中国半导体弯道超车的最后机会，MEMS市场！

2016-11-07 中国半导体论坛 

➤MEMS较之传统机械工艺比较优势明显

MEMS工艺不仅具有集成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果，与传统的机械工艺相比，它具有微型化、集成化、多样化、批量化等特点，成本上也有明显优势，且生产出的产品功能多样，可高度集成。

 ➤机遇与挑战并存，MEMS铸就下一个千亿市场

 MEMS是集成电路相对景气的子领域，预计到2021年全球MEMS产业规模将达到200亿美元，2015-2021复合增长率为8.9%，增速远高于集成电路行业平均水平，同时受移动设备市场逐步饱和的冲击，增速有所放缓。国内增速快于国外，消费电子、医疗和工业控制等细分领域引领市场。

 ➤感知时代，MEMS借力物联网蓄势腾飞

 传感器作为感知层的重要组成部分，在物联网时代不可替代，MEMS作为支撑技术，也将发挥重要作用。预计2020年全球物联网市场市值将增至1.7万亿美元，约有500亿台设备接入物联网，物联网是继汽车电子、智能手机、可穿戴设备后MEMS的下一个核心驱动力。

 ➤专业分工大势所趋，产业链中下游Foundry和封测厂商受益明显

 MEMS将“重演”集成电路领域产业链裂变过程，专业分工是大势所趋。MEMS行业是个相对较小且分散的行业，适合Fabless的轻资产模式，MEMS代工厂商地位将日益突出，且较之于集成电路一线的Foundry，专注MEMS行业的Foundry诸如赛莱克斯、ITM、Tronics并无明显劣势，更有助于贴近客户。除此之外，MEMS封测环节技术较之集成电路复杂，更是占据了成本70%，拥有批量自动化封装及测试能力的厂商将获取产业链最大份额“蛋糕”。

 MEMES是IC与机械的完美融合

 微机电系统Micro-Electro-MechanicalSystems （MEMS）是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、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的微型集成系统。由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。

 MEMS工艺兼具批量生产和成本优势

 典型的MEMS系统如图所示，由传感器、信息处理单元、执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它微系统进行通信。

MEMS工艺与传统的IC工艺有许多相似之处，如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等，但是有些复杂的微结构难以用IC工艺实现，除了体微加工技术、表面微加工技术之外，MEMS制造还广泛地使用多种特殊加工方法，包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。

 MEMS是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果，与传统的机械工艺相比，它具有微型化、集成化、多样化、批量化等特点。

 ✦  原材料价格低廉：大部分MEMS的原材料是硅(Si)，价格低廉，产量充足

 ✦  批量生产，良率高： MEMS工艺全自动化控制，隔离了人为因素，最大限度地控制同一批MEMS芯片之间的工艺误差，从而提升良品率。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。

 ✦  体积小、重量轻：传统机械加工无法使用纳米-微米级别的工艺，MEMS采用类似集成电路的工艺保证了产品的微型化。

MEMS产品功能多样、高度集成

 MEMS传感器：硅麦克风、陀螺仪、加速度器、磁力计、组合传感器、压力传感器、轮胎压力传感系统等。

MEMS执行器：微镜、振动器、射频、体声波滤波器、喷墨头、自动聚焦、红外探测器等

集成可能性是MEMS技术的另一个优点，MEMS和ASIC(专用集成电路)采用相似的工艺，因此具有极大地潜力将二者集成，上图的加速度计中MEMS与IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一个封装内。

增速快于集成电路，国内快于国外

全球MEMS增速有所放缓

过去几年，以智能手机为代表的消费电子产品大幅拉升MEMS器件的出货量，随着智能手机/便携式应用市场已经接近饱和，MEMS市场增速比前几年有所放缓。Yole Development预计2015~2021年全球MEMS市场的复合年增长率（CAGR）为8.9%，将从119亿美元增长到200亿美元，同期全球MEMS出货量的复合年增长率为13%。

预计2016年，MEMS按产品线划分占主导低位的依然是惯性传感器和微流量传感器，占比都为24%左右，其次是压力传感器，占比为13%，光学传感器和喷墨头，占比都为10%左右。

国内MEMS聚焦长三角，处于发展初期

 从区域而言，MEMS产业拥有很强的区域分布特点，无论是设计企业、制造企业还是封装测试企业，基本都围绕长三角来展开；北方主要集中在航天、兵器、电子这些研究所里面，面向国防军工、航天应用领域，因此形成了相对封闭的体系；珠三角地区则更多做应用和销售，中西部MEMS产业较为落后。

中国的MEMS产业生态系统也正逐步完善，从研发、开发、设计、代工、封测到应用，产业链已基本形成，今后MEMS将在消费电子、汽车工业、工业控制乃至生物医学、航空航天等领域扮演越来越重要的角色。

国内MEMS持续火热，消费和医疗引领市场

从应用结构来看，由于国内智能手机较广的普及率及市场存量，网络通信应用领域领跑中国MEMS市场的发展；同时，中国中国是全球最大的汽车生产国，国家极力推动新能源汽车及车联网的发展，汽车电子领域所占份额仅次于网络通信；此外，在计算机领域，除了平板电脑对MEMS器件需求量大，喷墨打印头也占了相当大的比重。

根据赛迪顾问的研究数据，2014年医疗领域占据全球19%的MEMS市场，中国则不到10%。随着居民收入水平的提高，对健康的需求日益提升，在未来整个市场当中，医疗领域增长最快。其次是在消费领域，第一，消费电子领域基数较小，第二，智能家居、可穿戴设备以及AR/VR等新兴领域将推动整个消费领域的增长。

据赛迪顾问的研究数据，2014年中国MEMS器件市场规模为265亿元人民币，占据全球市场的三分之一。从发展速度而言，中国MEMS市场增速一直快于全球市场增速。2014年中国MEMS器件市场增速高达17%，中国集成电路市场增速为9%，横向对比而言，MEMS器件市场的增速两倍于集成电路市场。预计到2017年，国内MEMS市场规模将达到400-450亿元，2014-2017复合增长率为19%。在较为乐观情况下，按照赛迪的远景预测，整个中国MEMS市场有望形成接近1000亿人民币的庞大市场。

应用广泛，借物联网站下一个风口

MEMS传感器在汽车领域的应用

随着汽车安全应用与降低碳排放的关注度日益提升，MEMS传感器在汽车电子领域的渗透率逐渐提高，除此之外，无人驾驶等新兴技术也推动着MEMS传感器进一步普及。2010年全球平均每辆汽车包含9.2个传感器，中国汽车含有5个，但中国扩大部署安全气囊和轮胎压力监测系统(TPMS)，将推动中国汽车平均传感器数量到2015年增加到10个，在每辆汽车中，光TPMS系统就要使用4.2个汽车MEMS传感器，目前中国已超越日本成为第三大汽车MEMS市场。目前汽车上常见的传感器有加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计、红外传感器、超声波传感器、激光测距仪、雷达传感器等。

MEMS传感器在智能手机领域的应用

在智能手机中，大量MEMS传感器的使用增加其智能性，提高了用户体验。iPhone 6 Plus使用了六轴陀螺仪&加速度计（InvenSense MPU-6700）、三轴电子罗盘（AKM AK8963C）、三轴加速度计（Bosch Sensortec BMA280），磁力计，大气压力计（Bosch Sensortec BMP280）、指纹传感器(Authen Tec的TMDR92)、距离传感器，环境光传感器(来自AMS的TSL2581 )和MEMS麦克风。

截至到2014年，常见的三种用于智能手机的罗盘传感器、加速度器传感器、陀螺仪渗透率分别为48%、64%、17%，陀螺仪渗透率偏低，通常在高端机型上有配置。

MEMS传感器在可穿戴设备领域的应用

在可穿戴智能设备上，传感器的使用更为广泛。AppleWatch配置的MEMS传感器超过十种。

✦  加速度传感器：测量身体运动，并且可以记录用户步数以及睡眠习惯。

✦  陀螺仪：可以侦测转动，此外，陀螺仪还能让iWatch“感知”用户，比如举起手腕准备看表时，屏幕自动亮起。

✦  磁力计：可以用来提升运动追踪的准确性。

✦  晴雨表/气压传感器：提供更准确的天气数据，感知海拔高度的变化

✦  环境温度传感器：提供更准确的生物数据

✦  心率监控仪：进行心率监控

✦  血氧传感器：测量血氧值，对于准确的脉搏率检测至关重要

✦  皮肤电导传感器：计算用户的排汗量

✦  皮肤温度传感器：可以帮助用户了解自己的健身强度

✦  GPS：GPS可以帮助我们了解自己要去哪里，去过哪里

除了Apple Watch，在智能家居热卖的Nest，很大程度上就受益于湿温度、红外传感器的廉价；Jawbone、Misfit等智能手环的兴起，也是受益于重力传感器的普及。

MEMS传感器在微纳卫星领域的应用

2014年5月4日， SpaceX为国际空间站提供给养的一个火箭，将会投放一个卫星母船（体积仅为10X30厘米），这艘母船，将会投放104颗名为“小妖怪”的微型卫星。“小妖怪”卫星的体积，只有几个拇指般大小。每一颗卫星的重量仅为5克，制造成本仅为5美元。每一个“小妖怪”拥有一个微处理器芯片，一个可以和地球通信的无线电发射装置，两个天线，一个太阳能电池提供卫星长期工作的电力，每一个卫星还配置了磁力计和陀螺仪，从而获知卫星指向的方向。

采用MEMS技术制造的微纳卫星体积小、重量轻、成本低、技术含量高、可批量制造，具有十分广阔的前景，并且在我国有成功先例。2015年9月20日，长征六号运载火箭在太原卫星发射中心升空，成功将20颗微小卫星送入预定轨道，其中包括清华大学研制的“纳星2号” 技术试验卫星，该卫星的有效载荷包括纳型星敏感器、微型低功耗太阳敏感器、硅基MEMS陀螺、微型石英音叉陀螺、MEMS磁强计、北斗/GPS接收机等，性能指标均达到国际先进、国内领先水平。

MEMS传感器在物联网领域的应用 

物联网（IoT）是把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。传感器作为物联网三大层次结构之一的感知层的重要组成部分，将现实世界中的物理量、化学量、生物量等转化成可供处理的数字信号，是实现物联网的基础和前提，同时MEMS（微机电）技术作为支撑技术，在物联网的发展中起着至关重要的作用。

随着移动互联市场趋于饱和，物联网（IoT）逐渐成为全球经济增长和科技发展的新增点。IDC发布报告指出，2020年全球物联网市场市值将增至1.7万亿美元。根据IoT的数据，2020年约有500亿台设备接入物联网，是现在的2.5倍。

MEMS的传感器发展共经历了三个阶段，分别对应不同的驱动力。2000年左右是汽车电子、2007年左右是智能手机、2013年左右是可穿戴设备，下一个驱动MEMS的传感器发展的动力是物联网，业界预测全球传感器需求有望从当前的百亿级激增到2025年的Trillion-Sensor（TSensor，万亿-传感器）量级。

MEMS技术在可穿戴设备、智能家居、医疗、工业4.0、智能汽车、智慧城市等IOT细分领域都有广泛的应用，常见的MEMS传感器诸如麦克风、体声波滤波器、压力传感器、温度传感器等都存在丰富的应用场景。

MEMS行业发展趋势

市场存出清需求，传感器领域并购持续涌现 

2001-2007年间，MEMS传感器均价由3.5美元降低到接近2.7美元，CAGR为-6%；2007-2013年间，MEMS传感器均价由接近2.7美元降低到1美元，CAGR为-13%。过去五年MEMS市场参与者不断增加，尤其移动端货量急剧增长，给价格带来了较大的压力，市场有内在出清的需求。

随着价格不断走低，经营不善、技术薄弱、缺乏核心竞争力的厂商出现亏损。近年来行业并购案例不断出现，强者恒强，具有行业话语权的龙头厂商将在市场调整中最终获益。

组合传感器是MEMS集成新方向

MEMS产业正向多传感器集成方向前进，形成三大类组合传感器，体积更小、重量更轻、功能集成度更高的组合MEMS传感器是发展方向。

✦  密闭封装（Closed Package）组合传感器是简单且发展较为成熟的，主要是惯性传感器，如多轴加速度计、陀螺仪和磁力计，21世纪初，美新（MEMSIC）和意法半导体（ST）最先将加速度计推到手机中，使得惯性组合传感器成为最成熟、最常用的集成器件。对于加速度计和陀螺仪，集成是在硅片上实现的，并通过系统级封装（SiP）将专用集成电路（ASIC）和磁力计集成在一起。

✦  开放腔体（Open Cavity）组合传感器需要与外界联通以感知环境信息。例如，压力传感器可以和湿度传感器、气体传感器集成，这些传感器的集成主要采用系统级封装，因为大部分传感器采用不同的制造工艺，在单片硅晶圆上的集成成本过高。

✦  第三类是光学窗口（Open-eyed）组合传感器，摄像头（图像传感器）是手机中最昂贵的传感器模组，手机中逐渐形成两个光学窗口组合传感器，包括前置和后置的图像传感器，也将集成现有的光学传感器，如接近传感器、环境光传感器和3D景深传感器等。

根据HIS的数据，组合传感器市场在2011年之后占比逐步上升，预计到2017年一半的MEMS产品是组合形式。惯性传感器的价值已经严重下滑，从分立传感器转向组合传感器，三轴分立传感器，甚至六轴组合传感器的价格已经非常低了，集成三轴陀螺仪，三轴加速传感器，三轴磁感应传感器的九轴惯性传感器将有明显优势。

封测环节意义重大，占据MEMS产业链70%成本 

不同于传统的集成电路产业链，MEMS中封装和测试占据了产业链70%的成本，根据典型的MEMS设备成本拆分，其中ASIC占据了12%，测试占据了40%，封装占据了30%，传感器占据了18%，因此封装和测试显得尤为重要。MEMS的器件复杂性导致了封装成本过高，同时测试效率低，尤其是做生物MEMS、化学MEMS，其测试效率更低，这也是制约MEMS封测发展的瓶颈，因此批量自动化封装及测试能力是降低成本获取市场的关键，拥有核心封测技术的厂商将深度受益。

MEMS主要的封装技术为BGA/LGA和 WLP，近年来WLP份额增长较快，2016年几乎与BGA/LGA持平，是MEMS领域最有潜力的封装技术。

比照IC，MEMS代工崛起迹象明确

在集成电路产业飞速发展的背后，IC设计和制造方式一直在进行调整，产业链条不断裂变。自上个世纪80年代以来IC产业经历了四个阶段，代工模式（Foundry）的出现是导致IC产业链条裂变的一个重要因素。这以上世纪90年代台湾集成电路公司（TSMC）等代工企业的兴起为标志，典型特征是晶圆代工企业与IC设计公司相互分离，新兴的IC设计公司（Fabless，即无工厂化）不再拥有自己的生产线，这种产业模式因其快速灵活、适应市场需要迅速成长起来。

 进入新世纪，IC设计和制造领域内的产业链再次裂变导致产业内分工更加细化。在IC制造领域，为降低成本，生产技术提供者（往往是大型的IDM企业）与生产者相互独立，前者专门提供已验证的生产技术，后者则将之运用于大规模的生产。这一变迁过程，表面看是IC产业链自身逐步裂变的自然过程，事实上却是在技术飞速发展、成本约束加强的全球化背景下，各国企业之间产业内分工日益细化和深化的过程。

MEMS行业中Fabless的份额由2006年的10%增加到2012年的32%左右，正如集成电路行业所经历由的一样，行业细化和分工的趋势不可逆转。MEMS传感器行业的品种多达上万种，单品种的销量很难放大，在价格不断走低的情况下，企业很难盈利，无法承受大规模的资本支出。面对不断增长的市场规模，迫切想进入的中小设计厂商有很强的代工需求，Fabless存在的价值日益凸显。除此之外，由于市场规模相对过小，缺乏统一工艺，传统的集成电路代工厂商如台积电, 联电, 中芯国际等一线代工厂商较之新进入的MEMS代工企业赛莱克斯和Tronics、IMT并无绝对的优势，这就给专注于MEMS代工厂商留下了更大的发展空间。

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