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MEMS元件供应商市场策略与技术报导
 

【作者: 籃貫銘】2007年12月05日 星期三

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根据Yole Development的统计资料,目前全球前十大的MEMS供应商分别为德州仪器(TI)、惠普(HP)、Robert Bosch、Lexmark、Seiko Epson、意法半导体(ST)、佳能(Canon)、飞思卡尔、ADI与Denso,其中TI以供应自有的光学MEMS元件为主,并未商品化,而HP、Lexmark及佳能则是用在墨水匣上,也未有商品推出,虽然四者都有一定的市场规模,但并不能列入供应商。而为了实际了解目前主要的MEMS元件供应商的市场策略与最新技术,本文特别专访了ST、Epson、飞思卡尔与楼氏电子,详细了解其发展策略,进而洞悉最新的MEMS技术发展与市场趋势。


意法半导体(ST)

ST自2001年跨足MEMS市场后,随即推出多样且广泛的MEMS元件,目前的产品线共有线性加速计、陀螺仪(将于2008年推出)、压力计和MEMS麦克风等,其中又以加速计与陀螺仪为大宗。 ST类比、功率与微机电元件产品市场经理郁正德表示,根据Yole Development的统计资料,截至2006年底,ST在全球MEMS市场的排名为第六,但至2007年之后,ST将会上升至第一。他指出,最主要的原因便是ST的MEMS感应器已被使用在数款知名消费性电子上,包含Wii、iPhone及iPod等,都是使用ST的解决方案。


《图一 ST模拟、功率与微机电组件产品市场经理郁正德表示,2007年之后,ST在全球MEMS市场的排名将会上升至第一。》
《图一 ST模拟、功率与微机电组件产品市场经理郁正德表示,2007年之后,ST在全球MEMS市场的排名将会上升至第一。》

ST的MEMS系统可分为两个部分,第一为机械结构的MEMS感测器,也就是透过机械结构产生作动,让电容发生改变的部分;另一个为介面晶片(Interface Chip),为将电容间的改变转成讯号并输出的部分,其多为使用半导体制程CMOS架构的元件。郁正德表示,目前ST的解决方案有分两种,一种为类比,就是直接将电压的讯号输出,不进行转换;另一种为数位,也就是内建类比讯号转换器,可直接输出数位讯号。


全球唯一使用8吋晶圆厂生产MEMS的厂商

郁正德表示,目前MEMS Sensor的架构多为半导体制程,其材料为矽晶。而ST使用一种称为「THELMA」的专利制程技术,它是一种表面薄膜的处理方式,为在晶圆处理之后,先增加一层氧化层,再去做四线的定位,然后于底部增添一层使之成为立体,再透过雷射将整体结构雕刻出来,最后再蚀刻一次,成为3D的架构。他强调,利用半导体制程来进行MEMS 的3D结构蚀刻相当困难,而ST也是全球唯一一家使用8吋晶圆厂生产MEMS的厂商。由于MEMS属特殊制程,​​晶圆厂一旦投入MEMS生产,便不能从事其他的半导体制造,因此成本相对较高,所以一般的厂商多以5吋或6吋晶圆来进行MEMS的量产。


《图二 ST的「THELMA」专利制程技术所制造的MEMS结构。》
《图二 ST的「THELMA」专利制程技术所制造的MEMS结构。》

朝小型化与讯号精确发展

由于装置的应用需求以及可携式产品的大量采用,未来MEMS的发展将会朝向讯号愈精确、体积愈小的方向发展,再者介面晶片也会整合更多的功能。为了达到体积小,封装的方式便有堆叠与并排两种,可依据客户需求决定。郁正德表示,ST目前共提供四种解决方案,为线性加速计、陀螺仪、压力计与MEMS麦克风,在产品种类上则涵括了二轴与三轴、数位与类比,及各种大小的封装方式,以符合不同的客户需求。他也透露,ST用于侦测速度的陀螺仪即将于2008年第一季推出,目前已有产品样本。


《图三 ST为消费市场应用所开发出的微型运动传感器。》
《图三 ST为消费市场应用所开发出的微型运动传感器。》

消费性电子为主要发展关键

MEMS感应器的应用范围非常的广泛,可用在各式各样的装置内,包含行动装置、消费性电子、家电与工业医疗、笔记型电脑与汽车等,都会有MEMS感应元件在内。但郁正德指出,消费性电子才是未来MEMS元件最主要的发展关键。他表示,如游戏、手机、MP3播放器与导航装置等,将来都会普遍使用MEMS的技术在内。在游戏与手机的应用上,Wii的操作器与iPhone的翻转萤幕​​已经做出了很好的示范,日后也会有更多的厂商使用类似的功能;而在导航装置上,透过MEMS的Dead Reckoning技术来进行方位模拟,可除去在隧道与高架桥下的导航死角,加强GPS的定用功能。郁正德也透露,目前ST正在开发一种3D滑鼠,其操作的功能与Wii类似,但应用的范围更为广泛,不仅可用于游戏控制而已,它将可运作在Windows环境下,进行一般的应用程式操作。该产品目前已进入测试阶段,不久便会正式推出。



《图四 MEMS的终端应用解决方案》
《图四 MEMS的终端应用解决方案》

提供客户Turnkey解决方案

郁正德也表示,目前市场上对于MEMS的了解仍不足,一般客户往往不知道MEMS技术可以应用在什么地方,因此ST倾向于提供给客户「Turn Key」解决方案。除了晶片之外,也提供API和软体的支援,让客户可以快速跨过开发的障碍,加速产品上市的时间。他指出,在做MEMS应用开发的时候,最重要的便是元件运作的数值,一般的研发人员不太可能亲自去个别测量这些值,若是元件供应商能提供这些数值,对于产品开发将有相当的助益。


爱普生(EPSON)

利用石英材料独创QMEMS技术

以影像产品著称的EPSON除了在印表机、投影机及LCD等应用上有突出的表现外,在MEMS技术上也有一番作为,旗下的爱普生东洋通信公司(Epson Toyocom Corp.)透过其自有的石英材料,开发出一种名为「QMEMS」的专利技术。


《图五 台湾爱普生电子零件技术服务部经理殷之江表示,QMEMS技术最大的不同点就是使用石英为材料,是在石英上面做加工。》
《图五 台湾爱普生电子零件技术服务部经理殷之江表示,QMEMS技术最大的不同点就是使用石英为材料,是在石英上面做加工。》

有别于一般使用半导体材料的MEMS技术,其QMEMS是利用「Quartz (石英)」和「MEMS」所结合而成。由于石英是一种晶态材料,具备高稳定度与高精密度等特性,非常适合使用在需要高精确度的元件上,加上并非一般MEMS所使用的半导体材料,在成本与效能上都有相当的优势。台湾爱普生电子零件事业群电子零件技术服务部经理殷之江表示,由于电子产品的发展趋势为轻薄短小,因此相关的元件也必须随之缩小,而其中有许多传统的元件在体积缩小上则会遭遇技术上的挑战;石英属于传统零组件的一部分,是电子零件的心脏,势必也要随之缩小。为了迎合这个需求,EPSON便将相关的元件走向MEMS制程。他强调,与一般MEMS技术最大的不同点就是在于使用石英为材料,是在石英上面做加工,此便是QMEMS的技术特点。


透过QMEMS技术将传统元件微小化

殷之江表示,EPOSN很早就意识到未来的电子装置都会朝向小体积发展,若不能提早因应,将会被业界所淘汰,因此便开始着手研发将半导体的加工方法(如曝光、显影、蚀刻等)技术应用至石英材料上,将石英研磨至非常微小的尺寸,以符合消费性电子的设计需求。


《图六 EPSON使用QMEMS技术将石英材料雕刻出一个类似「王」字形的MEMS传感器结构。》
《图六 EPSON使用QMEMS技术将石英材料雕刻出一个类似「王」字形的MEMS传感器结构。》

目前EPSON使用QMEMS技术的感应器产品共有三类,第一为计时器(Timing)、第二为感应器(Sensor)、第三为光学元件(Optical)。而在感应器产品中,以角速度感应器为主要,其中又以XV-8100CB、XV-8000CB与XV-3500CB等三项产品最具市场优势,殷之江表示,该三项产品皆使用5032包装,并内含一个对外的感测元件,能感测角度的发生,该感应元件便是使用QMEMS技术所制造。他进一步解释到,此感测元件为石英材料所制造,透过相当精密的工程,雕刻出一个类似「王」字型形状的结构,由于体积非常小,无法使用传统的工具进行制造,因此便导入半导体的制造方式。


而除了角速度感应器之外,EPSON另一个为市场广泛采用的产品为计时器,其计时器也是透过QMEMS的微化技术,将石英单体加工成非常微小的音叉型晶体元件,且不牺牲其稳定度和精密度。该元件可被使用在非常精密的电子装置(如手机、PDA、可携式媒体播放器)内。殷之江表示,EPSON的产品定位主要是针对轻薄短小的装置应用。也由于这样的设计才让EPSON的石英解决方案获苹果(Apple)采用,并使用在iPod之中。


制程和良率仍是最大的问题

《图七 EPSON表示,在大型零件上,EPSON很难跟台湾的厂商竞争,所以朝向微小型的零件供应发展。图为EPSON最新的角速度传感器。》
《图七 EPSON表示,在大型零件上,EPSON很难跟台湾的厂商竞争,所以朝向微小型的零件供应发展。图为EPSON最新的角速度传感器。》

殷之江也强调,站在客户的角度来说,并不在乎产品使用何种技术完成,只在乎能不能符合市场需求,同时在成本不增加太多的前提下。而QMEMS技术便可以达成这样的需求,并没有说哪一个产业特别需要。在大型零件上,EPSON很难跟台湾的厂商竞争,所以朝向微小型的零件供应发展,而小型零件也是获利较高的领域。爱普生电子零件事业群资深行销业务张书宾则表示,QMEMS最大的优势便是小型化。因为小型化的因素让许多于可携式装置上的应用可能实现,如数位相机的防手震功能,也是因为小型化才能普及。目前采用EPSON解决方案的客户非常多,包含手机厂、MP3、PND、数位相机及游戏机等,都市场上主要的制造商,其中PS3的六轴感应控制器,便是使用EPSON的角速度感应器。


《图八 爱普生电子零件事业群资深营销业务张书宾表示,QMEMS最大的优势便是「小」。》
《图八 爱普生电子零件事业群资深营销业务张书宾表示,QMEMS最大的优势便是「小」。》

对于QMEMS技术发展的最大障碍,殷之江则认为,制程和良率仍是最大的问题。他表示,要在半导体制程中取得机械性能是非常困难的的工程,其中所有的电路与结构都要一体成型,因此必须使用非常精确的技术才能达成,加上还有耐用度、尺寸与电耗等议题的考量,因此不是一般公司可轻易涉入。为了量产QMEMS技术的产品,EPSON已投资了一定的金额兴建专用的制造厂,来因应未来的产品需求,虽然初期因良率偏低,导致成本较高,但随着产能的增加和良率的改善,成本也会渐渐降低,市场的经济规模也会逐渐显现。 「长痛不如短痛」殷之江说道。


楼氏电子(Knowles)

在新兴的MEMS麦克风市场上,楼氏电子(Knowles Acoustics)为市占率最高的厂商,目前单月产能达1,500万颗,在全球手机应用市场上有20%的市占率,而在助听器市场上则享有80%的占有率。楼氏电子的第一枚MEMS麦克风于2003年生产,并在去年12月达成了3亿枚SiSonic表面贴装MEMS麦克风的生产,在MEMS麦克风技术的历史上达到重要的里程碑,其已连续4年为MEMS麦克风出货量的领先供应商。


MEMS麦克风具易整合及低噪讯优势

相较于传统的麦克风,MEMS麦克风具有易整合于整体电路设​​计的优势,且其在IC的宽频射频抑制效能也相当突出,此优势对于手机及其相似应用有很大帮助;再者,MEMS麦克风的小型振动膜质量非常轻巧,与ECM相比,MEMS麦克风安装在PCB的扬声器上可产生更低的振动耦合。


《图九 楼氏电子硅晶麦克风产品经理Freank Guiney指出,目前的MEMS麦克风产品都朝向小型化的趋势发展。》
《图九 楼氏电子硅晶麦克风产品经理Freank Guiney指出,目前的MEMS麦克风产品都朝向小型化的趋势发展。》

由于MEMS麦克风具有许多的优势,并对减低系统成本有助益,非常适合需体积小、耐震,且具备RF元件的中高阶应用使用,例如中高阶手机、数位相机、PDA或游戏机等。而在笔记型电脑的应用上,透过MEMS麦克风结合V​​oIP等网路语音通讯应用,可让笔记型电脑可作为电话使用,方便进行视讯或语音会议。而在工业、医疗及汽车领域上,MEMS麦克风也有很大使用空间,从监视器、助听器到车载系统等,都有可能用到MEMS麦克风。Yole Development就预测,至2010年时,全球的MEMS麦克风市场规模将成长到8亿片。


封装朝向小型化 手机与数位相机将是主要应用

楼氏电子矽晶麦克风(SiSonic)产品经理Freank Guiney指出,目前的MEMS麦克风产品都朝向小型化的趋势发展,而楼氏电子现今的晶片(Die Size)面积都以1.35mm2  为主,并正在朝向1.1 mm2  发展。由于在终端产品的制造上多以小化为主轴,同时并要求更低的杂讯品质,因此楼氏便发展MEMS麦克风来因应这样的需求。就晶片的体积来看,每一年楼氏都有相当程度的缩减。楼氏电子亚太地区业务协理何美静也表示,客户的需求就是希望能楼氏提供越来越小的MEMS麦克风解决方案。她指出,目前楼氏的MEMS麦克风产品已发展到​​第四代,高度已从最早的1.45mm,降到目前的1.1mm。 Freank Guiney则强调,未来的封装高度将是低于1mm以下为主。


《图十 目前楼氏的MEMS麦克风产品已发展到第四代,高度已从最早的1.45mm,降到目前的1.1mm,未来将是以低于1mm以下为主。》
《图十 目前楼氏的MEMS麦克风产品已发展到第四代,高度已从最早的1.45mm,降到目前的1.1mm,未来将是以低于1mm以下为主。》

Freank Guiney表示,目前楼氏电子的MEMS麦克风多用在手机应用上,依据2006年的统计资料,楼氏在全球有将近20%的占有率,为全球第一,未来占有率还会更进一步提升。而除了手机之外,另一个关键的应用为数位相机。他指出,目前的消费型数位相机都具有录影的功能,由于MEMS麦克风在体积与杂讯上具有极佳的效能,因此非常适合数位相机上使用。


双晶片解决方案具较佳设计弹性

《图十一 楼氏电子亚太地区业务协理何美静表示,楼氏在声学领域已有六十年的历史,推出MEMS麦克风更是业界的一项创举,对于日后的产业将有举足轻重的影响。》
《图十一 楼氏电子亚太地区业务协理何美静表示,楼氏在声学领域已有六十年的历史,推出MEMS麦克风更是业界的一项创举,对于日后的产业将有举足轻重的影响。》

Freank Guiney也强调,楼氏电子在麦克风的研发及销售上,有非常久远的历史与经验,能提供非常高效能与高可靠性的麦克风解决方案。何美静也表示,楼氏在声学领域已有六十年的历史,推出MEMS麦克风更是业界的一项创举,对于日后的产业将有举足轻重的影响,未来更将是MEMS麦克风的天下。有别于其他竞争者的MEMS麦克风解决方案,楼氏所提供的MEMS麦克风为一种双晶片的解决方案,Freank Guiney表示,相较于单晶片而言,楼氏的解决方案具备更佳的设计弹性,若日后要变更设计,无须更动整体的电路系统。而楼氏也提供了相当多样化的产品线,包含数位麦克风、类比麦克风、放大器麦克风、交换器及游戏麦克风等,以符合不同的客户需求。也由于产品线相当多样化的缘故,因此并不适合采用单晶片的设计方式来提供MEMS麦克风解决方案。楼氏的双晶片解决方案能提供较佳的设计弹性。


5年内MEMS麦克风全球占有率将超过五成

Freank Guiney也指出,MEMS麦克风在制造上是非常困难的一件事,特别是针对大量市场的应用需求。他表示,楼氏花了14年的时间在研发MEMS麦克风,并将之导入大量的生产,而目前市面上约有15家MEMS麦克风提供商,但能做到大量生产的仅有3家而已。目前MEMS麦克风进入市场最大的困难点就是如何取代ECM麦克风。相较于ECM,MEMS麦克风在全球仅有约10%的占有率。加上ECM是一项非常成熟暨稳定的产品,进入市场已有十年以上的时间,不容易在短时间内说服客户采用。 MEMS麦克风在性能上有很大的优势,近年的需求已逐步提升,再过5年,MEMS麦克风在全球的占有率便可以达到50~60%左右。


飞思卡尔(Freescale)

进入系统整合时期

从2004年自摩托罗拉(Motorola)独立出来的飞思卡尔(Freescale)半导体,在MEMS Sensor的设计上已有25年的历史,目前已有加速度感应器、重力侦测仪等多样的产品线面市。飞思卡尔类比与感应器产品部门资深产品经理彭嘉辉表示,飞思卡尔的MEMS感应器发展共分5个时期,第一个时期为分散元件时期,由BiPolar Sensor与其他元件个别分开设计;第三时期为Mix Technology,所整合的元件逐渐增多,已将MEMS与晶片如MCU、电源元件等整合在内;第五时期为Full Integration时期,此时期为系统时期,包含机械、电子及其相关周边整合至单一设计内。


《图十二 飞思卡尔的MEMS技术发展时期,目前已进入第五个系统整合时期。》 - BigPic:599x411
《图十二 飞思卡尔的MEMS技术发展时期,目前已进入第五个系统整合时期。》 - BigPic:599x411

彭嘉辉表示,目前飞思卡尔已发展至第五时期,而飞思卡尔最新推出的TPMS(Tire Pressure Monitoring System)胎压监控解决方案便是系统级设计。该系列最新的MPXY8300单晶片整合了MEMS的压力感测器、8位元的MCU、双轴加速度感测器、RF及一些电子管理功能在内,能即时监测胎压。他也指出,压力感测器最早是应用在汽车电子上,已有十几二十年的历史,到目前才逐渐往小型的消费性电子装置上发展,如Wii、iPohne等。而在加速度感应器的应用上,大概可分为几个领域,分别为移动(Movement)、角度(Tilt)、位置(Positioning)、下落(Fall)、震动(Vibration)及防振(Shock)等。彭嘉辉指出,加速度感应器的实际应用范围非常的广泛,目前的消费性电子都有应用的可能,例如虚拟滑鼠、硬碟保护设计、防摔、相机防手振、影像旋转、GPS、计步器与3D游戏等都会应用到。


缺乏统一标准 测试与验证有困难

《图十三 飞思卡尔模拟与传感器产品部门资深产品经理彭嘉辉表示,MEMS技术都是各家自有独特的制程,在测试和验证上都缺乏统一的指针。》
《图十三 飞思卡尔模拟与传感器产品部门资深产品经理彭嘉辉表示,MEMS技术都是各家自有独特的制程,在测试和验证上都缺乏统一的指针。》

对于整体的MEMS市场现况,彭嘉辉则表示,MEMS的技术已经起步一段时间了,相关的产品也已实际应用在市场上,但未来则会朝向更小型封装发展,同时功能也会整合更多。目前MEMS的应用发展有几个关键,其中一个是小型化与整合,再者为成本导向,另一个重要的议题则是缺乏统一标准。目前MEMS技术都是各家自有独特的制程,因此在测试和验证上便缺乏统一的指标,对客户来说便会造成困扰。此外,MEMS的制造也仍是一项考验, MEMS的设计原理是非常的容易,但在制程上却是十分的困难,加上MEMS使用的是单晶矽材料与一般的半导体材料不太相同,因此想要在接近半导体级的尺寸下雕出机械结构是需要相当的技术。


市场竞争导致价格快速下降

《图十四 三轴传感器的封装有并排与堆栈两种方式,目前ST所提供的解决方案结为单芯片的型式。》
《图十四 三轴传感器的封装有并排与堆栈两种方式,目前ST所提供的解决方案结为单芯片的型式。》

在成本的议题上,彭嘉辉则表示,未来由于投入的厂商增加后,市场的竞争也会加大,因此便会导致整体的价格下降,也由于厂商间的竞争,技术也会逐渐的改良。 MEMS在未广泛进入大量市场前成本都还相当高,但因Wii及iPhone的采用后声名大噪,连带使得出货量大增,成本也应声下跌。其中三轴加速度感测器的价格就下降的非常快速,一个感应器约美金1元,未来也还有下降的空间,若能会跌到0.7~0.8美元左右,便能达到相当规模的普及。


以微系统(Microsystem)为终极发展目标

《图十五 MEMS的应用非常多元,而未来将会朝向「微系统(Microsystem)」发展。》
《图十五 MEMS的应用非常多元,而未来将会朝向「微系统(Microsystem)」发展。》

而对于未来MEMS的发展趋势,彭嘉辉认为将会朝向整合的目标发展,包含混合讯号、逻辑元件与MCU、RF及记忆体等,都会被整合在一个MEMS元件内。未来的MEMS在相同的封装尺寸内将会包含更多的元件,同时封装尺寸也会更小,并朝向成为单一独立系统发展,终极的目标是成为「微系统(Microsystem)」,仅需要一个单晶片便能提供完整的功能,无须在其外增添其他的设计,但目前这仍是愿景,据达成还有一段很长的路要走。而其杀手级应用则是会广泛应用在汽车电子领域、消费性装置与数位相机的影像稳定系统上。


结语

综观目前的MEMS发展现况,可知其已是不可扼抑的趋势,未来也将会有越来越多使用MEMS技术的装置走入日常生活中。事实上,目前已有不少的设备使用MEMS技术了。可想见的是,未来的电子设备除了具备多功能的应用外,其操作的方式也将会更接近「人」的模式,并颠覆过去10多年来人与电脑的互动模式。现阶段MEMS的制造与设计仍存在着一定的难度,验证与测试也未有统一的标准,因此要达到与目前半导体产业的蓬勃现况仍有相当的努力空间,但依其发展的速度来看,相信那一天的到来并不会太久。


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