隨著歌爾微IPO申請(qǐng)過(guò)會(huì)，國(guó)內(nèi)MEMS又迎來(lái)了一波熱潮。作為唯一上榜全球MEMS廠商十強(qiáng)的中國(guó)企業(yè)，歌爾微的上市讓人們將目光再次注視向這個(gè)領(lǐng)域——MEMS。
MEMS的高門檻
MEMS技術(shù)于1980年代發(fā)明，是一種利用硅基半導(dǎo)體制造工藝制造微型機(jī)械電子系統(tǒng)的技術(shù)，最早在汽車和軍工領(lǐng)域有部分應(yīng)用，主要產(chǎn)品包括MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器。
MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀(jì)70年代末80年代初，當(dāng)時(shí)用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動(dòng)膜在壓力下變形，會(huì)影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。后來(lái)的電路則包括電容感應(yīng)移動(dòng)質(zhì)量加速計(jì)，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。
第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據(jù)靜電驅(qū)動(dòng)斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。
第三輪商業(yè)化可以說(shuō)出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過(guò)全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補(bǔ)充。盡管該市場(chǎng)現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長(zhǎng)期看來(lái)將是MEMS一個(gè)增長(zhǎng)強(qiáng)勁的領(lǐng)域。
推動(dòng)第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無(wú)源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及所謂的"片上實(shí)驗(yàn)室"生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動(dòng)器件。
與大規(guī)模集成電路產(chǎn)品均采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS生產(chǎn)工藝不同，MEMS傳感器芯片本質(zhì)上是在硅片上制造極微小化機(jī)械系統(tǒng)和集成電路的集合體。并且，與芯片不同的是MEMS傳感器需要感知不同的環(huán)境參數(shù)，因此也沒(méi)有統(tǒng)一的封裝標(biāo)準(zhǔn)。
MEMS傳感器具有非常強(qiáng)的工藝特征，三維制造工藝與集成電路的二維制造工藝相差甚大，這也是國(guó)家十四五規(guī)劃中明確將MEMS特殊工藝的突破納入其中的重要原因。
由于MEMS傳感的高門檻，全球MEMS龍頭廠商排名在過(guò)去的十多年中基本沒(méi)有發(fā)生太大的變化。博世和博通是MEMS的領(lǐng)導(dǎo)者，其業(yè)務(wù)和增長(zhǎng)都非常出色。2022年全球MEMS廠商的排名前五分別是：博世、博通、Qorvo、意法半導(dǎo)體、高通。
總體來(lái)看，在MEMS領(lǐng)域，我國(guó)國(guó)內(nèi)供給能力不足，特別是高端產(chǎn)品幾乎全靠進(jìn)口補(bǔ)給，80%的芯片依賴國(guó)外。國(guó)內(nèi)MEMS傳感器廠商整體規(guī)模不大，除歌爾微與瑞聲年?duì)I收在1億美元以上，美新半導(dǎo)體、美泰科技、芯奧微等本土MEMS傳感器廠商年?duì)I收均在6000萬(wàn)美元以下，整體規(guī)模較小。
在Yole發(fā)布的2022年的排名中，中國(guó)只有4家MEMS企業(yè)進(jìn)入榜單，除去前文提到的歌爾微（第8），其余是三家分別是：瑞聲科技（第21）、Silex（第27）、高德紅外（第29）。
MEMS開始火熱
MEMS最早是用在汽車上的壓力傳感器，后來(lái)用在血壓計(jì)。到了2003年，MEMS麥克風(fēng)開始出貨，后來(lái)頻濾波器、加速度傳感器、陀螺儀、濕度傳感器、光學(xué)傳感器、射頻天線等越來(lái)越多，以智能手機(jī)為代表的消費(fèi)電子產(chǎn)品引領(lǐng)了MEMS傳感器的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
在各種不同類型的MEMS傳感器中，MEMS傳感器的占比和排名一直在變化中，如果說(shuō)最早是壓力傳感器是絕對(duì)的老大，之后慣性MEMS傳感器、射頻MEMS傳感器的市占率將其超過(guò)。
隨著音頻技術(shù)變得無(wú)處不在，MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)開始再次火熱起來(lái)。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，MEMS麥克風(fēng)是是MEMS市場(chǎng)2020年至2026年間增長(zhǎng)率第二高的組件。MEMS麥克風(fēng)是智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，一些高端智能手機(jī)甚至使用3~4顆MEMS麥克風(fēng)，此外一臺(tái)智能音箱的MEMS麥克風(fēng)搭載量可達(dá)2~8顆，一副TWS耳機(jī)的MEMS麥克風(fēng)數(shù)量則達(dá)4~6顆，為MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)帶來(lái)強(qiáng)勁增長(zhǎng)動(dòng)力。
預(yù)計(jì)該市場(chǎng)在2020年至2026年間將有10.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率，從14億美元增加到25億美元。
當(dāng)MEMS麥克風(fēng)在智能手機(jī)中廣泛普及之后，似乎剩有三個(gè)玩家Knowles、Goertek和AAC，主導(dǎo)MEMS麥克風(fēng)的領(lǐng)域。但現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)主要MEMS企業(yè)歌爾微、瑞聲科技、敏芯股份的主營(yíng)產(chǎn)品均為MEMS麥克風(fēng)，并且合計(jì)市場(chǎng)份額已經(jīng)達(dá)到48%，幾乎占據(jù)MEMS麥克風(fēng)全球市場(chǎng)的半壁江山。
于2017年成立的歌爾微，作為國(guó)內(nèi)新晉的獨(dú)角獸企業(yè)，在經(jīng)歷了從歌爾集團(tuán)成功拆分，并進(jìn)行多輪增資后，本月已經(jīng)成功過(guò)會(huì)IPO。憑借歌爾集團(tuán)這一座有力靠山，歌爾微在MEMS聲學(xué)傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅速。
根據(jù)招股說(shuō)明書，歌爾微MEMS聲學(xué)傳感器在2020年的市場(chǎng)份額就達(dá)到了32%，首次超過(guò)樓氏位居全球第一。在2018年-2021年上半年期間，公司90%左右的收入都是由MEMS聲學(xué)傳感器貢獻(xiàn)。
本月歌爾微的成功過(guò)會(huì)無(wú)疑證明了MEMS麥克風(fēng)的火熱情況。
中國(guó)MEMS突破之道
中國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)起步并不比國(guó)外晚很多，從設(shè)計(jì)、制造和封裝三個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看，現(xiàn)有的技術(shù)條件已初步形成MEMS設(shè)計(jì)、加工、封裝、測(cè)試的一條龍?bào)w系，為保證我國(guó)MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了較好的平臺(tái)。
然而，由于歷史原因造成的條塊分割、力量分散，再加上投入嚴(yán)重不足，盡管已有不少成果，但在質(zhì)量、性能價(jià)格比及商品化等方面與國(guó)外差距還是很大。目前我國(guó)MEMS行業(yè)整體呈現(xiàn)中低端產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈、高端產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力的局面，產(chǎn)業(yè)檔次偏低、企業(yè)規(guī)模較小、技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)較弱、同質(zhì)化較為嚴(yán)重。
哪怕是國(guó)內(nèi)MEMS排名第一的歌爾微，其自己具備芯片研發(fā)能力，部分產(chǎn)品中也使用了公司自研的芯片，但產(chǎn)品中大量使用的仍然是英飛凌的芯片，自研芯片在公司產(chǎn)品中的占比并不高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年上半年期間，歌爾微搭載自研芯片的MEMS聲學(xué)傳感器出貨量為0.99億顆，占其MEMS聲學(xué)傳感器出貨量的比例僅為11.73%。
MEMS的技術(shù)研發(fā)需要比較長(zhǎng)時(shí)間的投入，一款傳感器的研發(fā)一般需6-8年，加之測(cè)試、導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)鏈的時(shí)間，一般需要接近二十年。再加上產(chǎn)品的價(jià)格并不與產(chǎn)品的重要性或者開發(fā)難度成正比，導(dǎo)致中國(guó)MEMS企業(yè)無(wú)法在價(jià)格戰(zhàn)中獲利。
由于MEMS的特點(diǎn)，技術(shù)的核心點(diǎn)不僅僅在于芯片的設(shè)計(jì)端，工藝的可實(shí)現(xiàn)性也極其重要。
對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)來(lái)說(shuō)，更難的是堅(jiān)持全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)。只有結(jié)合工藝端的技術(shù)和資產(chǎn)投入，才能建立起足夠高的壁壘，而這個(gè)壁壘遠(yuǎn)比一般的IC Design House要高的多。
敏芯股份董事長(zhǎng)李剛曾表示：因?yàn)镮C的制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度高，設(shè)計(jì)公司只能通過(guò)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品定義保持1-2年的領(lǐng)先地位，而堅(jiān)持全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)的MEMS公司，如果采取了Fab-Light的模式，往往能獲得長(zhǎng)達(dá)5-6年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的領(lǐng)先期。因此，對(duì)于國(guó)內(nèi)MEMS企業(yè)來(lái)說(shuō)，全產(chǎn)業(yè)鏈的長(zhǎng)期堅(jiān)持極為重要。
經(jīng)過(guò)十余年發(fā)展，我國(guó)在MEMS產(chǎn)業(yè)鏈本地化方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和積累。國(guó)內(nèi)諸多高效和科研院所在MEMS傳感器前沿領(lǐng)域有深厚積累。上海微技術(shù)工研院在2017年，成功通線國(guó)內(nèi)首條8吋超越摩爾研發(fā)中試線；2016年，中科院微電子所建立了MEMS研發(fā)平臺(tái)，其8吋MEMS中試線工藝穩(wěn)定性達(dá)到98%。
2021年，江蘇奧力威傳感高科股份有限公司與清華大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作建設(shè)汽車傳感器智能化生產(chǎn)線前期工作快速推進(jìn)，開發(fā)可應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))壓力傳感器。
國(guó)內(nèi)企業(yè)也在不斷探索前行。歌爾集團(tuán)、瑞聲科技、敏芯股份、四方光電、睿創(chuàng)微納等也在多年的發(fā)展中，逐漸找到屬于自己的發(fā)展定位。
瑞聲科技在設(shè)計(jì)和大批量高精密制造方面有近三十年經(jīng)驗(yàn)，在微型聲學(xué)、觸覺(jué)、MEMS麥克風(fēng)領(lǐng)域，分別被工信部認(rèn)定為我國(guó)制造業(yè)單項(xiàng)冠軍示范企業(yè)?，F(xiàn)已成為全球領(lǐng)先的同行、IT及消費(fèi)電子市場(chǎng)微型元器件整體方案供貨商。
敏芯作為中國(guó)最早成立的MEMS研發(fā)公司之一，現(xiàn)已擁有完整的芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝與測(cè)試等全產(chǎn)業(yè)鏈的自主研發(fā)設(shè)計(jì)能力，憑借完全自主設(shè)計(jì)的MEMS芯片與ASIC芯片成功打破了國(guó)外廠商長(zhǎng)期壟斷的格局。
總結(jié)
MEMS火熱的同時(shí)，也帶來(lái)了價(jià)格壓力的不斷激增。IC Insights曾給出過(guò)一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，MEMS產(chǎn)品的平均售價(jià)逐年下滑，2007年為2.57美元，2012年為1.24美元，2017年為0.97美元，2022年降為0.88美元。實(shí)際上，某些MEMS（例如慣性，麥克風(fēng)等）的價(jià)格已經(jīng)低至0.1-0.2美元。
市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的壓力加上周期下行的悲觀情緒，低廉的價(jià)格驅(qū)動(dòng)MEMS廠商去尋找成本壓力較小的市場(chǎng)。從國(guó)際大廠的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，MEMS成為主營(yíng)業(yè)務(wù)并非易事。在這個(gè)中國(guó)尚需要進(jìn)口80%以上高端產(chǎn)品的領(lǐng)域，歡呼過(guò)后如何走下去是企業(yè)需要思考的問(wèn)題。
