你真的懂MEMS吗？

　　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(Closed Package)、开放空腔式封装(Open Cavity Package)、眼式封装(Open Eyed Package)。

　　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 的工艺难度高，其良率仍然与传统 IC 制造相比有一定的差距。

　　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。