隨著歌爾微IPO申請過會，國內(nèi)MEMS又迎來了一波熱潮。作為唯一上榜全球MEMS廠商十強(qiáng)的中國企業(yè)，歌爾微的上市讓人們將目光再次注視向這個領(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。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會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。后來的電路則包括電容感應(yīng)移動質(zhì)量加速計，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)化可以說出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補(bǔ)充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長期看來將是MEMS一個增長強(qiáng)勁的領(lǐng)域。
推動第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及所謂的"片上實驗室"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龍頭廠商排名在過去的十多年中基本沒有發(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。
總體來看，在MEMS領(lǐng)域，我國國內(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%的芯片依賴國外。國內(nèi)MEMS傳感器廠商整體規(guī)模不大，除歌爾微與瑞聲年營收在1億美元以上，美新半導(dǎo)體、美泰科技、芯奧微等本土MEMS傳感器廠商年營收均在6000萬美元以下，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，后來用在血壓計。到了2003年，MEMS麥克風(fēng)開始出貨，后來頻濾波器、加速度傳感器、陀螺儀、濕度傳感器、光學(xué)傳感器、射頻天線等越來越多，以智能手機(jī)為代表的消費電子產(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，如果說最早是壓力傳感器是絕對的老大，之后慣性MEMS傳感器、射頻MEMS傳感器的市占率將其超過。
隨著音頻技術(shù)變得無處不在，MEMS麥克風(fēng)市場開始再次火熱起來。據(jù)Yole統(tǒng)計，MEMS麥克風(fēng)是是MEMS市場2020年至2026年間增長率第二高的組件。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)市場帶來強(qiáng)勁增長動力。
預(yù)計該市場在2020年至2026年間將有10.5%的復(fù)合年增長率，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，似乎剩有三個玩家Knowles、Goertek和AAC，主導(dǎo)MEMS麥克風(fēng)的領(lǐng)域。但現(xiàn)在，國內(nèi)主要MEMS企業(yè)歌爾微、瑞聲科技、敏芯股份的主營產(chǎn)品均為MEMS麥克風(fēng)，并且合計市場份額已經(jīng)達(dá)到48%，幾乎占據(jù)MEMS麥克風(fēng)全球市場的半壁江山。
于2017年成立的歌爾微，作為國內(nèi)新晉的獨角獸企業(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)成功過會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)招股說明書，歌爾微MEMS聲學(xué)傳感器在2020年的市場份額就達(dá)到了32%，首次超過樓氏位居全球第一。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會無疑證明了MEMS麥克風(fēng)的火熱情況。
中國MEMS突破之道
中國MEMS產(chǎn)業(yè)起步并不比國外晚很多，從設(shè)計、制造和封裝三個環(huán)節(jié)來看，現(xiàn)有的技術(shù)條件已初步形成MEMS設(shè)計、加工、封裝、測試的一條龍體系，為保證我國MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了較好的平臺。
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、性能價格比及商品化等方面與國外差距還是很大。目前我國MEMS行業(yè)整體呈現(xiàn)中低端產(chǎn)品競爭激烈、高端產(chǎn)品競爭中沒有競爭力的局面，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，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)需要比較長時間的投入，一款傳感器的研發(fā)一般需6-8年，加之測試、導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)鏈的時間，一般需要接近二十年。再加上產(chǎn)品的價格并不與產(chǎn)品的重要性或者開發(fā)難度成正比，導(dǎo)致中國MEMS企業(yè)無法在價格戰(zhàn)中獲利。
由于MEMS的特點，技術(shù)的核心點不僅僅在于芯片的設(shè)計端，工藝的可實現(xiàn)性也極其重要。
對于國內(nèi)企業(yè)來說，更難的是堅持全產(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，而這個壁壘遠(yuǎn)比一般的IC Design House要高的多。
敏芯股份董事長李剛曾表示：因為IC的制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度高，設(shè)計公司只能通過設(shè)計和產(chǎn)品定義保持1-2年的領(lǐng)先地位，而堅持全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)的MEMS公司，如果采取了Fab-Light的模式，往往能獲得長達(dá)5-6年甚至更長時間的領(lǐng)先期。因此，對于國內(nèi)MEMS企業(yè)來說，全產(chǎn)業(yè)鏈的長期堅持極為重要。
經(jīng)過十余年發(fā)展，我國在MEMS產(chǎn)業(yè)鏈本地化方面有了長足的進(jìn)步和積累。國內(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，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)計和大批量高精密制造方面有近三十年經(jīng)驗，在微型聲學(xué)、觸覺、MEMS麥克風(fēng)領(lǐng)域，分別被工信部認(rèn)定為我國制造業(yè)單項冠軍示范企業(yè)?，F(xiàn)已成為全球領(lǐng)先的同行、IT及消費電子市場微型元器件整體方案供貨商。
敏芯作為中國最早成立的MEMS研發(fā)公司之一，現(xiàn)已擁有完整的芯片設(shè)計、晶圓制造、封裝與測試等全產(chǎn)業(yè)鏈的自主研發(fā)設(shè)計能力，憑借完全自主設(shè)計的MEMS芯片與ASIC芯片成功打破了國外廠商長期壟斷的格局。
總結(jié)
MEMS火熱的同時，也帶來了價格壓力的不斷激增。IC Insights曾給出過一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)，MEMS產(chǎn)品的平均售價逐年下滑，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。實際上，某些MEMS（例如慣性，麥克風(fēng)等）的價格已經(jīng)低至0.1-0.2美元。
市場競爭帶來的壓力加上周期下行的悲觀情緒，低廉的價格驅(qū)動MEMS廠商去尋找成本壓力較小的市場。從國際大廠的經(jīng)驗來看，MEMS成為主營業(yè)務(wù)并非易事。在這個中國尚需要進(jìn)口80%以上高端產(chǎn)品的領(lǐng)域，歡呼過后如何走下去是企業(yè)需要思考的問題。
