微機電系統(tǒng)(MEMS)產業(yè)發(fā)展日益成熟,除MEMS元件的應用觸角已深入各個領域外,產業(yè)供應鏈結構也開始改變,尤其在半導體晶圓代工廠積極跨足、利基型MEMS元件代工需求涌現(xiàn),以及MEMS設計服務成形后,MEMS供應鏈專業(yè)分工的態(tài)勢已更加明顯,將有助未來MEMS無晶圓廠(Fabless)商業(yè)模式的發(fā)展。
囿于MEMS元件對制程的特殊要求,盡管目前已陸續(xù)有Fabless晶片設計業(yè)者投入MEMS元件開發(fā),但整體市場仍由整合元件制造商(IDM)所掌握并囊括大部分市場占有率,此從市場研究機構Yole D憝eloppement所公布的2010年全球前三十大MEMS公司名單中,僅應美盛(InvenSense)一家Fabless公司,即可看出端倪。
不過,可喜的是,隨著半導體晶圓代工業(yè)者與利基型MEMS代工廠擴大MEMS代工布局,以及MEMS設計服務逐漸興起,MEMS產業(yè)鏈的分工已更形完備,未來,MEMS市場可望循著半導體產業(yè)由IDM走向Fabless模式的發(fā)展軌跡,進一步壯大規(guī)模。
搶食MEMS代工商機 半導體廠勢力抬頭
事實上,現(xiàn)今半導體晶圓代工廠跨足MEMS代工業(yè)務的比例已愈來愈高,包括臺積電、聯(lián)電、全球晶圓(GlobalFoundries),甚至中國大陸中芯半導體,都已積極展開布局。
Yole D憝eloppement認為,盡管目前大多數(shù)MEMS元件仍由IDM內部自行生產,但隨著特殊MEMS元件代工需求的增加,半導體業(yè)者未來在MEMS代工市場的重要性將日益顯著。
以2010年前二十大MEMS晶圓代工廠的發(fā)展來看,意法半導體(ST)仍持續(xù)穩(wěn)居龍頭寶座,并拿下將近三分之一的產值比重。至于Silex Microsystems則以3,700萬美元的營收規(guī)模排名第二,較2009年大幅成長85%,成為最大的專業(yè)MEMS代工廠。此外,亞太優(yōu)勢的營收也比2009年增加60%,成為唯一躋身前五大MEMS代工廠的臺灣業(yè)者(圖1)。
圖1 2010年全球前二十大MEMS代工廠營收排名 資料來源:Yole Developpement(04/2011)
因著智慧型手機、游戲機等消費性電子產品對MEMS感測元件的大量需求,讓擁有8寸晶圓制造能力與豐沛產能的大型IDM掌握了消費性MEMS市場的主導權。不僅如此,汽車市場在2010年的強勁復蘇也讓IDM業(yè)者受惠。反觀Fabless MEMS元件供應商,由于賴仰晶圓廠奧援又須與大廠爭搶量產訂單,因此成長相對較慢。
Yole D憝eloppement執(zhí)行長Jean Christophe Eloy表示,未來,如博世(Bosch)、意法半導體和Panasonic等大型IDM將持續(xù)占有大多數(shù)消費性MEMS市場,然而,來自半導體產業(yè)、同樣具有高量產能力的晶圓代工業(yè)者,已逐漸開始嶄露頭角,成為MEMS代工的另一重要角色。
以臺積電來看,其2010年的MEMS代工營收即較2009年增長兩倍之多,由原本約1,000萬美元攀升至2,000萬美元規(guī)模。其他如XFab、Jazz半導體(即現(xiàn)今的TowerJazz)和聯(lián)電,雖然MEMS代工營收規(guī)模相對仍小,但也穩(wěn)健成長。中芯雖還無法躋身前二十大MEMS代工廠之列,但MEMS代工業(yè)務也有增加。至于全球晶圓也已積極展開相關布局。
挾豐富IP/制程技術 IMT強攻MEMS代工市場
除半導體晶圓代工廠外,專業(yè)MEMS代工廠也看好利基型MEMS代工市場成長潛力,戮力深耕布局。
以IMT(Innovative Micro Technology)為例,即透過與知名大學合作開發(fā)更先進技術,積極累積相關矽智財(IP),并藉由標準化、模組化和平臺化MEMS制程,來增加IP功能區(qū)塊的重復使用率,以降低客戶產品量產時程與開發(fā)成本,提升在MEMS代工市場的競爭力。
圖2 IMT業(yè)務發(fā)展副總裁Craig Trautman表示,豐富的IP資料庫與技術專業(yè),是該公司的核心競爭力。
IMT業(yè)務發(fā)展副總裁Craig Trautman(圖2)表示,每種MEMS元件均是相當獨特的產品,所需的制程與封裝技術也截然不同。因此,該公司利用建立IP功能區(qū)塊資料庫的方式,來克服MEMS元件制造缺乏標準制程的問題,并降低產品開發(fā)風險,以滿足多元應用市場的MEMS代工需求。
目前IMT可涵蓋的MEMS代工領域相當廣泛,除射頻切換器(RF Switch)等一般性MEMS元件代工服務外,還包括紅外線/感測器、能源、測試、生物醫(yī)學、生物科技、光學和導航等不同領域的特殊MEMS元件制造。
Trautman指出,IMT成立至今已11年之久,而過去所累積的長足經驗正是該公司之所以能建立IP資料庫并將MEMS制程標準化、模組化的關鍵,憑藉深厚的工程經驗和專業(yè)領域的知識,才能開發(fā)出最佳的IP,而透過這些IP的交互運用,亦有助下一代產品的開發(fā)(圖3)。
圖3 IMT將MEMS制程工序標準化、模組化與平臺化的發(fā)展情形 資料來源:IMT
不同于IDM與半導體晶圓代工廠在MEMS產業(yè)的發(fā)展定位,IMT主要系鎖定高價值的利基型MEMS元件代工商機,其中,生物醫(yī)學和生物科技領域更是該公司營收成長最大的來源,約占整體營收35~40%的比重。
Trautman分析,MEMS不僅可提供更好的一致性和可靠性,且可達到低功耗、微型化、低成本及精準控制等特性,并與其他電子元件相互整合,因此未來在醫(yī)療和生命科學領域的應用潛力十足,成長力道也相當強勁。而針對此一領域,該公司已掌握MEMS微幫浦(Micropump)、微流體(Microfluidic)、致動器(Actuation)和汽門(Valving)等相關制造技術。
盡管目前MEMS市場多半仍由IDM所主導,但Trautman認為,MEMS代工勢必成為未來趨勢,如同現(xiàn)今許多半導體大廠逐漸走向輕晶圓廠(Fab-lite/Foundry-lite)的情形一般,MEMS元件開發(fā)商也不希望負擔沉重的資本支出,因此,MEMS元件委外代工的后勢發(fā)展將相當樂觀。
事實上,IMT現(xiàn)今約有八成的客戶均為Fabless設計業(yè)者,且自數(shù)年前開始,IMT營運已開始獲利。Trautman進一步強調,身處于MEMS代工產業(yè)相當令人振奮,因為MEMS元件的應用已無所不在,并深深影響人們的日常生活,以一輛高階汽車為例,就配備多達三十顆的MEMS元件,且就整體市場未來幾年的年復合成長率(CAGR)來看,也可達到兩位數(shù)的成長,較同時期半導體市場僅個位數(shù)的增長,表現(xiàn)更為出色。 [!--empirenews.page--]
為因應客戶不同層次的代工需求,IMT除可提供從產品概念到大量生產的完整MEMS代工服務外,亦可根據(jù)客戶要求的產品效能規(guī)格,來完成原型開發(fā)、制程建立與量產等流程,或完全按照客戶的設計和指定的制造流程進行代工生產。
據(jù)了解,IMT現(xiàn)有位于加州圣巴巴拉(Santa Barbara)的廠房占地約13萬平方尺,主要以6寸晶圓進行生產,目前已開始有少量的8寸晶圓產能。
設計服務興起 MEMS供應鏈更完備
MEMS市場的蓬勃,除帶動專業(yè)MEMS代工商機外,亦讓MEMS設計服務的商業(yè)模式應運而生,讓MEMS產業(yè)供應鏈的發(fā)展,逐漸朝向類似半導體產業(yè)專業(yè)分工明確的架構邁進,除可降低MEMS元件開發(fā)的進入門檻外,亦有助擴大MEMS市場的規(guī)模。
圖4 AMFitzgerald創(chuàng)辦人Alissa M. Fitzgerald認為,MEMS設計服務可協(xié)助相關元件開發(fā)商降低研發(fā)風險。
2003年成立并專注于MEMS設計服務的AMFitzgerald創(chuàng)辦人Alissa M. Fitzgerald(圖4)表示,并非所有公司都能具備開發(fā)MEMS元件的專業(yè)領域知識,因此,透過該公司的服務,可協(xié)助需要MEMS方案卻缺乏相關人才與技術的公司快速切入,并降低每個技術研發(fā)階段的風險。
現(xiàn)階段,AMFitzgerald所提供的服務,包括完整設計和專案管理、可制造性與成本分析、設計模擬與最佳化、4寸或6寸晶圓制程研發(fā)、測試系統(tǒng)開發(fā)、封裝和系統(tǒng)整合,以及將技術轉移至量產晶圓廠等。
Fitzgerald指出,至今AMFitzgerald已服務超過七十家以上的客戶,涵蓋規(guī)模較小的新創(chuàng)公司至財星(Fortune)雜志前五百大企業(yè),其中,大部分是不熟悉MEMS專業(yè)知識的客戶,但也有少數(shù)具備MEMS技術能力的廠商為將研發(fā)資源聚焦產品制造,因而委由AMFitzgerald進行設計。至于客戶的應用領域則相當多元,主要以工業(yè)用感測器、醫(yī)療、半導體、生物科技、影像、太陽能和材料等范疇居多(圖5)。
圖5 AMFitzgerald主要客戶群分布 資料來源:AMFitzgerald
然而,不可諱言的,MEMS設計服務或晶圓代工市場規(guī)模若要進一步擴大,F(xiàn)abless設計業(yè)者將是不可或缺的關鍵觸媒,但以目前MEMS元件制造商通常須耗費4,000~6,000萬美元,并投入4~7年的時間才能開發(fā)出一款產品的情況來看,非常不利Fabless設計業(yè)者的發(fā)展。
對此,F(xiàn)itzgerald分析,由于MEMS缺乏標準制程,因此,元件制造商必須在建立完制程后,才能進行產品驗證,導致研發(fā)時間與費用大幅增加。不過,一旦未來MEMS制程逐漸標準化,且相關電子設計自動化(EDA)工具更加成熟,這個問題即可獲得改善,并促成Fabless設計公司在MEMS市場更加活躍,而屆時,MEMS產品的數(shù)量也將大量激增。
值得注意的是,所謂MEMS制程的標準化,并非如互補式金屬氧化物半導體(CMOS)制程一般適用多種產品制造,而是將MEMS不同制程工序標準化、模組化,讓制造商可根據(jù)產品的需要配置適合的制程。Fitzgerald進一步解釋,每種MEMS元件的制程工序的排列組合不盡相同,因此,透過將微影(Lithography)、深蝕刻(Deep Silicon Etch)或沉積(Deposition)等制程工序加以標準化,即可像樂高積木一樣,按照MEMS元件的需求,隨意組合調整,這與半導體制程的開發(fā)概念截然不同。
此外,針對市場人士提出將產品發(fā)展已相當成熟的加速度計(Accelerometer)制程標準化的看法,F(xiàn)itzgerald則認為,專利問題將是首要須克服的問題。她表示,仔細觀察意法半導體、Bosch Sensortec和飛思卡爾(Freescale)等加速度計大廠的產品規(guī)格即可發(fā)現(xiàn),三家產品外觀與封裝雖大同小異,但內部構造卻天差地別,這意味同樣的加速度計產品,可以許多技術方案實現(xiàn),因此,在如此激烈競爭的產品市場中,很容易面臨專利侵權的問題,即便是采取全新制程技術的產品,亦不可不慎。
除代工廠、設計服務商的出現(xiàn)可刺激MEMS市場的蓬勃外,致力推動MEMS發(fā)展的MEMS產業(yè)小組(MIG)亦積極整合相關技術、市場與產品資源,以協(xié)助更多業(yè)者進入MEMS領域。目前,MEMS產業(yè)小組已有一百家多家MEMS相關業(yè)者加入,除訊息分享交流外,也會提供可靠的產業(yè)資料協(xié)助MEMS技術的演進,同時促進MEMS技術和產品的商業(yè)應用與發(fā)展。
由此可見,MEMS產品與制程的特殊性,并未局限相關業(yè)者的發(fā)展空間,反而在更多廠商加入后,讓整體供應鏈更加完備,再加上產業(yè)組織的共同推動,MEMS產業(yè)將大有可為。