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MEMS封装和测试 - 传统传感器的唯一替代:MEMS产业链一览

2016年11月29日 14:43 国海证券 作者:佚名 用户评论(0

  MEMS封装和测试

  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,产量充足批量生产,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。

  中国MEMS产业

  国内MEMS行业的fabless规模相对较小,但市场规模来说具备很大的发展空间。面对国内巨大的消费电子市场,自产自销满足国内部分中低端市场需求,也是国内Fabless司的一个捷径。

  例如苏州敏芯最近宣布MEMS传感器出货量超一亿颗,他的微硅麦克风传感器产品已经渗透至以消费类电子产品为主的各个细分应用中,成功应用在MOTOROLA,SONY,ASUS,联想,魅族,小米,乐视等品牌客户的产品上。

  中国MEMS设计企业主要集中于华东地区,约占全国企业总数的55%,其中,以上海、苏州、无锡三地为产业集中地:

  上海:

  深迪,矽睿,丽恒,芯敏,微联,铭动,文襄,天英,巨哥

  苏州:

  明皜,敏芯,双桥,多维,能斯达,汶灏,圣赛诺尔,希美

  无锡:

  美新,乐尔,康森斯克,微奥,杰德,必创,微纳,芯奥微,沃浦

  其他:

  深圳瑞声,山东歌尔,河北美泰,山西科泰,郑州炜盛,北京水木智芯,浙江大立,武汉高德,成都国腾,西安励德,天津微纳芯等。

  

  国内MEMS 企业布局

  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。

  

  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。

  从国内市场来看,我国拥有全球规模最大的集成电路市场。苹果、三星、小米、华为、中兴等手机品牌在中国设厂生产,加之汽车电子、物联网、无人机、智能家庭等概念产品的逐步兴起,以及可穿戴设备的蓬勃发展,国内市场对硅麦克风、加速度计、陀螺仪、电子罗盘、射频仪器、高精度压力传感器、气体传感器等MEMS器件的需求快速增长。

  根据SEMI的估计,中国市场在全球市场的占比将从2010年的9.2%增长到2015年占比15.10%。

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( 发表人:方泓翔 )

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