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中国MEMS市场高速成长士兰微如何立足MEMS传感器市

发布日期:2020-10-12 02:36

  2020年1月10日,国务院召开了2019年度国家科学技术奖励大会。杭州士兰微电子股份有限公司参与完成的“高效和模拟前端芯片关键技术及应用”项目获得国家技术发明奖二等奖,该项目解决了高效模数转换器及模拟前端芯片的自主可控发展难题,也是士兰微始终重视的半导体领域基础性技术和应用的研究之一,目前在MEMS件的设计、信号处理芯片的设计、MEMS芯片工艺制造技术、MEMS封装技术、传感器

  与传统传感器相比,MEMS具有体积小、集成度高、智能化、低成本、低功耗、可大规模生产等优点,MEMS内部一般在微米甚至纳米级别,使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。随着物联网应用的兴起,MEMS传感器已成为物联网时代驱动变革最重要的力量之一,全球MEMS行业在未来几年将持续每年两位数的增长,这个增长速度远超全球集成电路行业的增速(不包含存储器行业)。市场研究机构Yole预测,MEMS市场将在2019年至2024年期间实现显著增长,市场营收的复合年增长率约为8.3%,出货量的复合年增长率约为11.9%。

  数据显示,2019年中国MEMS传感器市场规模达到597.8亿元,同比增长18.3%。MEMS传感器主要是以手机为代表的消费电子市场应用为主,另外一个重要市场就是汽车电子;亚太地区无疑是除北美市场之外第二大的传感器市场,而中国大陆无疑是亚太地区增速最快的市场。随着消费电子、汽车电子产品等下游行业的快速发展,全球电子整机产业以及硬件创新市场逐渐向中国转移,中国市场对于MEMS器件的需求增速远高于全球MEMS市场增速。

  然而,与庞大需求相对应的,是国内市场供给能力严重不足。全球MEMS市场被博世意法半导体、霍尼韦尔等国际厂商占据超过60%的份额,中国市场80%的芯片依赖国外进口,国内MEMS企业中70%是中小企业,产品主要集中在中低端。可以说,与CMOS芯片相比,MEMS传感器对进口依赖更为严重。

  这种巨大的供需落差是由于国内MEMS产业起步较晚。国内的MEMS产业于2010年以后才初具雏形,现在已逐渐形成以北京、上海、深圳和西安等中心城市为主的区域空间布局,产业布局主要以MEMS芯片设计为主,在生产制造环节主要依赖国外企业。由于MEMS工艺与CMOS工艺差异较大,涉及到微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域,没有标准工艺流程,封装、测试也与CMOS芯片工艺差异较大,因此MEMS制造技术挑战极大。在制造方面的缺失,将无法为本土的MEMS设计公司提供供应链支持,成为制约中国MEMS产业发展的最大障碍。

  士兰微专业人士指出:“国内MEMS产业的主要弱点在于制造。国内MEMS商业化布局较晚,材料和制造工艺研究薄弱,是造成MEMS产业落后于国际的主要原因。比如,MEMS器件中的一个参数叫零漂的温漂数据,这项参数足以让企业花费大量资源去研究,结果还未必有竞争力。MEMS器件中各类参数200多项,每一项都有其应用中的意义,也有其制造工艺上的关键点。这些研究,国内企业都需要花相应的资源去一步步试验。国外企业踏过的坑,国内企业也会遇到,很难有捷径可走。当然设计和封装也有弱点,但这些弱点相对容易通过学习来弥补。”

  在MEMS传感器应用前景良好和国产化进程提速背景下,可以预期未来我国MEMS传感器市场前景广阔。前瞻产业研究院预测,未来几年我国MEMS传感器市场规模年均增速保持在15%左右,到2025年将达到1488.6亿元。

  自从智能手机催生庞大的MEMS传感器市场起,MEMS供应商之间的竞争越来越激烈,并且IDM模式的MEMS厂商持续处于领导地位。

  MEMS传感器利用半导体制造技术和微加工技术将微结构、微传感器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上,制造工艺极其复杂。在制造方面,全球MEMS代工主要有两种类型:IDM厂商提供的MEMS代工,以及独立代工厂提供的MEMS代工。其中,独立的代工厂包括集成电路代工厂和纯MEMS代工厂。目前,提供MEMS代工的IDM厂商主要有ST、索尼、TI等;台积电是全球最大的晶圆代工厂,其MEMS代工业务也排在行业前列。全球领先的纯MEMS代工厂有SilexMicrosystems、yne DALSA、Asia Paci c Microsystems、X-FAB、Innovative Micro Technology等。

  中国MEMS产业要彻底实现我国MEMS产业的飞速发展和自主可控,最关键的是需要在MEMS芯片的设计和生产制造环节取得突破,在这方面,国内企业逐渐开始走国外厂商的MEMS设计制造一体化的IDM道路,士兰微便是其中之一。

  1997年成立以来,士兰微实现了芯片设计、制造、封测等环节的一体化布局,为逐步发展成为MEMS IDM 供应商奠定了坚实的基础。

  目前全球前十大的MEMS公司均为欧美日企业,国际MEMS大厂(惠普、TI、意法半导体、博世等)都以IDM(设计/制造一体化)模式运营,可以说IDM模式于MEMS产品更具优势。这是由于:首先制造传感器没有标准工艺,不同类型的传感器所采用的工艺路线均不相同;第二,一颗传感器产品可以视为一个系统,其封装对产品性能和可能性影响非常大;第三,传感器和传感器系统的晶圆测试和产品测试与普通的CMOS芯片差异非常大;最后,IDM厂商对于MEMS生产和供货具有更强的稳定性和弹性。

  “士兰微能够成为国内屈指可数的MEMS传感器IDM供应商,得益于三个方面。首先,得到了国家重大科技专项的支持,士兰微获得02专项资金用于开展MEMS传感器的研发工作,并完成了从惯性传感器、地磁传感器到压力计等传感器的IDM化发展,上文中提到的获得国家技术发明奖二等奖的‘高效模数转换器和模拟前端芯片关键技术及应用’项目正是基于此合作。该项目发明了高效可配置模数转换及模拟前端芯片架构、高效误差数字校准及高精度时钟、高效模拟前端采样等技术,可应用于多维传感器、锂电管理系统等系列产品,解决了高效模数转换器及模拟前端芯片的自主可控发展的难题。”该公司相关人士对集微网记者表示,“其次,士兰微已具备种类比较全面的MEMS产品布局,成熟的设计、制造、封测等IDM软硬件配套,以及逾20年的产业经验积累,非常契合传感器IDM模式的特性。最后,公司通过近十年的技术积累和长期的特殊工艺摸索,累积了丰富的技术工艺,已申请相关发明专利百余项。”

  因此不难发现,基于士兰微种类比较全面的MEMS产品布局和半导体芯片制造基础,走IDM路线更适合自身企业的长期良性发展。

  自2010年开始至今,士兰微电子在惯性传感器、磁传感器、压力传感器、硅麦克风传感器以及光传感器等特殊工艺的集成电路设计、制造和封测领域已积累大量经验,并成功导入量产,传感器已批量应用于智能手机、平板电脑、智能手环、行车记录仪、TWS耳机等领域。

  据介绍,2012年11月,士兰微电子研发成功了第一颗MEMS惯性加速度计电路SC7A30;2013年08月,士兰微电子推出第一颗三轴磁传感器电路SC7M30;这两款产品均采用3.0mm x 3.0mm x 1.0mm的LGA封装,可应用于智能手机和平板电脑等各种场合。2016年,推出国内首款单芯片六轴惯性传感器SC7I20。目前,系列化的传感器产品主要有:加速度传感器、陀螺仪、多轴惯性传感器、地磁传感器、空气压力传感器、温湿度传感器、硅麦克风、接近及环境光传感器、心率传感器、电流传感器、角度及位置传感器、车用胎压传感器等。

  MEMS市场看起来虽然诱人,但是厂商之家的厮杀非常激烈,并且利润率不断下降,对于MEMS厂商而言,如果想要获得市场份额,产品的差异化显得至关重要。通过公司在设计、制造、封测等领域积累的丰富经验,士兰微可以在实现优化制造成本的同时,持续为客户提供差异化的产品和优质的服务。

  一位长期从事传感器产品及应用方案研究的业内人士透露,“传感器产品,例如加速度计,代表性的国际厂商包括意法半导体、博世等都是IDM厂商,产品性能高,是真三轴,但是也存在价格高、供货在交期方面有一定风险;而国内厂商虽然在价格方面具有一定优势,但由于多数是Fabless企业,其在产能、产品可靠性方面经常出现不能满足客户需求的情况,甚至有些产品还可能是假三轴。”该专业人士指出,“士兰微具有自己的制造封测能力,性能可控、价格适中,是真三轴,无粘附,自有产线也能极大地确保交期可控。”

  产品改良周期长可能也是本土MEMS厂商存在的一个痛点。一般来说,MEMS芯片设计者以DOE的形式去晶圆厂投片、拿回样品测试,根据测试结果修正自己的架构设计或材料设计等,然后再去投DOE,往往要几个来回之后才能得到令人满意的设计结果。期间如果不能得到晶圆厂的大力配合,DOE的时间和质量都不能令人满意,会大大拖慢开发的周期和产品迭代的进度。在这方面,具备自己的晶圆线的士兰微就具有很大的优势,可以大幅缩短产品改良周期。

  此外,传感器封装应力对产品的影响非常大,因此士兰微采用LGA封装自行加工以确保封装应力得到极致优化且成本可控,而采用内部封装,产品交货周期和质量追溯也实现了可控。

  通过十年的技术积累,士兰微在惯性传感器上已取得较好成绩,加速度计传感器累计已出货2亿只,在智能手机和智能穿戴领域积累了较多的客户群。据了解,士兰微的心率传感器和硅麦克风传感器也已陆续在市场上批量出货,并且与加速度计产品形成传感器套片,进一步提升了产品的配套能力。

  “后摩尔”时代,MEMS成为超越摩尔技术的重要组成部分。在边缘设备中将多种传感器融合,再结合人工智能技术,可以为视、听、嗅、运动等多种物理量的感测开辟新应用,新兴MEMS技术将开拓新疆界。伴随着诸如士兰微等本土供应链的不断成熟壮大,诚然眼下差距仍然较大,但是未来中国厂商必将可以在MEMS市场上大展拳脚。

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  是一款采用SuperPD™PDAF技术的13万像素CMOS成像传感器。这款先进的传感器具有独特的PDAF微透镜和PDAF图案技术,在低光照条件下具有出色的自动对焦性能。采用1.1μm像素构建,提供符合行业标准的1 / 3.2“光学格式,使AR1337具有适合大批量设计的尺寸。图像质量由领先的量子效率和灵敏度驱动,同时保持低读取噪声。这种组合可在明亮的日光或低室内照明条件下提供出色的图像。 AR1337以每秒30帧的速度运行在13 MP,并支持每秒30帧的4k2k视频和高达每秒60帧的全高清1080P视频。 特性 优势 SuperPD™PDAF技术 领先的低光自动对焦性能 独特的PDAF图案和微透镜技术 高精度相位检测自动聚焦(PDAF)功能 片上坏像素校正和AF计算 简化的相机模块积分校准和与后端应用处理器的集成 具有低读取噪声的高量子效率和灵敏度 卓越的图像质量,尤其是在光线不足 应用 终端产品 智能手机相机 平板电脑相机 智能手机 平板电脑 电路图、引脚图和封装图...

  HS是一款1080万像素,1英寸光学格式图像传感器,结合了高分辨率成像和3.4微米DR-Pix(动态响应像素),可动态调整以提供卓越的低光性能。在全分辨率下,AR1011HS提供60帧/秒(fps)视频;同时跳至120 fps的1080p高清模式。该传感器非常适合需要高分辨率的高端监控摄像系统,如电子平移,倾斜,变焦(ePTZ)等具有惊人的低光能力的功能。 4K超高清(3840 x 2190)分辨率为每秒60帧的模式,使传感器也成为专业消费类广播相机的理想选择。 应用 相机 安全 电路图、引脚图和封装图...

  美半导体的AR0239是一款1 / 2.7英寸CMOS数字图像传感器,有源像素阵列为1936(H)×1188(V)。它可以在线性或高动态范围模式下捕获图像,并具有滚动快门读数。它包括复杂的相机功能,如像素内装箱,窗口以及视频和单帧模式。它专为低光和高动态范围的场景性能而设计。它可通过简单的双线串行接口进行编程。 AR0239可以产生非常清晰,锐利的数码照片,并且能够捕捉连续视频和单帧,使其成为各种应用的理想选择,包括监控和高清视频。 特性 以90 fps的速度拍摄2.3Mp以获得出色的视频性能 小型光学格式(1 / 2.7英寸 1080p模式适用于16:9视频 卓越的低光性能 3.0um大背面照明像素技术 支持线读数以启用HDR处理ISP芯片处于1080P和30fps 片上锁相环(PLL)振荡器 集成颜色和镜头着色校正 用于精确帧率控制的从模式 数据接口: - HiSPi(SLVS) - 4个车道 - MIPI CSI-2 - 4车道 - 平行 自动黑电平校准 高速可配置上下文切换 温度传感器 快速模式兼容2线接口 多相机同步支持 高速可配置上下文切换 具有灵...

  美半导体专注于卓越的像素性能,为该传感器的卓越图像质量奠定了基础,具有卓越的色彩精度,低光灵敏度和低噪声水平.AR0542是一款1/4英寸CMOS有源像素数字图像传感器集成了复杂的片上相机功能,如窗口,镜像,列和行跳过模式以及快照模式。它可通过简单的双线串行接口进行编程,功耗非常低。 应用 移动 电路图、引脚图和封装图

  是一款1 / 2.5英寸CMOS数字图像传感器,有源像素阵列为2592(H)x 1944(V)。它通过滚动快门读数捕获线性或高动态范围模式的图像,并包括复杂的相机功能,如分档,窗口以及视频和单帧模式。它专为低亮度和高动态范围性能而设计,具有线读出功能,可在ISP芯片中支持片外HDR。 AR0521可以产生非常清晰,锐利的数字图像,并且能够捕获连续视频和单帧,使其成为安全应用的最佳选择。 特性 5 Mp为60 fps,具有出色的视频性能 小型光学格式(1 / 2.5英寸) 1440p 16:9模式视频 卓越的低光性能 2.2 m背面照明像素技术 支持线读出以启用ISP芯片中的HDR处理 支持外部机械快门 片上锁相环(PLL)振荡器 集成颜色和镜头阴影校正 精确帧率控制的从属模式 数据接口:♦HiSPi(SLVS) - 4个车道♦MIPI CSI-2 - 4车道 自动黑电平校准 高速可配置上下文切换 温度传感器 快速模式兼容2线接口 应用 终端产品 视频监控 高动态范围成像 安全摄像头 行动相机 车载DVR 电路图、引脚图和封装...

  图像传感器是一款1 / 3.2“光学格式1.4微米像素传感器,能够以每秒42帧的速度捕获其完整的8 MP传感器分辨率,以60fps的速度捕获1080P视频.A-PixHS(tm )技术将安森美半导体的第二代背照式(BSI)像素技术和先进的高速传感器架构结合在一起,实现了许多创新功能。它旨在实现低z高度相机模块,以满足OEM和移动设备制造商的需求。 特性 高动态范围 应用 移动 电路图、引脚图和封装图...

  AR0522 CMOS图像传感器 5.1 MP 1 / 2.5 近红外增强

  是一款1 / 2.5英寸CMOS数字图像传感器,有源像素阵列为2592(H)x 1944(V)。它通过滚动快门读数捕获线性或高动态范围模式的图像,并包括复杂的相机功能,如分档,窗口以及视频和单帧模式。它专为低亮度和高动态范围性能而设计,具有线读出功能,可在ISP芯片中支持片外HDR。 AR0522可生成非常清晰,锐利的数码照片,并且能够捕捉连续视频和单帧,使其成为各种应用的理想选择。 特性 5 Mp,60 fps,优异的视频性能 小光学格式(1 / 2.5英寸) 彩色滤光片阵列:RGB和单色 1440p模式适用于16:9视频 卓越的低光性能 2.2 m背面照明像素技术 支持线读出以启用ISP芯片中的HDR处理 支持外部机械快门 片上锁相环(PLL)振荡器 集成颜色和镜头着色校正 用于精确帧率控制的从模式 数据接口:♦HiSPi(SLVS) - 4条车道♦MIPI CSI-2 - 4车道 自动黑电平校准 高速可配置上下文切换 温度传感器 快速模式兼容2线接口 近红外线增强 应用 终端产品 视频监控 高动态范围成像 机器视觉...

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