MEMS廠商困境，怎樣才能掙錢？|半導體行業觀察

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n n 來源：本文由半導體行業觀察翻譯自semiengineering，轉載請諮詢。n n

n n 編者按：MEMS市場正在迅速增長，但利潤非常有限。MEMS業者正在尋找新的利潤增長點。n n

n 在大多數細分市場中，都需要更多的自動化和標準化。但在微機電系統的世界裡，則不是那麼簡單。即使某些地方可以實現自動化，自動化也不會自始至終地工作。事實上，MEMS器件不但極難設計製造，其市場業務方面管理也很難。n

n MEMS器件是電子和機械工程的結合。慣性感測器就屬於此類器件，如陀螺儀和加速度計，它們幾乎存在於每個移動設備中以檢測運動。MEMS器件的組合就是谷歌Waze（一個流行的點到點GPS應用）的工作原理，它可以告訴你交通是堵塞還是通暢，你的移動速度有多快，以及在當前的交通狀態下你到達目的地所需要的時間。MEMS器件還包括羅盤、振動感測器，以及用於安防的電容式觸摸感測器。n

n 每年都會有數十億台這種小器件售出，且數量的增加並沒有停止的跡象。n n n 但是每個MEMS廠商都抱怨說，平均售價的下降比銷量的上漲更快。自從智能手機開始替代功能手機以來，價格壓力已經在這個市場上存在了近十年。n n

n n 圖1：MEMS價格下降。來源：Yole Développement MEMS工業報告，2016年5月n n

n 同時，還有銷量很低的MEMS器件，例如用於麥克風的壓敏膜片，微型揚聲器和基於壓電材料的超聲波指紋感測器。n n n 這些細分市場的晶元提供了更顯著的投資回報，但是它們缺乏足夠的需求來實現規模經濟。n n n 因此，雖然這部分市場對於一些公司來說是潛在的利潤，但可擴展性有限，競爭也在加劇（如下圖）。n

n 圖2：未來的MEMS市場。來源：Yole Développementn

n 對於商品集團而言，其目標是創造一個更標準的製造方法。對於後者，關鍵是保持在曲線之前足夠遠，以實現利潤最大化，因為這種技術的某些方面仍在發展。n

n 流程和標準化n

n MEMS市場中缺失的是標準的PDK（技術檔案）。這是個好主意，但事實上這比大多數人的預期更困難。n

n GlobalFoundries公司MEMs高級總監Rakesh Kumar表示：「用於MEMS的物理器件結構和工藝架構的多樣性確實對MEMS製造的標準化提出了挑戰。但是，感測器家族可以建立起一定程度的標準化。例如，可以使用具有一定程度的定製通用平台技術來製造諸如加速度計和陀螺儀的慣性MEMS，以實現差異化的功能。這樣的平台方法將有助於降低開發成本和上市時間。」n

n 到目前為止，沒有人能夠像開發ASIC或SoC那樣，為加速度計或陀螺儀使用單一流程開發套件。許多行業專家說，在一般情況下，這種晶元製造看起來更像項目菜單，而不是可用於ASIC和SoC那樣的精心設計和高度精製的過程。該菜單可以包括：例如，違反規程的蝕刻步驟，順序錯誤的CVD步驟或鋁沉積。但是菜單更多地是關於改變處理步驟的順序，而不是建立一組可用於削減開發成本的規則。n

n UMC高級區域營銷經理Yan Qu說：「儘管將標準PDK應用於慣性感測器的概念是可能的，並且已經被一些晶元製造廠使用，但它主要是為了建立一套設計標準，如設計規則、流程、TLR（拓撲布局規則）和DRC（設計規則檢查），來讓無晶圓廠遵守。儘管這對於提供標準化工藝的晶元製造廠有一些優點，但是無晶圓廠的客戶可能會將標準化視為產生差異化優勢的消極產品」n

n 流程開發也不迅速。從製造的觀點來看，MEMS是複雜的技術，而且從一家晶元製造廠到下一家晶元製造廠，MEMS可能會發生顯著變化。n

n UMC公司的Yan Qu說：「平均來講，成功的大規模生產的發展需要大約四到五年。其中存在很多工具依賴，還有很多設備的限制和變化。例如，陀螺儀的工作原理需要真空、特殊工具，以及共晶鍵合。晶元製造廠必須慎重考慮他們可以從額外的設備成本和工具中獲得多少回報。」n

n 圖3：金屬共晶鍵合，兩種金屬熔化並混合在一起。來源：IEEE。n

n n The foundries provide IP libraries for those MEMS devices, which do speed time to market the same way IP does for ASICs or SoCs. And all of the foundries utilize similar equipment, which includes deep reactive ion etch tools and wafer bonders. Beyond that, however, this is largely a semi-custom or fully custom development process.n n

n 晶元製造廠為這些MEMS器件提供IP庫，這些IP像ASIC或SoC中的IP一樣，縮短MEMS推向市場時間。所有晶元製造廠都使用類似的設備，包括深反應離子蝕刻工具和晶片鍵合機。除此之外，這主要是半定製或完全定製的開發過程。n

n Coventor工程副總裁Stephen Breit說：「晶元製造廠可以提供IP庫，以便選擇一個與介面規格匹配的感測器。這適用於陀螺儀和加速度計。即使對於仍在開發中的感測器，晶元製造廠也能在一定程度上實現這些。但這一領域仍然需要公平的專業水平。對於麥克風，這就更平常了。但是像人工鼻子和光譜儀這樣的東西，則是另外一回事。」n

n 新型複雜MEMS器件n

n 這些新的應用領域是MEMS市場與商品化的加速度計和陀螺儀之間的尖銳分歧。Applied Materials技術營銷總監Mike Rosa表示：「現有的感測器存在增量變化，但也有基於超聲技術的新型指紋感測器，而不是電容感測器。因此，當你按下按鈕時，它不是只進行電容測量而已，而是會採集你的超聲波指紋。它可以讀取表皮層上的脊狀突起，還可以讀取真皮（第二層皮膚）中的脊狀突起。這是一種高安全性的補充。因為它是一種壓電材料，所以當你試圖掃描你的手指時，水分、污垢、顆粒不會對檢測產生影響。這些都已經在考慮之中。」n

n 圖4：超聲波指紋感測器。來源：加州大學伯克利分校n

n 壓電材料也開始在麥克風中使用，這提供了更高的信噪比。麥克風的雜訊歷來讓人備受困擾，所以高信噪比是目標，特別是當雜訊超過人類聽覺閾值的時候。n

n Rosa表示：「第一個衝擊是現行的體系結構。第二個衝擊則完全是材料的關係。這些是不同的壓電材料。在麥克風的例子中，它可能是氮化鋁。它也可以是鈧摻雜在20％至30％範圍內的氮化鋁。公司想要將鈧摻雜達到43％。你有可能通過更高劑量的鈧來提高信噪比。」n

n 表單並沒有就此停止。一些激光雷達晶元被認為是自主車輛中的安全要求，它們正在使用MEMS技術開發，包括激光二極體和反射鏡。激光雷達使用激光束掃描區域，然後基於該光束的反射或光束的脈衝重建圖像。這項技術最初的移動版本的成本高達70,000美元，然而基於MEMS的版本預計的售價只有數百美元。n

n MEMS技術也正在滲透到一些基於MEMS掃描鏡的3D掃描儀和視網膜掃描儀。德國Fraunhofer研究所報告說，MEMS掃描鏡可以小型化，使之足以適用於移動應用。雖然不如掃描激光檢眼鏡那麼優秀，但基於MEMS的解決方案與其他生物識別技術相比更小、更便宜、更安全，因為研究人員稱視網膜血管「幾乎不可能偽造」。n

n 圖5：MEMS掃描鏡。來源：弗勞恩霍夫研究所n

n 控制成本n

n 毫無疑問，這些都是有趣的技術，但經濟學在MEMS市場的這一部分也發揮了舉足輕重的作用。對於從事傳統CMOS設計的工程師而言，這些晶元和MEMS器件的工具之間存在明顯的差異。n

n Coventor公司Breit說：「上述的很多例子都沒有形成真正的流動。甚至對於慣性感測器和麥克風，它們需要複雜的膜片和結構，然後你需要進行連接。所有這些都是臨時性的。PDK可以有助於自動化流程，因此你可以設計出壓電MEMS和互連、固定，以及連接晶元裸片的方法。但是對於每個人在CMOS中都習以為常的DRC（設計規則檢查）在這裡卻並不存在，或不完備。這裡沒有LVS（晶元版圖和原理圖）。」n

n Breit說，另一個問題涉及到了這些器件的不足之處，因為參數在大規模生產的數字部分沒有得到很好的定義。其結果可能發生未完全預期的小變化。並且這反過來又可以對感測器融合設計產生影響，感測器融合設計可以在單個器件中包含多個MEMS晶元。n

n STATS ChipPAC產品技術營銷副總監Babak Jamshidi表示：「這將創造新的趨勢。慣性感測器可以容納壓力感測器，甚至光學感測器。你還將在生物醫學領域看到更多的MEMS器件，這是一個非常零散的市場。在這個市場中，平均售價很高，銷量較低，因此在十年內，該市場中會出現感測器的整合。」n

n 工業領域是MEMs正在獲得牽引力的另一個領域。ASE高級應用工程經理Christophe Zinck說：「我們開始看到具有集成運動和壓力感測器的定製解決方案。有了工業物聯網，在不佔用更多空間的情況下集成新功能的確是一個很大的推動。因此，基於這一點，人們正在創建自己的解決方案，並看到所有不同的感測器如何協同工作。對於設計團隊而言，他們正在開發一個完整的模塊。」n

n GlobalFoundries的Kumar同意這種觀點。「MEMS感測器從分立器件快速遷移到多功能集成器件，例如晶片級的加速度計和陀螺儀的組合，以及系統級封裝中的磁力計，壓力感測器和ASIC。MEMS產品更廣泛地應用於物聯網（IoT）將繼續推動MEMS和低功耗ASIC的集成，以用於處理和連接。」n

n 結論n

n MEMS市場經歷了爆炸性增長和平均售價大跌。但隨著這項技術發現新的用途，補充並更換昂貴的器件，這個市場的經濟狀況可能會發生重大變化。n

n 在後續的文章，我們將詳細探討這些變化，包括如何提高產量、溫度和測試問題、封裝選擇，以及工具鏈中缺少的內容——所有這一切都有助於改善這個市場中的公司的成本公式，以及它們的投資回報。n

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