2020年1月10日，國務(wù)院召開了2019年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會。杭州士蘭微電子股份有限公司參與完成的“高效模數(shù)轉(zhuǎn)換器和模擬前端芯片關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，該項(xiàng)目解決了高效模數(shù)轉(zhuǎn)換器及模擬前端芯片的自主可控發(fā)展難題，也是士蘭微始終重視的半導(dǎo)體領(lǐng)域基礎(chǔ)性技術(shù)和應(yīng)用的研究之一，目前在MEMS傳感器件的設(shè)計(jì)、信號處理芯片的設(shè)計(jì)、MEMS芯片工藝制造技術(shù)、MEMS封裝技術(shù)、傳感器測試技術(shù)等相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域投入了全方位的研發(fā)資源，已完成從慣性傳感器、地磁傳感器到壓力傳感器的IDM發(fā)展。

高速成長的中國MEMS市場，嚴(yán)重進(jìn)口依賴

與傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS具有體積小、集成度高、智能化、低成本、低功耗、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，MEMS內(nèi)部一般在微米甚至納米級別，使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，MEMS傳感器已成為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代驅(qū)動(dòng)變革最重要的力量之一，全球MEMS行業(yè)在未來幾年將持續(xù)每年兩位數(shù)的增長，這個(gè)增長速度遠(yuǎn)超全球集成電路行業(yè)的增速（不包含存儲器行業(yè)）。市場研究機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測，MEMS市場將在2019年至2024年期間實(shí)現(xiàn)顯著增長，市場營收的復(fù)合年增長率約為8.3%，出貨量的復(fù)合年增長率約為11.9%。

數(shù)據(jù)顯示，2019年中國MEMS傳感器市場規(guī)模達(dá)到597.8億元，同比增長18.3%。MEMS傳感器主要是以手機(jī)為代表的消費(fèi)電子市場應(yīng)用為主，另外一個(gè)重要市場就是汽車電子；亞太地區(qū)無疑是除北美市場之外第二大的傳感器市場，而中國大陸無疑是亞太地區(qū)增速最快的市場。隨著消費(fèi)電子、汽車電子產(chǎn)品等下游行業(yè)的快速發(fā)展，全球電子整機(jī)產(chǎn)業(yè)以及硬件創(chuàng)新市場逐漸向中國轉(zhuǎn)移，中國市場對于MEMS器件的需求增速遠(yuǎn)高于全球MEMS市場增速。

然而，與龐大需求相對應(yīng)的，是國內(nèi)市場供給能力嚴(yán)重不足。全球MEMS市場被博世、意法半導(dǎo)體、霍尼韋爾等國際廠商占據(jù)超過60%的份額，中國市場80%的芯片依賴國外進(jìn)口，國內(nèi)MEMS企業(yè)中70%是中小企業(yè)，產(chǎn)品主要集中在中低端。可以說，與CMOS芯片相比，MEMS傳感器對進(jìn)口依賴更為嚴(yán)重。

這種巨大的供需落差是由于國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)起步較晚。國內(nèi)的MEMS產(chǎn)業(yè)于2010年以后才初具雛形，現(xiàn)在已逐漸形成以北京、上海、深圳和西安等中心城市為主的區(qū)域空間布局，產(chǎn)業(yè)布局主要以MEMS芯片設(shè)計(jì)為主，在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)主要依賴國外企業(yè)。由于MEMS工藝與CMOS工藝差異較大，涉及到微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域，沒有標(biāo)準(zhǔn)工藝流程，封裝、測試也與CMOS芯片工藝差異較大，因此MEMS制造技術(shù)挑戰(zhàn)極大。在制造方面的缺失，將無法為本土的MEMS設(shè)計(jì)公司提供供應(yīng)鏈支持，成為制約中國MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大障礙。

士蘭微專業(yè)人士指出：“國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)的主要弱點(diǎn)在于制造。國內(nèi)MEMS商業(yè)化布局較晚，材料和制造工藝研究薄弱，是造成MEMS產(chǎn)業(yè)落后于國際的主要原因。比如，MEMS器件中的一個(gè)參數(shù)叫零漂的溫漂數(shù)據(jù)，這項(xiàng)參數(shù)足以讓企業(yè)花費(fèi)大量資源去研究，結(jié)果還未必有競爭力。MEMS器件中各類參數(shù)200多項(xiàng)，每一項(xiàng)都有其應(yīng)用中的意義，也有其制造工藝上的關(guān)鍵點(diǎn)。這些研究，國內(nèi)企業(yè)都需要花相應(yīng)的資源去一步步試驗(yàn)。國外企業(yè)踏過的坑，國內(nèi)企業(yè)也會遇到，很難有捷徑可走。當(dāng)然設(shè)計(jì)和封裝也有弱點(diǎn)，但這些弱點(diǎn)相對容易通過學(xué)習(xí)來彌補(bǔ)。”

在MEMS傳感器應(yīng)用前景良好和國產(chǎn)化進(jìn)程提速背景下，可以預(yù)期未來我國MEMS傳感器市場前景廣闊。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，未來幾年我國MEMS傳感器市場規(guī)模年均增速保持在15%左右，到2025年將達(dá)到1488.6億元。

IDM模式對于MEMS產(chǎn)業(yè)更具優(yōu)勢，士蘭微積極布局初具成效

自從智能手機(jī)催生龐大的MEMS傳感器市場起，MEMS供應(yīng)商之間的競爭越來越激烈，并且IDM模式的MEMS廠商持續(xù)處于領(lǐng)導(dǎo)地位。

MEMS傳感器利用半導(dǎo)體制造技術(shù)和微加工技術(shù)將微結(jié)構(gòu)、微傳感器、控制處理電路甚至接口、通信和電源等制造在一塊或多塊芯片上，制造工藝極其復(fù)雜。在制造方面，全球MEMS代工主要有兩種類型：IDM廠商提供的MEMS代工，以及獨(dú)立代工廠提供的MEMS代工。其中，獨(dú)立的代工廠包括集成電路代工廠和純MEMS代工廠。目前，提供MEMS代工的IDM廠商主要有ST、索尼、TI等；臺積電是全球最大的晶圓代工廠，其MEMS代工業(yè)務(wù)也排在行業(yè)前列。全球領(lǐng)先的純MEMS代工廠有Silex Microsystems、Teledyne DALSA、Asia Paci c Microsystems、X-FAB、Innovative Micro Technology等。

中國MEMS產(chǎn)業(yè)要徹底實(shí)現(xiàn)我國MEMS產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和自主可控，最關(guān)鍵的是需要在MEMS芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)取得突破，在這方面，國內(nèi)企業(yè)逐漸開始走國外廠商的MEMS設(shè)計(jì)制造一體化的IDM道路，士蘭微便是其中之一。

1997年成立以來，士蘭微實(shí)現(xiàn)了芯片設(shè)計(jì)、制造、封測等環(huán)節(jié)的一體化布局，為逐步發(fā)展成為MEMS IDM 供應(yīng)商奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前全球前十大的MEMS公司均為歐美日企業(yè)，國際MEMS大廠（惠普、TI、意法半導(dǎo)體、博世等）都以IDM（設(shè)計(jì)/制造一體化）模式運(yùn)營，可以說IDM模式于MEMS產(chǎn)品更具優(yōu)勢。這是由于：首先制造傳感器沒有標(biāo)準(zhǔn)工藝，不同類型的傳感器所采用的工藝路線均不相同；第二，一顆傳感器產(chǎn)品可以視為一個(gè)系統(tǒng)，其封裝對產(chǎn)品性能和可能性影響非常大；第三，傳感器和傳感器系統(tǒng)的晶圓測試和產(chǎn)品測試與普通的CMOS芯片差異非常大；最后，IDM廠商對于MEMS生產(chǎn)和供貨具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和彈性。

“士蘭微能夠成為國內(nèi)屈指可數(shù)的MEMS傳感器IDM供應(yīng)商，得益于三個(gè)方面。首先，得到了國家重大科技專項(xiàng)的支持，士蘭微獲得02專項(xiàng)資金用于開展MEMS傳感器的研發(fā)工作，并完成了從慣性傳感器、地磁傳感器到壓力計(jì)等傳感器的IDM化發(fā)展，上文中提到的獲得國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的‘高效模數(shù)轉(zhuǎn)換器和模擬前端芯片關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用’項(xiàng)目正是基于此合作。該項(xiàng)目發(fā)明了高效可配置模數(shù)轉(zhuǎn)換及模擬前端芯片架構(gòu)、高效誤差數(shù)字校準(zhǔn)及高精度時(shí)鐘、高效模擬前端采樣等技術(shù)，可應(yīng)用于多維傳感器、鋰電管理系統(tǒng)等系列產(chǎn)品，解決了高效模數(shù)轉(zhuǎn)換器及模擬前端芯片的自主可控發(fā)展的難題。”該公司相關(guān)人士對集微網(wǎng)記者表示，“其次，士蘭微已具備種類比較全面的MEMS產(chǎn)品布局，成熟的設(shè)計(jì)、制造、封測等IDM軟硬件配套，以及逾20年的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累，非常契合傳感器IDM模式的特性。最后，公司通過近十年的技術(shù)積累和長期的特殊工藝摸索，累積了豐富的技術(shù)工藝，已申請相關(guān)發(fā)明專利百余項(xiàng)。”

因此不難發(fā)現(xiàn)，基于士蘭微種類比較全面的MEMS產(chǎn)品布局和半導(dǎo)體芯片制造基礎(chǔ)，走IDM路線更適合自身企業(yè)的長期良性發(fā)展。

士蘭微如何立足MEMS傳感器市場？

自2010年開始至今，士蘭微電子在慣性傳感器、磁傳感器、壓力傳感器、硅麥克風(fēng)傳感器以及光傳感器等特殊工藝的集成電路設(shè)計(jì)、制造和封測領(lǐng)域已積累大量經(jīng)驗(yàn)，并成功導(dǎo)入量產(chǎn)，傳感器已批量應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、智能手環(huán)、行車記錄儀、TWS耳機(jī)等領(lǐng)域。

據(jù)介紹，2012年11月，士蘭微電子研發(fā)成功了第一顆MEMS慣性加速度計(jì)電路SC7A30；2013年08月，士蘭微電子推出第一顆三軸磁傳感器電路SC7M30；這兩款產(chǎn)品均采用3.0mm x 3.0mm x 1.0mm的LGA封裝，可應(yīng)用于智能手機(jī)和平板電腦等各種場合。2016年，推出國內(nèi)首款單芯片六軸慣性傳感器SC7I20。目前，系列化的傳感器產(chǎn)品主要有：加速度傳感器、陀螺儀、多軸慣性傳感器、地磁傳感器、空氣壓力傳感器、溫濕度傳感器、硅麥克風(fēng)、接近及環(huán)境光傳感器、心率傳感器、電流傳感器、角度及位置傳感器、車用胎壓傳感器等。

MEMS市場看起來雖然誘人，但是廠商之家的廝殺非常激烈，并且利潤率不斷下降，對于MEMS廠商而言，如果想要獲得市場份額，產(chǎn)品的差異化顯得至關(guān)重要。通過公司在設(shè)計(jì)、制造、封測等領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，士蘭微可以在實(shí)現(xiàn)優(yōu)化制造成本的同時(shí)，持續(xù)為客戶提供差異化的產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

一位長期從事傳感器產(chǎn)品及應(yīng)用方案研究的業(yè)內(nèi)人士透露，“傳感器產(chǎn)品，例如加速度計(jì)，代表性的國際廠商包括意法半導(dǎo)體、博世等都是IDM廠商，產(chǎn)品性能高，是真三軸，但是也存在價(jià)格高、供貨在交期方面有一定風(fēng)險(xiǎn)；而國內(nèi)廠商雖然在價(jià)格方面具有一定優(yōu)勢，但由于多數(shù)是Fabless企業(yè)，其在產(chǎn)能、產(chǎn)品可靠性方面經(jīng)常出現(xiàn)不能滿足客戶需求的情況，甚至有些產(chǎn)品還可能是假三軸。”該專業(yè)人士指出，“士蘭微具有自己的制造封測能力，性能可控、價(jià)格適中，是真三軸，無粘附，自有產(chǎn)線也能極大地確保交期可控。”

產(chǎn)品改良周期長可能也是本土MEMS廠商存在的一個(gè)痛點(diǎn)。一般來說，MEMS芯片設(shè)計(jì)者以DOE的形式去晶圓廠投片、拿回樣品測試，根據(jù)測試結(jié)果修正自己的架構(gòu)設(shè)計(jì)或材料設(shè)計(jì)等，然后再去投DOE，往往要幾個(gè)來回之后才能得到令人滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。期間如果不能得到晶圓廠的大力配合，DOE的時(shí)間和質(zhì)量都不能令人滿意，會大大拖慢開發(fā)的周期和產(chǎn)品迭代的進(jìn)度。在這方面，具備自己的晶圓線的士蘭微就具有很大的優(yōu)勢，可以大幅縮短產(chǎn)品改良周期。

此外，傳感器封裝應(yīng)力對產(chǎn)品的影響非常大，因此士蘭微采用LGA封裝自行加工以確保封裝應(yīng)力得到極致優(yōu)化且成本可控，而采用內(nèi)部封裝，產(chǎn)品交貨周期和質(zhì)量追溯也實(shí)現(xiàn)了可控。

通過十年的技術(shù)積累，士蘭微在慣性傳感器上已取得較好成績，加速度計(jì)傳感器累計(jì)已出貨2億只，在智能手機(jī)和智能穿戴領(lǐng)域積累了較多的客戶群。據(jù)了解，士蘭微的心率傳感器和硅麥克風(fēng)傳感器也已陸續(xù)在市場上批量出貨，并且與加速度計(jì)產(chǎn)品形成傳感器套片，進(jìn)一步提升了產(chǎn)品的配套能力。

結(jié)語

“后摩爾”時(shí)代，MEMS成為超越摩爾技術(shù)的重要組成部分。在邊緣設(shè)備中將多種傳感器融合，再結(jié)合人工智能技術(shù)，可以為視、聽、嗅、運(yùn)動(dòng)等多種物理量的感測開辟新應(yīng)用，新興MEMS技術(shù)將開拓新疆界。伴隨著諸如士蘭微等本土供應(yīng)鏈的不斷成熟壯大，誠然眼下差距仍然較大，但是未來中國廠商必將可以在MEMS市場上大展拳腳。

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