智能手机市场改变MEMS产业格局
2013-08-26 13:57:23   来源：微迷   评论：0   点击：

中国微纳技术俱乐部 王懿 编译

引言：智能手机对惯性传感器和MEMS麦克风的强烈需求改变了MEMS产业格局，重塑了MEMS公司排名。2012年，新的行业领袖诞生——意法半导体；一群跟随者正努力缩小与“四大金刚”（意法半导体、博世、德州仪器和惠普）的差距。

2012年全球前30名MEMS公司排行榜中首次有2家MEMS惯性传感器供应商占据第一和第二“宝座”。在此之前，惠普（喷墨打印头）和德州仪器（微镜）长期处于市场主导地位。智能手机和汽车应用需求的突飞猛进使得MEMS领域出现“长江后浪推前浪，一代新人胜旧人”的现象。

根据Yole Développement统计，2012年，意法半导体成为首个MEMS营收突破10亿美元的公司，一举超过德州仪器，摘得“全球最大MEMS公司”桂冠。博世凭借8.42亿美元的MEMS营收跃居第二名。而德州仪器和惠普分别下降为第三和第四。

其它那些拥有合适的产品并成功导入市场的MEMS公司正健康成长，逐步缩小与行业领头羊的差距。例如，楼氏电子的MEMS麦克风销售旺盛，去年营收达4.4亿美元，紧随惠普；日本松下和电装在汽车市场上取得不俗业绩，营收均超过3.5亿美元。全球MEMS排名前30名中约一半公司营收超过2亿美元。

MEMS晶圆代工方面，InvenSense惯性传感器业务帮助台积电增长80%，达到4.2亿美元，从而使得CMOS代工巨头的MEMS营收超过纯MEMS代工厂：DALSA（3.9亿美元）和Silex（3.4亿美元）。意法半导体和索尼等IDM厂商继续主导晶圆代工业务，它们的最大客户分别是惠普和楼氏电子。注：Yole Développement只统计MEMS代工营收，不包含ASIC。

如果想知道惯性传感器和麦克风对MEMS市场的贡献有多大，请仔细看看全球前30名MEMS公司的营收增长情况。2012年全球MEMS营收中超过90%来自于8家公司，而这些公司的大幅增长是因为惯性传感器和麦克风热销。

图1 全球MEMS公司排名

图2 全球MEMS代工厂排名

意法半导体率先实现10亿美元MEMS营收

根据Yole Développement市场统计，2012年，意法半导体的MEMS营收增长10%，成为首个突破10亿美元大关的公司，继续巩固了行业龙头地位。虽然10%的增长略显温和，但是从另外一个层面看：在喷墨打印头代工业务下滑和惯性传感器价格下跌20%~30%的情况下，意法半导体却实现了年营收增加约1亿美元，产品出货量增长50%的优秀业绩。其增长的动力来源：陀螺仪、6轴组合传感器（IMU）和最新量产的传感器（麦克风和压力传感器）。

“我们积极拓展产品线和制造能力，IDM模式是成功的关键要素。”意法半导体副总裁暨模拟和MEMS传感器部门总经理Benedetto Vigna认为，“现在你必须有广泛的产品组合，才有机会生存。那些只有加速度计或陀螺仪的公司正在失去市场份额，并且前途是黯淡的。”

意法半导体一直保持着高度灵活性，愿意从外部引进技术以快速推出新产品，并填补晶圆厂产能。“市场不会等我们，如果我们的技术还没准备好，那么就会从外面寻找合作。”Vigna说道，“过去的情况是客户认为所有的代工厂都可以生产MEMS结构，但是现在明白了MEMS与CMOS是不同的，产品的可靠性和一致性是非常重要。为了增加制造的附加值，MEMS结构已不局限于悬臂梁或薄膜，当然需要注意结构的可量产性。当前你需要充分利用制造经验来推出广泛的产品组合以满足不同客户需求。”

IDM还认为由于自身可以控制生产的所有步骤，所以可以更快地实现产品量产，并能迅速解决日后出现的问题。去年意法半导体扩大了前端晶圆厂的产能，今年的挑战是为多款MEMS产品拓展后端组装和测试能力。“IDM的第一个优势就是速度，体现在新产品的开发时间和面对产品问题的解决时间。” Vigna说道，“只有同一个老板推动才能把事情做好，并且代工厂不会把小批量的MEMS业务作为最高优先级。我们已经看到好几个例子：MEMS设计公司的某个问题被卡在其中一个外协环节。如果一切都在你自己的掌控下，那么可以做地更快更好。”

“根据市场发展趋势，IDM将继续发挥强大的优势，小而专的MEMS公司很难与我们竞争。” Vigna指出，“MEMS产品的售价继续下跌，但是相比几年前，成本越来越难降低，因此对于实现量产的速度和良率要求更高。”

展望未来，意法半导体计划通过修改设计和TSV技术继续缩小芯片尺寸，并推动更多的产品实现量产。今年公司的第一款汽车级MEMS加速度计将出现在商业车上，首先会在汽车娱乐/导航系统中，然后会在安全/稳定控制系统中。Vigna预计今年所有的手机都会配备加速度计，而陀螺仪需要到2015年。MEMS下一波增长将来自于环境传感器（如压力传感器、温湿度传感器）和便携式投影（主要使用MEMS微镜）。

博世增长14%上升至第二名

根据Yole Développement市场统计，2012年博世的MEMS营收增长14%，达到8.42亿美元，超过德州仪器排名第二。其增长动力来源于健康成长的汽车市场和多元化的消费电子市场。“我们会有更快的增长，目前只限于我们的产能，” 博世消费电子部门总经理Stefan Finkbeiner解释说，“目前博世正将产能提升到一个新高度，您可以关注我们接下来的表现。”

去年，博世的加速度计和压力传感器热卖，同时具有价格优势的3轴陀螺仪也抢占了部分消费市场。“完整的产品组合是非常重要的，越来越多的客户希望同时购买多种传感器。” Finkbeiner指出，“除了分立的传感器，我们还拥有集成3轴加速度计和3轴陀螺仪的惯性测量单位、集成3轴加速度计和3轴磁力计的电子罗盘、9轴传感器模块、集成微控制器和软件的9轴绝对定向设备，并计划生产特定用途的传感器节点。” Finkbeiner认为博世强大的技术实力（掌握磁力计、加速度计、陀螺仪和相关ASIC技术）有助于开发各种组合传感器以满足不同客户需求。

“展望未来，MEMS关键问题将从器件制造转向系统问题，公司拥有广泛产品组合显得越来越重要，同时MEMS制造商还需要与微控制器和软件供应商建立合作伙伴关系。”Finkbeiner说道，“目前MEMS芯片仍然可以继续缩小，但是并非关键驱动要素。我们可以利用集成技术将多个芯片封装在一起以降低生产成本，方便客户使用。例如，集成微控制器9轴惯性传感器模块，里面运行着传感器融合算法，可以缩短客户产品的上市时间。”

图3 博世BMC150传感器

2012年GLOBALFOUNDRIES提高产能

GLOBALFOUNDRIES涉足MEMS领域仅仅2年时间，最初的几个客户还处于产量提升阶段，Yole Développement估计去年其MEMS代工业务增长50%，达到620万美元，首次进入全球MEMS代工厂前20名。GLOBALFOUNDRIES的目标是将IDM的一些优势带给MEMS fabless公司，将MEMS能力带给IC IDM客户。

2011年GLOBALFOUNDRIES建设了第一个MEMS工厂，并迎来首批客户。2012年逐步提升产能，今年开始全面投入生产。公司报告称，几个客户已经实现量产，但是它们比预期的量要多；今年为其它客户开发新工艺，预计2014年实现量产。

“成功道路并非一帆风顺，”MEMS研发总监Rakesh Kumar坦承，“我们作为一个传统CMOS代工厂习惯于稳定、量产的设备，然而一些特殊的MEMS设备仍然不成熟……我们需要对其做重大调整，将工艺从实验室转移到工厂。”

“我们的主要目标是消费电子类惯性传感器和射频MEMS，它们的用量大，单个客户的每月晶圆消耗量就能从100片上升至1000片。最初的客户不局限于fabless MEMS公司，还包括想进入MEMS领域的传统IC IDM，由于其自身尚不具备MEMS量产能力，所以委外加工。” Kumar说道，“目前更多的IC公司以提供微控制器和软件、客户支持、市场分销等方式涉及MEMS市场。”

制造MEMS芯片仅仅是MEMS产品的一小部分，Fabless MEMS公司想通过优秀的设计能力实现低成本、高性能产品，还需要寻找其它全套服务，例如后端封装、测试。“代工厂不得不为客户提供更多的解决方案以帮助它们与MEMS IDM竞争，” Kumar说道，“首先我们希望通过合同制造形式来增加价值，但最终我们要成为一家技术供应商，乃至成为一家解决方案供应商。”

“MEMS代工厂最终也会像IC代工厂一样，提供标准的设计工具和工艺流程，” Kumar认为，“尽管MEMS行业还有很长的路要走，但是开放的平台也许会加速标准化进程，例如：可被多种MEMS器件使用的InvenSense Nasiri平台。GLOBALFOUNDRIES还与合作伙伴一起开发能快速验证设计概念的公共平台，适用产品为射频器件和惯性传感器，同时客户可根据自身需求进行设计优化。”

图4 GLOBALFOUNDRIES员工正在将晶圆装载到自动化研磨抛光机上

对于未来MEMS发展，Kumar看到很大的市场潜力，比如在工业监控领域。“每一台设备和机器都将需要惯性传感器来监测状态，巨大的市场需求将促使传感器价格下跌。另外，我希望采用能量收集的方式给我的手机充电。”

飞思卡尔的优势是智能化MEMS

2012年飞思卡尔的MEMS营收增长7%，达到2.68亿美元，排名第十位。尽管飞思卡尔的仙台工厂在日本地震中受损，但是很快地将MEMS生产转移到美国奥斯汀工厂，从而避免产生巨大损失。这家汽车领域的IDM正在扩大消费电子业务，并将自身的处理器与MEMS以SIP方式集成，以实现智能传感器。

“2011年的日本大地震加速了我们晶圆厂的迁移，比原计划提前一年完成，并且所有汽车客户的订单都没受到影响。”飞思卡尔的传感器战略和市场渠道经理James Grothe说道，“尽管传统的汽车压力传感器市场增长乏力，但是受惠于美国政府的汽车安全法规，我们有超过20%的增长来源于汽车胎压监测系统（TPMS）。” 飞思卡尔将一个8位微控制器、射频、压力传感器和加速度计集成到一个TPMS器件中，在汽车领域获得大量应用。

飞思卡尔的消费类MEMS业务稳步增长，2012年惯性传感器的出货量增长超过40%。新款磁力计和6轴电子罗盘已经投入量产，其磁力计原理非同寻常，为TMR（隧道磁电阻效应）技术，该技术可实现3轴磁力计的CMOS工艺单芯片集成。飞思卡尔还将一颗数字信号处理器集成于磁力计中，进行信号处理和转换，同时提供图形接口以缓解客户编程压力。

飞思卡尔为MEMS传感器增加越来越多的功能，尤其是智能电源管理，它可以提高电源使用效率，减少移动设备的电量损耗。这种发展趋势给微控制器和应用处理器厂家带来了更多价值，只是它们很难找到合适的MEMS芯片集成。“缺乏MEMS集成知识和经验是它们最大的障碍。”Grothe说道。

图5 飞思卡尔MMA955xL智能传感器