国产MEMS产业正崛起，士兰微凭何立足MEMS IDM之林？
2020-04-26 19:46:48   来源：集微网   评论：0   点击：

集微网报道，2020年1月10日，国务院召开了2019年度国家科学技术奖励大会。杭州士兰微电子股份有限公司参与完成的“高效模数转换器和模拟前端芯片关键技术及应用”项目获得国家技术发明奖二等奖，该项目解决了高效模数转换器及模拟前端芯片的自主可控发展难题，也是士兰微始终重视的半导体领域基础性技术和应用的研究之一，目前在MEMS传感器件的设计、信号处理芯片的设计、MEMS芯片工艺制造技术、MEMS封装技术、传感器测试技术等相关的技术领域投入了全方位的研发资源，已完成从惯性传感器、地磁传感器到压力传感器的IDM发展。

高速成长的中国MEMS市场，严重进口依赖

与传统传感器相比，MEMS具有体积小、集成度高、智能化、低成本、低功耗、可大规模生产等优点，MEMS内部一般在微米甚至纳米级别，使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。随着物联网应用的兴起，MEMS传感器已成为物联网时代驱动变革最重要的力量之一，全球MEMS行业在未来几年将持续每年两位数的增长，这个增长速度远超全球集成电路行业的增速（不包含存储器行业）。市场研究机构Yole预测，MEMS市场将在2019年至2024年期间实现显著增长，市场营收的复合年增长率约为8.3%，出货量的复合年增长率约为11.9%。

数据显示，2019年中国MEMS传感器市场规模达到597.8亿元，同比增长18.3%。MEMS传感器主要是以手机为代表的消费电子市场应用为主，另外一个重要市场就是汽车电子；亚太地区无疑是除北美市场之外第二大的传感器市场，而中国大陆无疑是亚太地区增速最快的市场。随着消费电子、汽车电子产品等下游行业的快速发展，全球电子整机产业以及硬件创新市场逐渐向中国转移，中国市场对于MEMS器件的需求增速远高于全球MEMS市场增速。

然而，与庞大需求相对应的，是国内市场供给能力严重不足。全球MEMS市场被博世、意法半导体、霍尼韦尔等国际厂商占据超过60%的份额，中国市场80%的芯片依赖国外进口，国内MEMS企业中70%是中小企业，产品主要集中在中低端。可以说，与CMOS芯片相比，MEMS传感器对进口依赖更为严重。

这种巨大的供需落差是由于国内MEMS产业起步较晚。国内的MEMS产业于2010年以后才初具雏形，现在已逐渐形成以北京、上海、深圳和西安等中心城市为主的区域空间布局，产业布局主要以MEMS芯片设计为主，在生产制造环节主要依赖国外企业。由于MEMS工艺与CMOS工艺差异较大，涉及到微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域，没有标准工艺流程，封装、测试也与CMOS芯片工艺差异较大，因此MEMS制造技术挑战极大。在制造方面的缺失，将无法为本土的MEMS设计公司提供供应链支持，成为制约中国MEMS产业发展的最大障碍。

士兰微专业人士指出：“国内MEMS产业的主要弱点在于制造。国内MEMS商业化布局较晚，材料和制造工艺研究薄弱，是造成MEMS产业落后于国际的主要原因。比如，MEMS器件中的一个参数叫零漂的温漂数据，这项参数足以让企业花费大量资源去研究，结果还未必有竞争力。MEMS器件中各类参数200多项，每一项都有其应用中的意义，也有其制造工艺上的关键点。这些研究，国内企业都需要花相应的资源去一步步试验。国外企业踏过的坑，国内企业也会遇到，很难有捷径可走。当然设计和封装也有弱点，但这些弱点相对容易通过学习来弥补。”

在MEMS传感器应用前景良好和国产化进程提速背景下，可以预期未来我国MEMS传感器市场前景广阔。前瞻产业研究院预测，未来几年我国MEMS传感器市场规模年均增速保持在15%左右，到2025年将达到1488.6亿元。

IDM模式对于MEMS产业更具优势，士兰微积极布局初具成效

自从智能手机催生庞大的MEMS传感器市场起，MEMS供应商之间的竞争越来越激烈，并且IDM模式的MEMS厂商持续处于领导地位。

MEMS传感器利用半导体制造技术和微加工技术将微结构、微传感器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上，制造工艺极其复杂。在制造方面，全球MEMS代工主要有两种类型：IDM厂商提供的MEMS代工，以及独立代工厂提供的MEMS代工。其中，独立的代工厂包括集成电路代工厂和纯MEMS代工厂。目前，提供MEMS代工的IDM厂商主要有ST、索尼、TI等；台积电是全球最大的晶圆代工厂，其MEMS代工业务也排在行业前列。全球领先的纯MEMS代工厂有Silex Microsystems、Teledyne DALSA、Asia Pacific Microsystems、X-FAB、Innovative Micro Technology等。

中国MEMS产业要彻底实现我国MEMS产业的飞速发展和自主可控，最关键的是需要在MEMS芯片的设计和生产制造环节取得突破，在这方面，国内企业逐渐开始走国外厂商的MEMS设计制造一体化的IDM道路，士兰微便是其中之一。

1997年成立以来，士兰微实现了芯片设计、制造、封测等环节的一体化布局，为逐步发展成为MEMS IDM 供应商奠定了坚实的基础。

目前全球前十大的MEMS公司均为欧美日企业，国际MEMS大厂（惠普、TI、意法半导体、博世等）都以IDM(设计/制造一体化）模式运营，可以说IDM模式于MEMS产品更具优势。这是由于：首先制造传感器没有标准工艺，不同类型的传感器所采用的工艺路线均不相同；第二，一颗传感器产品可以视为一个系统，其封装对产品性能和可能性影响非常大；第三，传感器和传感器系统的晶圆测试和产品测试与普通的CMOS芯片差异非常大；最后，IDM厂商对于MEMS生产和供货具有更强的稳定性和弹性。

“士兰微能够成为国内屈指可数的MEMS传感器IDM供应商，得益于三个方面。首先，得到了国家重大科技专项的支持，士兰微获得02专项资金用于开展MEMS传感器的研发工作，并完成了从惯性传感器、地磁传感器到压力计等传感器的IDM化发展，上文中提到的获得国家技术发明奖二等奖的‘高效模数转换器和模拟前端芯片关键技术及应用’项目正是基于此合作。该项目发明了高效可配置模数转换及模拟前端芯片架构、高效误差数字校准及高精度时钟、高效模拟前端采样等技术，可应用于多维传感器、锂电管理系统等系列产品，解决了高效模数转换器及模拟前端芯片的自主可控发展的难题。”该公司相关人士对集微网记者表示，“其次，士兰微已具备种类比较全面的MEMS产品布局，成熟的设计、制造、封测等IDM软硬件配套，以及逾20年的产业经验积累，非常契合传感器IDM模式的特性。最后，公司通过近十年的技术积累和长期的特殊工艺摸索，累积了丰富的技术工艺，已申请相关发明专利百余项。”

因此不难发现，基于士兰微种类比较全面的MEMS产品布局和半导体芯片制造基础，走IDM路线更适合自身企业的长期良性发展。

士兰微如何立足MEMS传感器市场？

自2010年开始至今，士兰微电子在惯性传感器、磁传感器、压力传感器、硅麦克风传感器以及光传感器等特殊工艺的集成电路设计、制造和封测领域已积累大量经验，并成功导入量产，传感器已批量应用于智能手机、平板电脑、智能手环、行车记录仪、TWS耳机等领域。

据介绍，2012年11月，士兰微电子研发成功了第一颗MEMS惯性加速度计电路SC7A30；2013年08月，士兰微电子推出第一颗三轴磁传感器电路SC7M30；这两款产品均采用3.0mm x 3.0mm x 1.0mm的LGA封装，可应用于智能手机和平板电脑等各种场合。2016年，推出国内首款单芯片六轴惯性传感器SC7I20。目前，系列化的传感器产品主要有：加速度传感器、陀螺仪、多轴惯性传感器、地磁传感器、空气压力传感器、温湿度传感器、硅麦克风、接近及环境光传感器、心率传感器、电流传感器、角度及位置传感器、车用胎压传感器等。

MEMS市场看起来虽然诱人，但是厂商之家的厮杀非常激烈，并且利润率不断下降，对于MEMS厂商而言，如果想要获得市场份额，产品的差异化显得至关重要。通过公司在设计、制造、封测等领域积累的丰富经验，士兰微可以在实现优化制造成本的同时，持续为客户提供差异化的产品和优质的服务。

一位长期从事传感器产品及应用方案研究的业内人士透露，“传感器产品，例如加速度计，代表性的国际厂商包括意法半导体、博世等都是IDM厂商，产品性能高，是真三轴，但是也存在价格高、供货在交期方面有一定风险；而国内厂商虽然在价格方面具有一定优势，但由于多数是Fabless企业，其在产能、产品可靠性方面经常出现不能满足客户需求的情况，甚至有些产品还可能是假三轴。”该专业人士指出，“士兰微具有自己的制造封测能力，性能可控、价格适中，是真三轴，无粘附，自有产线也能极大地确保交期可控。”

产品改良周期长可能也是本土MEMS厂商存在的一个痛点。一般来说，MEMS芯片设计者以DOE的形式去晶圆厂投片、拿回样品测试，根据测试结果修正自己的架构设计或材料设计等，然后再去投DOE，往往要几个来回之后才能得到令人满意的设计结果。期间如果不能得到晶圆厂的大力配合，DOE的时间和质量都不能令人满意，会大大拖慢开发的周期和产品迭代的进度。在这方面，具备自己的晶圆线的士兰微就具有很大的优势，可以大幅缩短产品改良周期。

此外，传感器封装应力对产品的影响非常大，因此士兰微采用LGA封装自行加工以确保封装应力得到极致优化且成本可控，而采用内部封装，产品交货周期和质量追溯也实现了可控。

通过十年的技术积累，士兰微在惯性传感器上已取得较好成绩，加速度计传感器累计已出货2亿只，在智能手机和智能穿戴领域积累了较多的客户群。据了解，士兰微的心率传感器和硅麦克风传感器也已陆续在市场上批量出货，并且与加速度计产品形成传感器套片，进一步提升了产品的配套能力。

结语

“后摩尔”时代，MEMS成为超越摩尔技术的重要组成部分。在边缘设备中将多种传感器融合，再结合人工智能技术，可以为视、听、嗅、运动等多种物理量的感测开辟新应用，新兴MEMS技术将开拓新疆界。伴随着诸如士兰微等本土供应链的不断成熟壮大，诚然眼下差距仍然较大，但是未来中国厂商必将可以在MEMS市场上大展拳脚。