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來源：半導體行業觀察 近年來，MEMS技術以其驚人的創新潛力，成為科技領域的一顆耀眼明星。 MEMS全稱Micro Electromechanical System，即微機電系統，MEMS產品將具有不同功能的微傳感器、微執行器、微結構、信號處理與控制電路、通訊/接口單元在硅晶圓上制作而成，是微型機械加工工藝和半導體工藝相結合的產品。 簡單來講，MEMS是一種結合了機械和電子技術的微小裝置。 由于MEMS擁有小型化、低功耗、集成化、智能化等特點，被廣泛應用于消費電子、汽車、工控、醫療等領域，用于感知運動、聲音、溫度、壓力等，并且MEMS器件在幾乎所有市場中都得到越來越多的采用。 MEMS是傳感器乃至整個半導體產業重要的技術分支，目前正處于第三次產業浪潮的爆發期，方興未艾。未來，隨著物聯網、人工智能、自動駕駛等新興技術的發展成熟，MEMS新產品、新功能、新應用也將不斷涌現，從而帶動MEMS行業規模持續增長。 根據Yole Group近期發布的MEMS年度報告《Status of the MEMS Industry 2023》顯示，MEMS市場將以5%的年復合增長率，從2022年的145億美元增長到2028年的200億美元。 
在這個增長過程中，消費市場仍然是MEMS市場中最大的細分領域。在這一細分市場中，新興的可穿戴應用將抵消最近智能手機需求量的下滑，以4%的年復合增長率從76億美元增長到94億美元； 汽車產業繼續從日益增加的車內自動駕駛功能中獲益，并將保持第二大市場的地位。MEMS滲透率在自動駕駛和ADAS功能集成的推動下不斷增長，有助于緩沖汽車市場總體上略為平坦或緩慢增長的局面。GNSS定位需要用到MEMS慣性傳感器，激光雷達需要用到MEMS微鏡，實現車內舒適性需要用到MEMS環境傳感器，這些需求將幫助市場達到7%的年復合增長率，截至2028年市場規模可增至41億美元； 而工業和醫療市場在預測期的年復合增長率至少為5%。工業市場由工業自動化和工業4.0實施推動，工廠中的機器人或AGV等所用的慣性傳感器、振蕩器和壓力傳感器將是這一市場的關鍵。診斷和監測設備的持續小型化以及可穿戴設備的引入將增加MEMS組件在醫療領域中的需求。 預測期內，電信市場預計呈現28%的最高年復合增長率，其中用于開關的光學MEMS和MEMS振蕩器在滿足數據需求的指數級增長上將扮演越來越重要的角色。 此外，人工智能、物聯網、智慧城市等應用領域智能化趨勢明顯，隨著信息時代新興領域的崛起，MEMS傳感器的應用范圍也將不斷擴展，發展潛力巨大。 隨著全球對傳感器化和數據驅動應用的需求持續增長，Yole回顧了過去20年中，MEMS行業表現出持續的創新，甚至開辟了新的產品視角。多年來，各種市場驅動因素、接連發生的危機和生態系統變化塑造了當今價值超過140億美元的MEMS產業。 01 MEMS產業回顧 1959年，著名物理學家Richard Feynman發表了題為“There's Plenty of Room at the Bottom”的著名演講，首次提出微機械的概念。1987年，加州大學伯克利分校的科學家借鑒集成電路(IC)工藝，制作出了直徑僅為100μm左右的硅微靜電微電機，與人類頭發絲的粗細相當，這被認為是MEMS時代到來的標志。 此后，MEMS技術進入飛速發展的時代，各種MEMS產品層出不窮，應用在各種尖端技術領域。 MEMS傳感器第一輪商業化浪潮始于20世紀八九十年代，MEMS壓力和慣性傳感器開始在汽車上的應用。2003年，隨著更先進的安全功能開始融入車輛中，汽車成為主要推動力，例如安全氣囊中使用的加速計、ESP系統的陀螺儀以及早期采用的用于輪胎壓力監測的壓力傳感器是MEMS的首批汽車應用之一。 如今，受益于汽車行業安全規定及信息化、智能化浪潮，MEMS傳感器在汽車領域得到飛速發展。據相關調研數據，目前平均每輛汽車包含10-30個MEMS傳感器，而在高檔汽車中大約會采用30甚至上百個MEMS傳感器。 第二輪的浪潮出現源于PC的興起，MEMS技術在投影儀和噴墨打印頭上大量使用，惠普的MEMS噴墨打印頭和德州儀器用于投影應用的DLP在此時創造了巨大的需求，在數量和銷售額方面逐漸超過了汽車行業，德州儀器與惠普一起成為早期市場領導者。 之后，智能手機的流行進一步推動這波浪潮的快速發展。2007年，iPhone的問世以及隨后智能手機的廣泛采用導致了消費領域MEMS需求激增，自動屏幕旋轉創造了對加速計的早期需求，而導航輔助、計步和游戲等更先進的功能的引入進一步推動了智能手機對慣性傳感器的需求。MEMS麥克風也開始應用于智能手機，并最終成為業內出貨量最大的MEMS設備之一。 據Yole Development統計，單部智能手機的MEMS傳感器總量將從2014年的12顆上升到2021年的20顆。主要包括加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、MEMS麥克風等傳感器，以及射頻器件。隨著智能手機的技術創新和手機廠商差異化競爭的趨勢，傳感器數量還將繼續增長。 目前，MEMS正由于AIoT的發展，開啟第三個發展浪潮。萬物互聯時代的核心是傳感、互連和計算，隨著AIoT落地而涌現出的可穿戴設備、智能家居等新興應用領域也廣泛使用了MEMS 傳感器產品。 近年來，智能手表、TWS耳機和VR/AR等可穿戴設備的采用不斷增加，也推動了MEMS行業的發展。第二次消費浪潮以及隨后對慣性MEMS傳感器的需求激增，使意法半導體和博世從TI和HP等早期領導者手中奪取了市場領先地位。 總結來看，MEMS產業發展歷程大概可分為三個階段：1990-2000年的汽車電子化浪潮，點燃了MEMS傳感器的需求；2000-2010年的消費電子浪潮，推動MEMS傳感器呈現多品類、多功能一體化的發展態勢；2010年至今的物聯網及人工智能浪潮，帶動了MEMS傳感器單品放量、軟硬協同化發展。 Yole Intelligence的技術與市場分析師Pierre Delbos表示：“隨著可穿戴技術日趨成熟，以及越來越多的終端產品進入市場，新涌現的可穿戴設備功能可以緩解智能手機購買量下滑帶來的影響，尤其是在中國市場�！� 例如像無線耳機、智能手表，以及AR/VR頭戴設備這樣的產品擁有導航輔助、高度測量、空間音頻甚至睡眠監測等新功能，OEM廠商正在集成更多MEMS組件進一步提高性能和增強功能性，這導致了MEMS滲透率的提高。 根據IDC數據，預計到2025年物聯網總連接數達到102.7億，物聯網需求帶動MEMS市場規模不斷提升。物聯網產生的MEMS增量市場在110億元，占市場總量約10%，預計2025年提升到20%。 在上述過程中，中國及全球MEMS產業幾十年來風云變幻，新舊企業起起落落，MEMS霸主幾經易主，產業并購無數。
圖源：Yole Intelligence《Status of the MEMS Industry 2023》 從當前全球MEMS公司ToP 30名單來看，博世仍然是全球最大的MEMS企業，并且比2021年強勁增長12%，博通仍然位居第二但增長乏力，而高通則受益于5G 通信對MEMS射頻濾波器的需求，獲得了21%的高速增長，成功進入全球前三。意法半導體因為汽車市場MEMS傳感器的增長進入ToP4。 中國企業方面，歌爾微電子仍然是全球MEMS產業排名最高的中國企業，今年排名第9，主要受消費電子需求低迷影響導致出貨量下降，同樣是全球MEMS麥克風巨頭的樓氏電子也出現營收下滑的情況。 總共有6家中國MEMS企業進入全球ToP 30，除了歌爾微電子外，還有瑞聲科技（排名23），賽微電子全資子公司Silex Microsystems（排名26），臺積電（排名27），海康威視（排名29），睿創微納（排名30）。 可以看到，本次名單出現了�？低暫皖撐⒓{兩家國產MEMS企業。 02 MEMS技術的未來發展趨勢？ MEMS技術在目標市場中已經較為成熟。但隨著創新正在發生，OEM希望能夠持續優化成本、尺寸和性能，這也將進一步推動MEMS市場和技術需求。 為了保持競爭力，MEMS行業始終在追求創新。 業內人士應該了解，MEMS與生俱來就具有創新的能力，這種創新能力最早始于其極具創新性的設計、創新性的結構、以及創新性的封裝技術等。例如，在博世公司首次在專用集成電路ASIC中引入硅通孔技術（TSVs），并在3軸加速器上采用了晶圓級芯片規模封裝技術之后，與其競爭對手ST和mCube相比，博世MEMS產品的封裝尺寸減小至55%。此項技術突破幫助他們減小了硅芯片的尺寸，并因此很好的降低了產品成本。 此類創新競賽從未停上過。mCube后續又憑借其MC3600系列加速器的創新方案再次反超博世公司，重新居于領跑地位。 如今，MEMS領域的創新仍在繼續，這種創新不僅來自新技術，也包括成熟MEMS技術的新應用。 先進封裝：微型化、集成化趨勢 作為一種技術趨勢，MEMS傳感器和執行器不斷致力于縮小尺寸、降低成本和提高性能，并正在轉向以異構功能集成為關鍵的系統化。 首先，微型化不可逆，MEMS向NEMS（納機電系統）演進。與MEMS類似，NEMS是專注納米尺度領域的微納系統技術，只不過尺寸更小。而隨著終端設備小型化、種類多樣化，MEMS向更小尺寸演進是大勢所趨。 此外，從前端制造到封裝、模塊和系統集成，整個MEMS供應鏈都朝著混合能力的方向發展。 隨著MEMS加工工藝的進步，以及CMOS工藝和MEMS工藝的集成，MEMS傳感器可以在更小面積的芯片上集成更強大的運算與存儲能力，更好地滿足系統應用對低成本、小體積、高性能的全面要求。 多傳感器融合 現代傳感器作為電子產品的“感知中樞”，通過加入微控制單元和相應信號處理算法，還可以承擔自動調零、校準和標定等功能，實現終端設備的智能化。 同時，傳感器市場也正在呈現多項功能高度集成化和組合化。由于設計空間、成本和功耗預算日益緊縮，在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測多個參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。 多傳感器融合技術有助于增加可獲得的數據數量，顯著提高系統的冗余度和容錯性，從而保證決策的快速性和正確性。隨著設備智能化程度的提升，單個設備中搭載的傳感器數量不斷增加，多傳感器的融合和協同提升了信號識別與收集效果。 綜合來看，先進的封裝技術，如多芯片模塊可以將多個芯片組合封裝，特別是3D堆疊封裝技術，代表著MEMS產品不斷向微型化和高集成化的發展趨勢邁進，預示著其可在有限的體積內集成更多的組件，實現更復雜更強大的功能。隨著MEMS傳感器的技術的發展，傳感器的體積將不斷縮小，這將有利于更多應用領域，如消費電子、汽車行業等領域，更易于整合到不同類型產品中。 基于此，業界還出現了很多新技術： 密封雙模技術 當前，可聽設備和以音頻為中心的可穿戴設備對音質和電池壽命都有很高的期望。因此，工程師必須利用先進的MEMS技術和創新的電路設計跟上步伐。 例如，英飛凌在Apple Airpods Pro中的MEMS麥克風中采用了密封雙膜技術，將其專有的MEMS技術和巧妙的ASIC設計發揮到極致，這種設計可以將功耗降低兩倍，將高音頻質量和低噪聲結合在一個微型麥克風設備中，也實現了超高SNR（信噪比）、極低失真，并且可以防止水和灰塵滯留在膜和背板之間，從而實現幾乎無噪音音頻信號捕獲。
英飛凌XENSIV IM69D128S MEMS麥克風包括微型模塊封裝中的MEMS單元和ASIC 據悉，英飛凌MEMS麥克風由最早的單背板技術、雙背板設計發展到現在轉向密封雙膜結構，經歷了將近20年。 單背板結構就是一塊背極板配合著一層振膜，當振膜受到聲壓作用時會在背極板上方振動，利用振膜與背極板之間的距離變化關系傳遞電容信號的變化，這就是MEMS麥克風將空氣振動的機械能轉換為電能的基本感測原理。單背板架構如下圖所示：
英飛凌單背板架構示意圖 由于單背板MEMS麥克風輸出的是一個單端信號，為了增強MEMS麥克風的抗干擾能力，降低本底噪音，提高MEMS麥克風的信噪比，2017年，英飛凌成功量產了采用雙背板技術差分輸出的MEMS麥克風產品，將MEMS麥克風的信噪比提升到了69dB。
英飛凌雙背板（Dual-back plate）架構示意圖 為了能夠在消費級電子產品中實現錄音棚級別的音頻用戶體驗，同時進一步提高MEMS麥克風產品的可靠性，增強抗污染及防水能力，英飛凌于2021年又成功量產了采用密封雙振膜技術的新產品，信噪比進一步提升，同時MEMS麥克風單體就能具備IP57級別的防塵和防水能力。
英飛凌MEMS芯片（左）和密封雙振膜結構示意圖（右） 憑借密封雙膜技術帶來的高性能和低功耗的優勢，此類MEMS產品適用于包括TWS、耳戴式耳機和聽力增強產品，同時也可以應用于其他空間關鍵應用，如可穿戴設備、智能手機和物聯網設備等。 激光重新密封工藝 比如，2015年至2018年，博世在蘋果iPhone中的壓力傳感器從LGA封裝轉向O形圈防水封裝，讓蘋果提高了耐用性。在此期間，博世將MEMS芯片的尺寸減少了一半以上，從0.8mm²縮小到0.35mm²，遵循了行業小型化的模式。 博世還推出了新的制造技術，新的激光重新密封工藝可顯著減少壓力變化，從而最大限度地發揮 iPhone 14 Pro 內慣性傳感器的性能。雖然該工藝比以前的工藝貴三倍，但它允許將MEMS陀螺儀和加速度計集成到同一芯片上，從而實現傳感器的進一步小型化并更好地控制腔內的真空水平。 MEMS器件真空封裝結構 MEMS器件真空封裝的制造工藝主要包括基底加工、薄膜沉積、真空腔室形成和密封結構制備等步驟。該結構是為了保護其微觀結構免受外部環境影響，如溫度、濕度、氣體等，能夠有效降低器件的氣阻，提高其靈敏度和性能穩定性。 MEMS器件真空封裝結構及其制造工藝對于確保器件的性能和穩定性至關重要。通過精確的基底加工、薄膜沉積、真空腔室形成和密封結構制備等工藝步驟，可以實現高質量的真空封裝。 然而，由于MEMS器件的尺寸和復雜性不斷增加，其真空封裝制造工藝也面臨著諸多挑戰。未來，隨著封裝技術的不斷創新和優化，有望進一步提高MEMS器件真空封裝的性能和可靠性。 總結來看，隨著MEMS技術的不斷發展，對于封裝技術的要求也將不斷提高。未來的封裝技術需要在降低成本、提高生產效率、縮小封裝體積等方面取得更多突破。例如，通過集成多種功能的封裝技術，可以減少器件間的連接，提高整體性能。此外，新型材料的開發和應用也將為MEMS器件真空封裝帶來更多可能性。 在實際應用中，為了滿足不同MEMS器件的需求，封裝技術應具備一定的靈活性和可定制性。為了實現這一目標，未來研究應聚焦于多種封裝技術的融合和創新，如將微觀和宏觀尺度的封裝技術相結合，以及將傳統和新興封裝技術相結合。 總之，MEMS器件真空封裝結構及其制造工藝在保證器件性能和穩定性方面起著至關重要的作用。未來的研究和發展將繼續專注于提高封裝技術的性能、可靠性和生產效率，以滿足不斷變化的MEMS器件需求。通過不斷創新和優化，有望為各行各業提供更加高效、穩定和可靠的MEMS器件解決方案。 MEMS晶圓：向12英寸邁進 另一個值得注意的趨勢是從6、英寸8英寸到12英寸MEMS制造的轉變。雖然這對MEMS廠商來說需要大量投資，但它可以更好地與12英寸CMOS晶圓集成，并支持最佳設備性能。 當前全球毫無疑問的MEMS傳感器王者，博世正在推進位于德國東部城市德累斯頓的12英寸MEMS晶圓產線建設，該項目投資10億歐元。 國內MEMS行業也在大步向前。去年1月，賽微電子宣布將在合肥高新區建設12英寸MEMS生產線，預計總投資為51億元，建成后月產能為2萬片。 另外，在更早的2020年12月，士蘭微的12英寸生產線就在廈門海滄正式投產了，該項目總投資170億元，規劃建設兩條以功率半導體芯片、MEMS傳感器芯片為主要產品的12英寸特色工藝功率半導體芯片生產線。 此外，目前中國大陸規模最大的MEMS代工企業中芯集成，在今年5月底發布的公告稱，將在紹興濱海新區投資建設中芯紹興三期12英寸特色工藝晶圓制造中試線項目。 此前，計劃募集資金使用項目包括“MEMS和功率器件芯片制造及封裝測試生存基地技術改造項目”，“二期晶圓制造項目”以及“補充流動資金”。后續調整后，新增“中芯紹興三期12英寸特色工藝晶圓制造中試線項目”。 去年12月，12英寸先進智能傳感器及特色工藝晶圓制造產線項目——廣州增芯一期第一階段項目正式動工，增芯是12英寸先進智能傳感器及特色工藝晶圓制造產線，為MEMS制造生產線項目。計劃2024上半年通線，2025年年底滿產，將建設月加工2萬片12英寸的晶圓制造量產線。 很明顯可以看出，全球MEMS晶圓的產能正向12英寸過渡，中國半導體也在朝著這個方向努力。12英寸MEMS制造日益成為現實，除了它帶來的額外產能之外，還看到12英寸制造在小型化以及整體設備可用性和質量方面的其他關鍵優勢。 此外，MEMS傳感器制造商正試圖通過為MEMS傳感器添加軟件、處理和計算能力，賦予其額外的功能，從而擺脫商品化周期并提升價值鏈。MEMS傳感器與邊緣或云中的AI/ML/DL相結合的應用正在開辟一條道路。 03 機遇背后，MEMS挑戰尚在 近年來，隨著MEMS技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，全球MEMS產業持續呈現出良好的發展態勢。 雖然MEMS技術已經取得了顯著的進展，但仍存在一些挑戰需要克服。 首先，MEMS技術的制造工藝要求非常高，包括納米級別的加工和控制，這增加了生產成本和制造難度。為了推動MEMS技術的發展，需要不斷改進制造工藝，提高生產效率和可擴展性。其次，MEMS器件的可靠性和穩定性也是需要關注的問題。由于MEMS器件的微小尺寸和復雜結構，容易受到環境因素和振動等影響，可能導致性能不穩定或壽命縮短。因此，需要加強對MEMS器件的可靠性測試和可持續性設計，確保其在各種應用環境下能夠穩定工作。此外，MEMS技術還需要與其他技術領域進行深度融合，以實現更廣泛的應用。例如，與人工智能、大數據和云計算等技術結合，可以實現MEMS傳感器數據的智能分析和應用。通過數據挖掘和機器學習算法，可以提取出有價值的信息，并為各個領域的決策提供支持。 MEMS在封裝方面同樣存在挑戰，目前的MEMS封裝技術大都是由集成電路封裝技術發展和演變而來，但是由于其應用環境的復雜性，使其與集成電路封裝相比又有很大的特殊性，不能簡單將集成電路封裝直接去封裝MEMS器件。 與IC封裝類似，MEMS封裝在機械支撐、環境保護和電氣連接3個方面存在差異性。除此之外，在實際的MEMS封裝中，還必須考慮下面一些因素：首先，封裝必須給傳感器帶來的應力要盡可能小，材料的熱膨脹系數（CTE）必須與硅的熱膨脹系數相近或稍大，由于材料的不匹配，很容易導致界面應力，從而使芯片發生破裂或者分層。對于應力傳感器，在設計時就必須考慮封裝引起的應力給器件性能的影響，其次，對于一般的MEMS結構和電路封裝，散熱是必須要給予充分重視的，高溫下器件失效的可能性會大大增加，而對于熱流量計和紅外傳感器，適當的熱隔離會提高傳感器的靈敏度。 總之，MEMS技術憑借其獨特的特點和廣闊的應用前景，成為科技領域的一股強勁力量。作為“More than Moore”的重要方向和突破口，并在人工智能、物聯網等熱點應用風口催化下，MEMS產業迎來了巨大的戰略機遇期。 雖然面臨一些挑戰，但通過不斷的研發和創新，相信MEMS技術將繼續邁向更高峰。 就像行業專家林雪萍在文章中所述：“MEMS傳感器仍然是一種預言，萬物有眼，劇透未來。MEMS廠家的一舉一動，就像是一本關于未來產品的參考書，預示著各種可能的智能之路�！� 未來，改變當今MEMS格局的市場在哪里？ |
