晶圓代工模式到位　MEMS第三波商機(jī)啟動(dòng)

MEMS傳感器已是備受各界矚目的發(fā)展焦點(diǎn)，除令汽車和消費(fèi)性電子制造商愛不釋手外，包括工業(yè)、醫(yī)療、航天、國防等市場也興起MEMS傳感器導(dǎo)入風(fēng)潮，成為MEMS產(chǎn)業(yè)另一個(gè)馬力十足的成長引擎。在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器設(shè)計(jì)業(yè)者、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件開發(fā)商、半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者及晶圓代工廠的共同努力下，MEMS生態(tài)系統(tǒng) (Ecosystem)已漸具雛形，不僅讓MEMS晶圓代工商業(yè)模式得以萌芽滋長，更為MEMS傳感器打開汽車與消費(fèi)性市場外，另一個(gè)龐大的應(yīng)用商機(jī)。
近年來，在Wii與iPhone等明星商品的光環(huán)下，由汽車市場跨入消費(fèi)性應(yīng)用的MEMS傳感器迅速聲名大噪，并成為各類消費(fèi)性電子制造商爭相導(dǎo)入的科技新寵，尤其在游戲機(jī)與智能型手機(jī)市場銷量節(jié)節(jié)攀升的帶動(dòng)下，氣勢更不斷高漲。 根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)iSuppli最新報(bào)告顯示，汽車與消費(fèi)性市場是MEMS傳感器主要的兩大應(yīng)用領(lǐng)域。盡管2009年受到景氣衰退影響，整體MEMS傳感器市場連續(xù)第二年受挫，但隨著汽車與消費(fèi)性電子兩大產(chǎn)業(yè)的復(fù)蘇，預(yù)估2010年MEMS傳感器市場將達(dá)65億4,000萬美元規(guī)模，較2009年的58億 8,000萬美元增長11.1%(圖1)。
2006～2014年全球MEMS市場產(chǎn)值分析
iSuppli總監(jiān)暨M(jìn)EMS及傳感器市場首席分析師Jeremie Bouchaud表示，整體而言，汽車仍是MEMS最大應(yīng)用市場。盡管2009年全球車市狀況不佳，但未來4年，隨著美國與歐洲對汽車安全系統(tǒng)與有害排放物的強(qiáng)制規(guī)范上路，整體汽車銷售力道將轉(zhuǎn)趨強(qiáng)勁，進(jìn)而帶動(dòng)MEMS傳感器的需求。與此同時(shí)，MEMS在消費(fèi)性電子和手機(jī)的持續(xù)采用下也將不斷增長，預(yù)估至 2014年，MEMS在這兩項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域的合計(jì)產(chǎn)值將達(dá)32億美元，占整體市場32%比重。
工業(yè)/醫(yī)療商機(jī)涌現(xiàn)MEMS應(yīng)用無所不在圖2 亞德諾MEMS與傳感器技術(shù)事業(yè)群副總裁Mark Martin表示，該公司在MEMS與訊號處理領(lǐng)域均有深厚的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，是拓展市場的絕佳利器。值得注意的是，除汽車與消費(fèi)性電子外，MEMS傳感器在工業(yè)、醫(yī)療與航天、國防等領(lǐng)域的成長也表現(xiàn)不俗。iSuppli分析，2009～2014年，MEMS傳感器將以13.7%的年復(fù)合成長率(CAGR)在這些市場攻城略地，預(yù)估產(chǎn)值將上看23億美元。
亞德諾(ADI)MEMS與傳感器技術(shù)事業(yè)群副總裁Mark Martin(圖2)指出，10多年前，汽車市場帶動(dòng)了MEMS第一波成長風(fēng)潮，最早系應(yīng)用于汽車安全氣囊，而后更拓展至穩(wěn)定控制系統(tǒng)，但消費(fèi)者很難從這些應(yīng)用中感受到MEMS傳感器的存在。直到2005、2006年，Wii和iPhone先后采用后，市場才開始了解MEMS傳感器的獨(dú)特魅力并大量導(dǎo)入，讓消費(fèi)性MEMS市場正式起飛。
而今，第三波MEMS商機(jī)正快速在各種工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域蔓延開來。Martin表示，未來，MEMS在汽車穩(wěn)定系統(tǒng)及消費(fèi)性應(yīng)用仍將持續(xù)增長，但包括工業(yè)控制、精密儀器、可攜式醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用，則將是下一波MEMS成長重點(diǎn)。舉例來說，透過在工業(yè)設(shè)備中導(dǎo)入MEMS傳感器，便可藉由長時(shí)間的震動(dòng)監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備磨損情況，以降低整體維護(hù)成本或避免釀成更大損壞。圖3 Bosch Sensortec執(zhí)行長Frank Melzer指出，軟件在MEMS發(fā)展過程中的重要性與日俱增，是實(shí)現(xiàn)最佳傳感器應(yīng)用不可或缺的重要元素。Bosch Sensortec執(zhí)行長Frank Melzer(圖3)則指出，汽車應(yīng)用淬煉出MEMS技術(shù)的可靠性；消費(fèi)性市場則是讓MEMS技術(shù)變得更具成本效益，且尺寸與功耗均大幅縮減；而第三波應(yīng)用，則可讓MEMS的分布更加廣泛，并進(jìn)一步深入到各種應(yīng)用中，不管是人體或是機(jī)器均可能發(fā)生?？傊瑢EMS而言，這將是巨大的成長契機(jī)。
市場的演進(jìn)有其自然的發(fā)展腳步，隨著技術(shù)不斷突破，新的應(yīng)用市場也就隨之出現(xiàn)。因此，Martin認(rèn)為，第一波MEMS商機(jī)雖然經(jīng)過10多年的時(shí)間才逐漸成形，但第二波消費(fèi)性MEMS的發(fā)展，在產(chǎn)品技術(shù)到位后，導(dǎo)入速度猶如火箭般快速攀升，特別是便攜設(shè)備的成長格外亮麗；至于第三波MEMS商機(jī)，則將在未來2～3年內(nèi)即可遍地開花。
不過，對大多數(shù)MEMS傳感器開發(fā)商而言，現(xiàn)今主力產(chǎn)品多半是因應(yīng)消費(fèi)性應(yīng)用所開發(fā)，若要繼續(xù)沿用至工業(yè)領(lǐng)域，恐怕難以符合市場要求。對此，Melzer 表示，工業(yè)應(yīng)用需要全然不同的產(chǎn)品，但所運(yùn)用的技術(shù)將與現(xiàn)今大同小異，同樣須發(fā)揮經(jīng)濟(jì)規(guī)模與既有專業(yè)知識(shí)，才能快速滿足市場需求。
Martin則認(rèn)為，汽車市場對MEMS的可靠性與質(zhì)量要求已相當(dāng)嚴(yán)苛，這同樣也是工業(yè)應(yīng)用時(shí)重要的考慮指標(biāo)。而消費(fèi)性市場則促使MEMS成本下降并達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模；至于第三波應(yīng)用市場，仍須運(yùn)用這些MEMS基礎(chǔ)技術(shù)能力，但真正勝出的關(guān)鍵，則在于訊號處理技術(shù)。
發(fā)揮生態(tài)體系力量提高M(jìn)EMS技術(shù)可用性
顯而易見，MEMS的發(fā)展已開始進(jìn)入新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對MEMS相關(guān)業(yè)者而言，未來要面臨的將不只是滿足消費(fèi)性市場大量且快速上市的發(fā)展挑戰(zhàn)，同時(shí)也將面對汽車、工業(yè)、醫(yī)療等多元應(yīng)用市場，少量多樣且高可靠性的產(chǎn)品要求。
然而，眾所周知，MEMS組件共約有三十多種，每種產(chǎn)品也均有其特殊的制程要求，且每一項(xiàng)技術(shù)都得付出可觀的研發(fā)成本與長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)，無法一蹴可幾。根據(jù)Yole Developpement研究，開發(fā)一項(xiàng)新的MEMS產(chǎn)品大約須花費(fèi)4,500萬美元，以及4～10年的時(shí)間才能完成。因此，如何因應(yīng)市場環(huán)境的變化，找到最佳的發(fā)展模式，已成為產(chǎn)業(yè)界共同的課題。圖4 Coventor總裁暨執(zhí)行長Mike Jamiolkowski強(qiáng)調(diào)，唯有藉由MEMS生態(tài)體系的建立，才能促成MEMS晶圓代工模式的成形，進(jìn)而擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模。Coventor總裁暨執(zhí)行長Mike Jamiolkowski(圖4)指出，MEMS組件的發(fā)展涵蓋機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)、微流體(Microfluidic)、射頻、制程與系統(tǒng)等各種領(lǐng)域知識(shí)，除非公司規(guī)模相當(dāng)龐大，否則很難同時(shí)兼?zhèn)溥@么多領(lǐng)域的專業(yè)人才。因此，為了提高M(jìn)EMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展效率，必須建立堅(jiān)固的MEMS生態(tài)體系，藉由完整的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈與彼此間的合作，打破以往「一種制程，一種產(chǎn)品」的發(fā)展模式，加速M(fèi)EMS市場的擴(kuò)張。
盡管現(xiàn)今已有許多整合組件制造商(IDM)在MEMS產(chǎn)品的發(fā)展相當(dāng)成功，且每年也都不斷投入高額的研發(fā)經(jīng)費(fèi)繼續(xù)深究，但這并無法讓MEMS產(chǎn)業(yè)邁向真正成功。除非能讓更多人接觸到MEMS技術(shù)，也就是讓MEMS市場更為「民主化」，而不是只有少數(shù)大廠所主導(dǎo)，否則MEMS產(chǎn)業(yè)終究難以成形。[!--empirenews.page--]
所以，Jamiolkowski認(rèn)為，MEMS生態(tài)體系絕對不可或缺(圖5)，因?yàn)楹芏嘈⌒凸緵]有晶圓廠，一定得利用既有的市場資源，才能強(qiáng)化自身競爭力，進(jìn)而在市場上取得一席之地。事實(shí)上，目前已有不少無晶圓廠(Fabless)設(shè)計(jì)業(yè)者透過與晶圓廠的密切合作，成功地在極短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出MEMS產(chǎn)品。由此可知，MEMS晶圓代工商業(yè)模式已逐漸成形。未來，MEMS產(chǎn)業(yè)也能像半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一樣，擁有健全的產(chǎn)業(yè)分工，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。
圖5 MEMS生態(tài)體系組成結(jié)構(gòu)
不僅如此，MEMS晶圓代工模式的突破，也意味著業(yè)者將可在原有制程上開發(fā)新的MEMS產(chǎn)品，讓開發(fā)作業(yè)的完成時(shí)間(Turn Around Time)可縮短至1年內(nèi)，甚至6個(gè)月左右，以因應(yīng)消費(fèi)性市場產(chǎn)品生命周期遞減的發(fā)展趨勢。
以每年銷售近十四億支的手機(jī)來看，未來數(shù)年內(nèi)，智能型手機(jī)的出貨比例將大幅攀升，并帶動(dòng)慣性組件、數(shù)字磁力計(jì)與MEMS麥克風(fēng)等產(chǎn)品的龐大需求。因此，唯有透過MEMS晶圓代工模式，才能加速產(chǎn)品創(chuàng)新的速度并解決需求激增的問題。
Jamiolkowski表示，現(xiàn)階段要將MEMS制程標(biāo)準(zhǔn)化，可行性不高，但透過MEMS晶圓代工模式，晶圓廠可提供一種基礎(chǔ)的制程平臺(tái)并持續(xù)改良精進(jìn)，來滿足新一代產(chǎn)品的制造需求，讓MEMS設(shè)計(jì)業(yè)者能更專注于產(chǎn)品創(chuàng)新。
不過，對于MEMS晶圓代工模式興起的說法，Martin則抱持保留態(tài)度。他強(qiáng)調(diào)，要制造一個(gè)成功的MEMS產(chǎn)品，須擁有端至端的完整制程，且各個(gè)制程環(huán)節(jié)間必須緊密互動(dòng)，因此，IDM的發(fā)展模式將比晶圓代工的進(jìn)展更為快速。
設(shè)備/工具商奧援MEMS代工發(fā)展添助力
為了讓MEMS晶圓代工模式的發(fā)展早日成熟，Coventor多年來一直致力于MEMS產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)，期透過創(chuàng)新的技術(shù)，為半導(dǎo)體與MEMS領(lǐng)域開發(fā)人員搭起有效的溝通橋梁。
至今，Coventor已開發(fā)出MEMS+、CoventorWare及SEMulator3D等三套EDA工具軟件。MEMS+是該公司創(chuàng)造的首款I(lǐng)C 可兼容的MEMS＋I(xiàn)C設(shè)計(jì)流程，可大幅提升加速度計(jì)的開發(fā)速度；CoventorWare則可提供系統(tǒng)至物理層級的建模(Modeling)和模擬方案；而SEMulator3D則已被MEMS和半導(dǎo)體大廠用來提供三維(3D)建模以及晶圓制程步驟的分析。
Jamiolkowski指出，Coventor所創(chuàng)造的MEMS設(shè)計(jì)軟件流程已被廣泛用于當(dāng)今許多MEMS產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如噴墨頭、MEMS微流體、慣性感測組件及射頻等產(chǎn)品。前十五大MEMS制造商中，已有十一家采用該公司的EDA方案。這些工具可降低進(jìn)入MEMS設(shè)計(jì)的門坎，讓IC領(lǐng)域的工程師更容易了解MEMS組件，而機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員也能輕易理解IC制程，有助促成創(chuàng)新方案的誕生。圖6 應(yīng)用材料8吋晶圓廠產(chǎn)品線主管Jack Blaha表示，消費(fèi)性MEMS應(yīng)用龐大的市場規(guī)模，是吸引晶圓代工廠跨足MEMS制造服務(wù)的一大誘因。另一方面，半導(dǎo)體設(shè)備龍頭應(yīng)用材料(Applied Materials)也看好MEMS晶圓代工的發(fā)展?jié)摿?，積極搶進(jìn)MEMS設(shè)備市場。應(yīng)用材料8吋晶圓廠產(chǎn)品線主管Jack Blaha(圖6)表示，消費(fèi)性MEMS的需求高漲，讓設(shè)備商也趨之若鶩。該公司預(yù)估，至2012年，MEMS設(shè)備市場將達(dá)到5億美元的規(guī)模。加上應(yīng)用材料原本在化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)與化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)等設(shè)備領(lǐng)域已發(fā)展多年，因此可統(tǒng)整或強(qiáng)化現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)，利用已經(jīng)驗(yàn)證的平臺(tái)，提供符合MEMS產(chǎn)業(yè)所需的產(chǎn)品技術(shù)，協(xié)助業(yè)者持續(xù)邁進(jìn)。
不僅如此，有鑒于深蝕刻在MEMS制造過程中是相當(dāng)關(guān)鍵的步驟，應(yīng)用材料也于2009年底斥資3億6,400萬美元購并Semitool，進(jìn)一步跨足蝕刻設(shè)備市場。 Blaha指出，MEMS市場的成熟是該產(chǎn)業(yè)誘人之處，尤其是消費(fèi)性市場龐大的需求量，不但讓原本己投入的業(yè)者加碼布局，就連晶圓代工廠也垂涎不已，因?yàn)樗麄冏⒁獾较M(fèi)性MEMS市場的規(guī)模，已足以支撐其投入MEMS制造服務(wù)的發(fā)展。
不過，晶圓廠商要進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域也面臨一些挑戰(zhàn)，包括新材料、不同的接合與Release-Etch等技術(shù)，均是相當(dāng)獨(dú)特的制程挑戰(zhàn)。因此，應(yīng)用材料將以設(shè)備商的角色，來協(xié)助他們克服這些難題。
此外，由于MEMS產(chǎn)品種類眾多且制程各異，晶圓廠不可能同時(shí)提供所有產(chǎn)品所需的制程，而是會(huì)針對特定量大的產(chǎn)品提供制造服務(wù)，然后專注于這些產(chǎn)品材料、制程與設(shè)備的發(fā)展。
Blaha強(qiáng)調(diào)，消費(fèi)性MEMS的成本壓力已愈來愈高，而應(yīng)用材料擅長的即是提供高產(chǎn)量的設(shè)備，讓產(chǎn)業(yè)可以利用這些設(shè)備強(qiáng)化獲利能力，因應(yīng)消費(fèi)性市場的需求。與此同時(shí)，該公司也藉由與客戶端的緊密合作，確保正確的下一步發(fā)展藍(lán)圖。他指出，不同于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有摩爾定律(Moore's Law)或國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)可以依循，MEMS產(chǎn)業(yè)沒有軌跡可循，加上應(yīng)用市場多元，因此，身為設(shè)備業(yè)者必須確保所提供的產(chǎn)品可以符合產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展需求。
善用功能整合創(chuàng)造MEMS最大價(jià)值圖7 Kionix業(yè)務(wù)暨營銷副總裁Eric Eisenhut分析，系統(tǒng)整合與應(yīng)用的創(chuàng)新，是MEMS產(chǎn)業(yè)持續(xù)成長的兩大動(dòng)能。除晶圓代工模式有助于擴(kuò)大MEMS普及度外，透過適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞴δ苷吓c創(chuàng)新應(yīng)用，亦可彰顯MEMS傳感器的獨(dú)特價(jià)值，建立起難以取代的市場地位。 Kionix業(yè)務(wù)暨營銷副總裁Eric Eisenhut(圖7)分析，未來MEMS成長途徑有二，一是系統(tǒng)整合的創(chuàng)新，這是半導(dǎo)體廠共同的努力目標(biāo)，但要將哪些功能加以整合，則須審慎評估。
事實(shí)上，為節(jié)省制造成本，愈來愈多MEMS傳感器開發(fā)商利用后段制程，將多顆傳感器整合于同一封裝中，如五軸或六軸的慣性量測單元(IMU)即是典型的產(chǎn)品。然而，究竟要以單體式(Monolithic)或多芯片封裝來進(jìn)行功能整合，仍須視實(shí)際應(yīng)用情形而定。當(dāng)希望發(fā)揮先進(jìn)制程的優(yōu)勢時(shí)，利用封裝技術(shù)所構(gòu)成的多芯片方案將是較佳的選擇。
Martin指出，MEMS組件是一個(gè)完整的系統(tǒng)，而封裝則是相當(dāng)關(guān)鍵的構(gòu)成技術(shù)，當(dāng)要將MEMS傳感器與系統(tǒng)整合時(shí)，必須考慮鑄?；衔?(Molding Compound)、接合打線(Bond Wire)的長度，以及將可動(dòng)結(jié)構(gòu)放入封裝時(shí)所可能發(fā)生的應(yīng)力問題。因此，像Coventor所提供的模擬工具便格外重要，有助于達(dá)到高可靠度的要求。
無庸置疑的，為持續(xù)朝向更小尺寸發(fā)展，封裝技術(shù)的突破已是MEMS發(fā)展的重要課題。有很多業(yè)者正從四方扁平無引腳(QFN)、雙側(cè)扁平無引腳(DFN)等可以處理多顆裸晶整合于同一基板的封裝技術(shù)，朝向平面柵格數(shù)組(LGA)封裝發(fā)展，以滿足更小尺寸的發(fā)展要求；而最新的技術(shù)則是利用裸晶堆棧，進(jìn)一步提高單位面積的整合度。[!--empirenews.page--]
另一個(gè)MEMS成長的途徑則是透過應(yīng)用功能的創(chuàng)新，這意味著MEMS組件開發(fā)商須更了解應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu)，如操作系統(tǒng)的類型是Windows Mobile、Android還是Symbian；同時(shí)，也要確保MEMS組件整合后，可被應(yīng)用程序開發(fā)人員順利存取，以有效利用。
Eisenhut指出，現(xiàn)今許多產(chǎn)品雖內(nèi)建功能優(yōu)異的MEMS傳感器，卻沒有獲得完全的發(fā)揮。因此，Kionix投入許多資源開發(fā)出一套名為 Gesture Designer的工具，這套工具就像標(biāo)準(zhǔn)程序語言一般具高度嵌入性，可協(xié)助開發(fā)人員縮短新應(yīng)用的設(shè)計(jì)時(shí)程。舉例而言，客戶可將原本手機(jī)上的應(yīng)用程序，快速轉(zhuǎn)變成手持醫(yī)療裝置上的應(yīng)用。
一般而言，消費(fèi)性市場約每12～18個(gè)月就會(huì)有新產(chǎn)品推出。而MEMS要在如此快速變遷的市場環(huán)境中被大量應(yīng)用，關(guān)鍵即在于能否創(chuàng)造出有用的應(yīng)用。 Eisenhut進(jìn)一步分析，手機(jī)是MEMS極為重要的應(yīng)用市場，但健康照護(hù)的市場需求量也不差，若開發(fā)商能將這些標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，結(jié)合正確的使用情境，讓中間件開發(fā)人員開發(fā)出相對應(yīng)的應(yīng)用，就可以加快市場應(yīng)用及成形的速度。
除感測功能本身外，訊號的處理控制也是一大關(guān)鍵，這關(guān)乎微控制器(MCU)、內(nèi)存及電源管理架構(gòu)等設(shè)計(jì)，未來也將成為MEMS傳感器開發(fā)商相互較勁的技術(shù)領(lǐng)域。