MEMS,中国半导体的另一个突破口?

2022年09月12日 14:35 次阅读 稿源:半导体行业观察 条评论

MEMS行业作为基于集成电路技术演化而来的新兴子行业,这几年发展迅速,如今,MEMS传感器和执行器已成为日常生活的一部分,2021年对于MEMS公司来说是不平凡的一年,这一年大多数MEMS厂商迎来了可观的增长。

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什么是MEMS?MEMS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行业的诞生契机是什么?在集成电路行业不断发展的背景下,传统的集成电路无法持续地满足终端领域日益变化的需求,因此,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之下,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,这就是MEMS。

2021年全球前30 MEMS厂商排名

近日,知名研究机构Yole发布了2021年全球MEMS厂商的排名(按照营收情况)。如下图所示,前十的老牌MEMS企业在过去几年基本没有发生太大变化,分别是博世、博通、意法半导体、Qorvo、TDK、歌尔微、德州仪器、惠普、英飞凌、楼氏电子等。再往后分别是Honeywell、恩智浦、TE Connectivity、ADI、佳能、Skyworks、Murata、SI time、Sensata、瑞声科技、SENSIRION、FLIR System、AMPHENOL、LYNRED、赛威电子、Teledyne MEMS、Melexis、Guide IR、台积电。这些厂商中包括IDM、Fabless和代工厂各种类型的厂商。


2021年MEMS供应商收入排名(百万美元)(来源:Yole)

注释:绿色虚线框是IDM厂商、蓝色虚线框是纯代工厂、其余为Fabless厂商

可以看出,几乎所有企业都呈现出稳定的增长势头。博世和博通继续是MEMS的领导者,其业务和增长都非常出色,博世受益于汽车MEMS产品的应用,2021年的营收超过17亿美元;博通接近14亿美元,从第三名开始,营收就接近腰斩。博通、Qorvo和高通主要是RF MEMS起决定性作用。随着手机频率的增加和5G的引进,对射频MEMS传感器的需求还将进一步增长,同时收益于RF MEMS传感器的厂商还有Skyworks。

TDK几年前通过收购InvenSense进入这个市场,2021年TDK增长迅速,其中,TDK子公司Tronics 在2022财年实现了50%的收入增长。再加上由于运动传感器客户群的扩大以及MEMS麦克风新业务的推出,中国智能手机的运动传感器销售额增长。

而德州仪器、歌尔微、惠普、佳能、瑞声科技、FLIR System等的增长均较小,楼氏是少有的营收下降的企业。十年前德州仪器和惠普是MEMS领域的王者,但德州仪器最近这些年来销售额增长乏力,没有赢得新市场的青睐;惠普将测量部门分拆后出售,再加上喷墨打印机市场消退,惠普的MEMS业务也遭受了众创。

从地域来看,在MEMS这个领域,依然是美国占据较强的地位,有接近一半的厂商是属于美国。欧洲也不逊色,有博世、意法半导体、恩智浦等。日本厂商以特色占有一席之地。中国靠麦克风市场(楼氏、歌尔微、瑞声科技)和代工市场(赛微电子)占据一定的地位。

整体来看,全球MEMS市场规模的收入从2020年的115亿美元增加到2021年的约136亿美元,同比增长17%。2021 年的收入是由消费和汽车应用的持续传感化以及医疗和工业终端市场及相关应用的进步推动的。由于芯片短缺和全球分配问题,惯性和压力MEMS等一些MEMS器件的ASP在2021年略有增长,为市场创造了额外的收入增长。


随着万物互联与人工智能的兴起,MEMS产品种类增加、市场规模扩大,行业对产品生产周期的缩短及生产成本的降低提出了更高要求,同时MEMS工艺研发费用迅速上升以及未来建厂费用高启促使更多的半导体厂商将工艺开发及生产相关的制造环节进行外包,纯 MEMS代工厂与MEMS产品设计公司合作开发的商业模式将成为未来主流行业业务模式。类似于传统集成电路行业发展趋势,MEMS产业也将逐步走向设计与制造分立、制造环节外包的模式。从趋势上看,全球MEMS 代工业务将会快速扩张。

MEMS代工厂迎来丰收时刻

2021年MEMS纯代工厂的销售额为6.9亿美元,比2020年的5.7亿美元同比增长21%。2021年的代工市场份额约占总额的5.1%。所以可以看出,MEMS代工市场虽然提供了相对较小的市场份额,但市场却在不断增长。他们主要为那些无晶圆厂公司以及那些无法在内部完成100%传感器制造的IDM提供代工服务。

以前MEMS代工厂的营收很少,通常不到6000万美元,但现在随着Fabless的崛起,增强了对MEMS外包的需求,MEMS代工厂迎来了良好的发展,收入增长强劲。纯代工厂玩家主要有赛威电子、Teledyne、台积电、X-FAB、索尼和意法半导体等,他们合计占据着超过65%的市场份额。


注:台积电和X-FAB为综合型代工厂,Yole仅统计的是MEMS业务。

这几年得益于产能的持续提升及需求的持续增长,赛微电子在全球MEMS纯晶圆代工市场中的份额占比从2019年的15.61%提升到了2021年的18.18%。目前赛微电子在瑞典拥有一座成熟运转的 MEMS 晶圆工厂,内含两条8英寸产线;在北京拥有一座处于建成运营初期、具备规模产能的MEMS晶圆工厂,内含一条8英寸产线;这两座晶圆工厂均处于持续扩产状态,其中瑞典产线主要是添购部分设备以满足相关客户的订单需求;北京产线则将从当前的1万片/月向3万片/月产能扩充。

Teledyne DALSA成立于1980年,2011 年被Teledyne Technologies收购,2019年,Teledyne又收购Micralyne,巩固了全球MEMS代工厂领先地位。

2021年,台积电公司完成压电微机电技术的验证,以生产具备高音质及快速响应的微机电扬声器。未来计划包含开发下一世代高敏感度压电麦克风、十二英寸晶圆微机电光学影像稳定系统、医疗用单芯片超音波传感器,以及车用微机电应用。

X-FAB不仅是全球最大的SiC大厂,但是其也代工MEMS。2011年X-FAB收购了MEMS 代工厂Itzehoe GmbH (MFI) 25.5%的股权,开始进军MEMS代工。

排名第八的是台湾的VIS ,该公司是由张忠谋于1994 年12月在新竹科学园区创立,最初是台积电的分包商,主要专注于DRAM和其他存储 IC 的生产和开发。2000年,VIS宣布计划从DRAM制造商转型为代工服务商。2019年VIS收购了Globalfoundries的MEMS代工业务进军MEMS代工。

日本的索尼、罗姆也是MEMS代工领域的玩家,索尼能代工8英寸MEMS晶圆,罗姆能代工6英寸晶圆。


图中M2 Fab是罗姆的6英寸MEMS晶圆代工厂(图源:罗姆)

值得注意的是,博世、意法半导体和联华电子虽然也提供一定的代工服务,但是市场体量很小,年销售额在1000万美元到2000万美元之间。这从侧面反映出市场对他们直销MEMS的强劲需求,几乎没有闲置产能。

随着MEMS传感器空前的需求,包括博世、SilTerra、士兰微电子、FormFactor等在内的MEMS厂商正在建设新的生产工厂,如博世宣布建设一条将于2026年开通的 300mm MEMS工厂。但是现在全球各家IDM和代工厂均在大幅扩产,对设备的需求也是空前,建厂进度可能受制于设备的交货时间等问题。

与此同时,有一些企业开始了并购之路。2021年12月,赛微电子全资子公司Silex收购了德国Elmos的200mm汽车芯片晶圆生产线;2021年6月,Mitsumi收购了Omron的8英寸晶圆厂,该晶圆厂主要生产MEMS业务,收购业务后,该公司表示将投资超过100亿日元在该工厂建立每月约20,000片8英寸晶圆的生产系统。

MEMS未来发展的驱动力主要有哪些?

从市场需求来看,Yole预计MEMS行业预计在5年后将突破220亿美元大关,在2021年至2027年期间每年以约9%的速度增长。具体到应用领域来看,通讯、生物医疗、工业汽车及消费电子的应用增速均非常可观,其中通讯领域的复合增长率高达25%。如果按照各细分领域来看,预计到2026年,10亿美元以上的MEMS细分领域包括射频MEMS(40.49亿美元)、MEMS惯性器件(40.02亿美元)、压力 MEMS(23.62亿美元)、麦克风(18.71亿美元)以及未来应用(13.63 亿美元)。

从技术方面来看,Yole认为,当前影响MEMS技术发展趋势的三大支柱分别为:一是材料上的革命,如采用诸如氮化铝、锆钛酸铅等压电新材料,来提升MEMS器件的功能、增强灵敏度,和降低能耗;二是三维(3D)集成(包括大热的Chiplet),如MEMS 后道工艺、集成电路芯片/单芯片SoC片上系统的三维堆叠、12英寸MEMS产线的支持;三是先进封装,如过去前期处理(数字信号处理)、传感器融合、无线控制器、硅通孔TSV/玻璃通孔TGV技术到现在埋入式软件/算法、边缘智能和异质异构集成技术。

对MEMS的强劲需求,使得一些MEMS代工厂的产能已经排到2023年底。但Yole分析师指出,由于当前的微观经济和宏观经济形势导致运营成本上升,导致利润率下降,某些MEMS器件的平均售价增加。再加上一些集成商对MEMS芯片的囤积恐导致的未来库存过剩,可能导致2023年及以后的MEMS厂商活动低迷。

写在最后

过去十年间,MEMS市场格局主要受手机和耳机市场的影响,一些厂商因此冲到榜单前面,也有一些厂商被时代甩到后面。不过有一点直观的是,这些MEMS玩家无论是Fabless、IDM还是Foundry,都不是仅有MEMS这一项业务,只依靠MEMS业务的厂商很难具备独立存活的能力。但MEMS又如此不可或缺,好在,我国在MEMS这个领域这几年的发展不错,如歌尔微、敏芯股份、瑞声科技、美新、西人马、通用微等不少中国力量正在崛起。

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