头和微光学器件的巨大需求促进了 MEMS 行业的发展。而 2007 年后,消费电子产品对 MEMS 的强劲需求,手机、小家电、电子游戏、远程控制、移动互联网设备等消费电子产品要求体积更小且功耗更低的 MEMS 相关器件,对 MEMS 产品需求更大,掀起了 MEMS 行业发展的第二次产业化浪潮,并将持续推动 MEMS 行业向前发展。

2010 年至今:产品应用的扩展,使 MEMS 行业呈现新的趋势。MEMS 产品逐步应用于物联网、可穿戴设备等新领域,应用场景日益丰富,正渐渐覆盖人类生活的各个维度。此外,MEMS 是当前移动终端创新的方向,新的设备形态(如可穿戴设备)需要更加微型化的器件和更为便捷的交互方式。然而,物联网、可穿戴设备应用助推 MEMS 第三次产业化浪潮的同时,行业仍然面临来自产品规格、功率消耗、产品整合以及成本等方面的压力,MEMS 产品及相关技术亟待持续改进,以满足更小、更低能耗、更高性能的需求。

MEMS 制造行业主要经营模式

与传统集成电路产业类似,从 MEMS 产业价值链来看,根据行业内企业提供的产品或服务,可以分为设计、制造和封测三个环节。其中,MEMS 制造行业属于 MEMS 行业的一个环节,处于产业链的中游。该行业根据设计环节的需求开发各类 MEMS 芯片的工艺制程并实现规模生产,兼具资金密集型、技术密集型和智力密集型的特征,对企业资金实力、研发投入、技术积累等均提出了极高要求。

目前市场中,一方面 IDM 企业受到来自升级产业线以及降低成本维持利润的双重压力,市场中已出现 IDM 企业将制造环节外包的情况;另一方面,MEMS产品应用的爆发式增长需要不同领域、不同行业的新兴 MEMS 公司参与其中,但巨额的工厂建设投入、运维成本以及 MEMS 工艺开发、集成的复杂性却形成了较高的行业门槛,阻碍了市场的持续扩张。

在此背景下,纯 MEMS 代工厂与 MEMS 产品设计公司合作开发产品的商业模式将成为未来行业业务模式的主流。类似于传统集成电路行业发展趋势,MEMS 产业将逐步走向设计与制造分立、制造环节外包的模式。

MEMS 制造主要指 MEMS 芯片制造,行业内主要经营模式包括两类,一类是依靠自有生产线进行生产,另一类则是外包给 MEMS 代工厂进行生产。行业内提供 MEMS 制造代工服务的企业,从芯片类型和产业价值链来看,主要分为三类,即纯 MEMS 代工、IDM 企业代工以及传统集成电路 MEMS 代工。

一、纯 MEMS 代工

纯 MEMS 代工企业不提供任何设计服务,企业根据客户提供的 MEMS 芯片设计方案,进行工艺制程开发以及代工生产服务。代表企业有公司、TeledyneDalsa、IMT 等。

二、IDM 企业代工

IDM 企业即垂直整合器件制造商,该类厂商除了进行集成电路设计之外,一般还拥有自有的封装厂和测试厂,其业务范围涵盖集成电路的设计、制造、封装和测试所有环节。由于晶圆制造、封装和测试的生产线建设均需要巨额资金投入,因此 IDM 模式对企业的研发力量、资金实力和市场影响力都有极高的要求。在满足自身晶圆制造需求后,IDM 企业会将剩余的产能外包出去,提供 MEMS代工服务。采用 IDM 代工模式的企业均为全球芯片行业巨头,主要代表为博世(Bosch)、意法半导体(STMicro)、德州仪器(TI)等企业。

三、传统集成电路 MEMS 代工

传统集成电路(主要为 CMOS)代工企业以原有的 CMOS 产线为基础,嵌套部分特殊的生产 MEMS 工艺技术,将旧产线转化为 MEMS 代工线。由于批量生产能力突出,传统集成电路企业往往会集中向出货量较高的消费电子领域的MEMS 产品提供代工,该类代工企业以台积电(TSMC)、Global Foundries 等为代表。

历史发展过程中,由于 MEMS 产品在材料、加工、制造工序等单个产品差异较大,器件标准化程度较低,影响了产业垂直分工的发展,行业以 IDM 企业为主导。近年来,随着 MEMS 技术的发展和市场需求的逐渐兴起,MEMS 标准化的程度大大发展,平台化基础正在形成,越来越多的 MEMS 产品的产业链垂直分工条件日趋成熟。

MEMS行业的竞争壁垒

由于 MEMS 行业存在产品非标准化的特点,MEMS 公司无法仅仅通过单一工艺支持整个产品世代。MEMS 产品中,除了采用相同的硅材料外,没有可以在所有器件中通用的基础元件,“一类产品,一种制造工艺”的定律意味着MEMS 制造商需要针对每个单独的产品采取不同的工艺策略。在生产过程中,往往需要同时对多个产品同时进行工艺研发,在研发完成、产品测试合格并实现量产、进行销售之前,公司需要大量资金投入以维持运营。

因此,MEMS 相较于传统集成电路不仅需要大量的时间成本,还需要大量的资金投入,这就建立期了其资金壁垒。

除了资金外,技术又是其另一个壁垒。

首先,MEMS 是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域,相对于传统的机械,它们的尺寸更小,最大的不超过一厘米,有些甚至仅仅几微米,其厚度更加微小。因而 MEMS 产品的开发和制造需要包括与物理、化学、生物等相关的专业技术。

其次,MEMS 需要多种工艺开发技术。MEMS 晶圆代工业务需要并行处理多项工艺开发项目,还需要尽可能以最有效的方式利用所有工程资源。“一类产品,一种制造工艺”的定律意味着每种产品都需要从头开始设计工艺。每一项工艺都需要经过工艺开发和优化的步骤,这些工艺步骤包括DRIE、键合、薄膜沉积(特别是在薄膜特性会直接影响 MEMS 性能的地方,如压电材料等)和晶圆封盖。光刻也是另一道需要经常调整的工艺,MEMS 的 3D

结构相比于普通的平面结构难度更高。

再次,MEMS 需要具有独特专有的设备开发技术。例如,DRIE 通过精密刻蚀硅材料,严格控制深度、宽高比及侧壁轮廓来实现 3D 结构。刻蚀可深可浅,而且涉及到刻蚀晶圆的任意比例。开发这些刻蚀工艺的关键参数需要特定的 MEMS 工艺工程技术,同时还需要这些专门的设备来积累丰富的经验。

人才壁垒也是不可忽视的一个方面。

MEMS 开发过程中相互影响的因素,如工具、设计及工艺的相互依赖,意味着成功的 MEMS 项目依赖于丰富的产品经验以及对这些影响因素的充分理解。从经验上来看,MEMS 项目通常需要受过高等教育的工程师组建为专门化团队进行集体研发,工程师需要拥有至少 10 年工作经验,以保证研发效率及成功率,而具备前述条件的工程师十分稀缺。因此 MEMS 市场存在相当高的人才壁垒。

MEMS行业竞争格局

MEMS 制造上连产品设计,下接产品封测,是 MEMS 产业链中必不可少的一环。MEMS 产品类别多样、应用广泛,客户定制化程度非常高,其生产采用的微加工技术强调工艺精度,属于资金、技术及智力密集型行业。

全球范围内,MEMS 产能主要集中在欧美等发达国家,目前国际主要 MEMS 代工厂商之间市场份额差距不大,且市场整体集中度较低,因此竞争较为激烈。国内目前尚未出现拥有持续量产实践的 MEMS 制造企业,但国内市场需求巨大,政策及产业合力助推 MEMS 全产业链布局,未来产能将部分向国内转移,预计短期内国内MEMS 市场将处于弱竞争洼地,随着国内 MEMS 产业的发展与成熟,未来国内MEMS 企业间摩擦将日益加剧。

从产业发展趋势上看,尽管目前 IDM 企业凭借长期的行业积累、技术实力以及客户基础主导着 MEMS 加工制造,随着新兴器件的涌现、新细分市场及应用的开辟以及纯代工 MEMS 企业在擅长领域内的设计与加工工艺沉淀而产生的经验效应,能够同时处理多类器件开发及生产的纯MEMS 代工企业将成为制造外包业务中的强力竞争者。就竞争强度而言,部分中低端器件尤其是消费电子类 MEMS 器件出货量巨大且技术要求较低,商品同质化程度较高,可预见未来细分行业市场竞争将会加剧。

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