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    MEMS,中國半導體的另一個突破口?

    Sep,14,2022 << Return list

    什么是MEMS?MEMS是微電路和微機械按功能要求在芯片上的一種集成,基于光刻、腐蝕等傳統半導體技術,融入超精密機械加工,并結合力學、化學、光學等學科知識和技術基礎,使得一個毫米或微米級的MEMS具備精確而完整的機械、化學、光學等特性結構。


    MEMS行業的誕生契機是什么?在集成電路行業不斷發展的背景下,傳統的集成電路無法持續地滿足終端領域日益變化的需求,因此,微電子學、微機械學以及其他基礎自然科學學科的相互融合之下,誕生了以集成電路工藝為基礎,結合體微加工等技術打造的新型芯片,這就是MEMS。

    2021年全球前30 MEMS廠商排名

    近日,知名研究機構Yole發布了2021年全球MEMS廠商的排名(按照營收情況)。如下圖所示,前十的老牌MEMS企業在過去幾年基本沒有發生太大變化,分別是博世、博通、意法半導體、Qorvo、TDK、歌爾微、德州儀器、惠普、英飛凌、樓氏電子等。再往后分別是Honeywell、恩智浦、TE Connectivity、ADI、佳能、Skyworks、Murata、SI time、Sensata、瑞聲科技、SENSIRION、FLIR System、AMPHENOL、LYNRED、賽威電子、Teledyne MEMS、Melexis、Guide IR、臺積電。這些廠商中包括IDM、Fabless和代工廠各種類型的廠商。

    可以看出,幾乎所有企業都呈現出穩定的增長勢頭。博世和博通繼續是MEMS的領導者,其業務和增長都非常出色,博世受益于汽車MEMS產品的應用,2021年的營收超過17億美元;博通接近14億美元,從第三名開始,營收就接近腰斬。博通、Qorvo和高通主要是RF MEMS起決定性作用。隨著手機頻率的增加和5G的引進,對射頻MEMS傳感器的需求還將進一步增長,同時收益于RF MEMS傳感器的廠商還有Skyworks。


    TDK幾年前通過收購InvenSense進入這個市場,2021年TDK增長迅速,其中,TDK子公司Tronics 在2022財年實現了50%的收入增長。再加上由于運動傳感器客戶群的擴大以及MEMS麥克風新業務的推出,中國智能手機的運動傳感器銷售額增長。


    而德州儀器、歌爾微、惠普、佳能、瑞聲科技、FLIR System等的增長均較小,樓氏是少有的營收下降的企業。十年前德州儀器和惠普是MEMS領域的王者,但德州儀器最近這些年來銷售額增長乏力,沒有贏得新市場的青睞;惠普將測量部門分拆后出售,再加上噴墨打印機市場消退,惠普的MEMS業務也遭受了眾創。


    從地域來看,在MEMS這個領域,依然是美國占據較強的地位,有接近一半的廠商是屬于美國。歐洲也不遜色,有博世、意法半導體、恩智浦等。日本廠商以特色占有一席之地。中國靠麥克風市場(樓氏、歌爾微、瑞聲科技)和代工市場(賽微電子)占據一定的地位。


    整體來看,全球MEMS市場規模的收入從2020年的115億美元增加到2021年的約136億美元,同比增長17%。2021 年的收入是由消費和汽車應用的持續傳感化以及醫療和工業終端市場及相關應用的進步推動的。由于芯片短缺和全球分配問題,慣性和壓力MEMS等一些MEMS器件的ASP在2021年略有增長,為市場創造了額外的收入增長。


    隨著萬物互聯與人工智能的興起,MEMS產品種類增加、市場規模擴大,行業對產品生產周期的縮短及生產成本的降低提出了更高要求,同時MEMS工藝研發費用迅速上升以及未來建廠費用高啟促使更多的半導體廠商將工藝開發及生產相關的制造環節進行外包,純 MEMS代工廠與MEMS產品設計公司合作開發的商業模式將成為未來主流行業業務模式。類似于傳統集成電路行業發展趨勢,MEMS產業也將逐步走向設計與制造分立、制造環節外包的模式。從趨勢上看,全球MEMS 代工業務將會快速擴張。


    MEMS代工廠迎來豐收時刻

    這幾年得益于產能的持續提升及需求的持續增長,賽微電子在全球MEMS純晶圓代工市場中的份額占比從2019年的15.61%提升到了2021年的18.18%。目前賽微電子在瑞典擁有一座成熟運轉的 MEMS 晶圓工廠,內含兩條8英寸產線;在北京擁有一座處于建成運營初期、具備規模產能的MEMS晶圓工廠,內含一條8英寸產線;這兩座晶圓工廠均處于持續擴產狀態,其中瑞典產線主要是添購部分設備以滿足相關客戶的訂單需求;北京產線則將從當前的1萬片/月向3萬片/月產能擴充。


    Teledyne DALSA成立于1980年,2011 年被Teledyne Technologies收購,2019年,Teledyne又收購Micralyne,鞏固了全球MEMS代工廠領先地位。


    2021年,臺積電公司完成壓電微機電技術的驗證,以生產具備高音質及快速響應的微機電揚聲器。未來計劃包含開發下一世代高敏感度壓電麥克風、十二英寸晶圓微機電光學影像穩定系統、醫療用單芯片超音波傳感器,以及車用微機電應用。


    X-FAB不僅是全球最大的SiC大廠,但是其也代工MEMS。2011年X-FAB收購了MEMS 代工廠Itzehoe GmbH (MFI) 25.5%的股權,開始進軍MEMS代工。


    排名第八的是臺灣的VIS ,該公司是由張忠謀于1994 年12月在新竹科學園區創立,最初是臺積電的分包商,主要專注于DRAM和其他存儲 IC 的生產和開發。2000年,VIS宣布計劃從DRAM制造商轉型為代工服務商。2019年VIS收購了Globalfoundries的MEMS代工業務進軍MEMS代工。


    日本的索尼、羅姆也是MEMS代工領域的玩家,索尼能代工8英寸MEMS晶圓,羅姆能代工6英寸晶圓。

    值得注意的是,博世、意法半導體和聯華電子雖然也提供一定的代工服務,但是市場體量很小,年銷售額在1000萬美元到2000萬美元之間。這從側面反映出市場對他們直銷MEMS的強勁需求,幾乎沒有閑置產能。


    隨著MEMS傳感器空前的需求,包括博世、SilTerra、士蘭微電子、FormFactor等在內的MEMS廠商正在建設新的生產工廠,如博世宣布建設一條將于2026年開通的 300mm MEMS工廠。但是現在全球各家IDM和代工廠均在大幅擴產,對設備的需求也是空前,建廠進度可能受制于設備的交貨時間等問題。


    與此同時,有一些企業開始了并購之路。2021年12月,賽微電子全資子公司Silex收購了德國Elmos的200mm汽車芯片晶圓生產線;2021年6月,Mitsumi收購了Omron的8英寸晶圓廠,該晶圓廠主要生產MEMS業務,收購業務后,該公司表示將投資超過100億日元在該工廠建立每月約20,000片8英寸晶圓的生產系統。


    MEMS未來發展的驅動力主要有哪些?

    從市場需求來看,Yole預計MEMS行業預計在5年后將突破220億美元大關,在2021年至2027年期間每年以約9%的速度增長。具體到應用領域來看,通訊、生物醫療、工業汽車及消費電子的應用增速均非??捎^,其中通訊領域的復合增長率高達25%。如果按照各細分領域來看,預計到2026年,10億美元以上的MEMS細分領域包括射頻MEMS(40.49億美元)、MEMS慣性器件(40.02億美元)、壓力 MEMS(23.62億美元)、麥克風(18.71億美元)以及未來應用(13.63 億美元)。


    從技術方面來看,Yole認為,當前影響MEMS技術發展趨勢的三大支柱分別為:一是材料上的革命,如采用諸如氮化鋁、鋯鈦酸鉛等壓電新材料,來提升MEMS器件的功能、增強靈敏度,和降低能耗;二是三維(3D)集成(包括大熱的Chiplet),如MEMS 后道工藝、集成電路芯片/單芯片SoC片上系統的三維堆疊、12英寸MEMS產線的支持;三是先進封裝,如過去前期處理(數字信號處理)、傳感器融合、無線控制器、硅通孔TSV/玻璃通孔TGV技術到現在埋入式軟件/算法、邊緣智能和異質異構集成技術。


    對MEMS的強勁需求,使得一些MEMS代工廠的產能已經排到2023年底。但Yole分析師指出,由于當前的微觀經濟和宏觀經濟形勢導致運營成本上升,導致利潤率下降,某些MEMS器件的平均售價增加。再加上一些集成商對MEMS芯片的囤積恐導致的未來庫存過剩,可能導致2023年及以后的MEMS廠商活動低迷。

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