晶圆代工模式到位　MEMS第三波商机启动

MEMS传感器已是备受各界瞩目的发展焦点，除令汽车和消费性电子制造商爱不释手外，包括工业、医疗、航天、国防等市场也兴起MEMS传感器导入风潮，成为MEMS产业另一个马力十足的成长引擎。在微机电系统(MEMS)传感器设计业者、电子设计自动化(EDA)软件开发商、半导体设备业者及晶圆代工厂的共同努力下，MEMS生态系统 (Ecosystem)已渐具雏形，不仅让MEMS晶圆代工商业模式得以萌芽滋长，更为MEMS传感器打开汽车与消费性市场外，另一个庞大的应用商机。
近年来，在Wii与iPhone等明星商品的光环下，由汽车市场跨入消费性应用的MEMS传感器迅速声名大噪，并成为各类消费性电子制造商争相导入的科技新宠，尤其在游戏机与智能型手机市场销量节节攀升的带动下，气势更不断高涨。 根据市场研究机构iSuppli最新报告显示，汽车与消费性市场是MEMS传感器主要的两大应用领域。尽管2009年受到景气衰退影响，整体MEMS传感器市场连续第二年受挫，但随着汽车与消费性电子两大产业的复苏，预估2010年MEMS传感器市场将达65亿4,000万美元规模，较2009年的58亿 8,000万美元增长11.1%(图1)。
2006～2014年全球MEMS市场产值分析
iSuppli总监暨MEMS及传感器市场首席分析师Jeremie Bouchaud表示，整体而言，汽车仍是MEMS最大应用市场。尽管2009年全球车市状况不佳，但未来4年，随着美国与欧洲对汽车安全系统与有害排放物的强制规范上路，整体汽车销售力道将转趋强劲，进而带动MEMS传感器的需求。与此同时，MEMS在消费性电子和手机的持续采用下也将不断增长，预估至 2014年，MEMS在这两项应用领域的合计产值将达32亿美元，占整体市场32%比重。
工业/医疗商机涌现MEMS应用无所不在图2 亚德诺MEMS与传感器技术事业群副总裁Mark Martin表示，该公司在MEMS与讯号处理领域均有深厚的发展经验，是拓展市场的绝佳利器。值得注意的是，除汽车与消费性电子外，MEMS传感器在工业、医疗与航天、国防等领域的成长也表现不俗。iSuppli分析，2009～2014年，MEMS传感器将以13.7%的年复合成长率(CAGR)在这些市场攻城略地，预估产值将上看23亿美元。
亚德诺(ADI)MEMS与传感器技术事业群副总裁Mark Martin(图2)指出，10多年前，汽车市场带动了MEMS第一波成长风潮，最早系应用于汽车安全气囊，而后更拓展至稳定控制系统，但消费者很难从这些应用中感受到MEMS传感器的存在。直到2005、2006年，Wii和iPhone先后采用后，市场才开始了解MEMS传感器的独特魅力并大量导入，让消费性MEMS市场正式起飞。
而今，第三波MEMS商机正快速在各种工业应用领域蔓延开来。Martin表示，未来，MEMS在汽车稳定系统及消费性应用仍将持续增长，但包括工业控制、精密仪器、可携式医疗设备等应用，则将是下一波MEMS成长重点。举例来说，透过在工业设备中导入MEMS传感器，便可藉由长时间的震动监测，及早发现设备磨损情况，以降低整体维护成本或避免酿成更大损坏。图3 Bosch Sensortec执行长Frank Melzer指出，软件在MEMS发展过程中的重要性与日俱增，是实现最佳传感器应用不可或缺的重要元素。Bosch Sensortec执行长Frank Melzer(图3)则指出，汽车应用淬炼出MEMS技术的可靠性；消费性市场则是让MEMS技术变得更具成本效益，且尺寸与功耗均大幅缩减；而第三波应用，则可让MEMS的分布更加广泛，并进一步深入到各种应用中，不管是人体或是机器均可能发生。总之，对MEMS而言，这将是巨大的成长契机。
市场的演进有其自然的发展脚步，随着技术不断突破，新的应用市场也就随之出现。因此，Martin认为，第一波MEMS商机虽然经过10多年的时间才逐渐成形，但第二波消费性MEMS的发展，在产品技术到位后，导入速度犹如火箭般快速攀升，特别是便携设备的成长格外亮丽；至于第三波MEMS商机，则将在未来2～3年内即可遍地开花。
不过，对大多数MEMS传感器开发商而言，现今主力产品多半是因应消费性应用所开发，若要继续沿用至工业领域，恐怕难以符合市场要求。对此，Melzer 表示，工业应用需要全然不同的产品，但所运用的技术将与现今大同小异，同样须发挥经济规模与既有专业知识，才能快速满足市场需求。
Martin则认为，汽车市场对MEMS的可靠性与质量要求已相当严苛，这同样也是工业应用时重要的考虑指标。而消费性市场则促使MEMS成本下降并达到经济规模；至于第三波应用市场，仍须运用这些MEMS基础技术能力，但真正胜出的关键，则在于讯号处理技术。
发挥生态体系力量提高MEMS技术可用性
显而易见，MEMS的发展已开始进入新的转折点。对MEMS相关业者而言，未来要面临的将不只是满足消费性市场大量且快速上市的发展挑战，同时也将面对汽车、工业、医疗等多元应用市场，少量多样且高可靠性的产品要求。
然而，众所周知，MEMS组件共约有三十多种，每种产品也均有其特殊的制程要求，且每一项技术都得付出可观的研发成本与长时间的经验学习，无法一蹴可几。根据Yole Developpement研究，开发一项新的MEMS产品大约须花费4,500万美元，以及4～10年的时间才能完成。因此，如何因应市场环境的变化，找到最佳的发展模式，已成为产业界共同的课题。图4 Coventor总裁暨执行长Mike Jamiolkowski强调，唯有藉由MEMS生态体系的建立，才能促成MEMS晶圆代工模式的成形，进而扩大产业规模。Coventor总裁暨执行长Mike Jamiolkowski(图4)指出，MEMS组件的发展涵盖机械结构、光学、微流体(Microfluidic)、射频、制程与系统等各种领域知识，除非公司规模相当庞大，否则很难同时兼备这么多领域的专业人才。因此，为了提高MEMS产业的发展效率，必须建立坚固的MEMS生态体系，藉由完整的产业供应链与彼此间的合作，打破以往「一种制程，一种产品」的发展模式，加速MEMS市场的扩张。
尽管现今已有许多整合组件制造商(IDM)在MEMS产品的发展相当成功，且每年也都不断投入高额的研发经费继续深究，但这并无法让MEMS产业迈向真正成功。除非能让更多人接触到MEMS技术，也就是让MEMS市场更为「民主化」，而不是只有少数大厂所主导，否则MEMS产业终究难以成形。[!--empirenews.page--]
所以，Jamiolkowski认为，MEMS生态体系绝对不可或缺(图5)，因为很多小型公司没有晶圆厂，一定得利用既有的市场资源，才能强化自身竞争力，进而在市场上取得一席之地。事实上，目前已有不少无晶圆厂(Fabless)设计业者透过与晶圆厂的密切合作，成功地在极短时间内开发出MEMS产品。由此可知，MEMS晶圆代工商业模式已逐渐成形。未来，MEMS产业也能像半导体产业一样，拥有健全的产业分工，从而创造更大的经济规模。
图5 MEMS生态体系组成结构
不仅如此，MEMS晶圆代工模式的突破，也意味着业者将可在原有制程上开发新的MEMS产品，让开发作业的完成时间(Turn Around Time)可缩短至1年内，甚至6个月左右，以因应消费性市场产品生命周期递减的发展趋势。
以每年销售近十四亿支的手机来看，未来数年内，智能型手机的出货比例将大幅攀升，并带动惯性组件、数字磁力计与MEMS麦克风等产品的庞大需求。因此，唯有透过MEMS晶圆代工模式，才能加速产品创新的速度并解决需求激增的问题。
Jamiolkowski表示，现阶段要将MEMS制程标准化，可行性不高，但透过MEMS晶圆代工模式，晶圆厂可提供一种基础的制程平台并持续改良精进，来满足新一代产品的制造需求，让MEMS设计业者能更专注于产品创新。
不过，对于MEMS晶圆代工模式兴起的说法，Martin则抱持保留态度。他强调，要制造一个成功的MEMS产品，须拥有端至端的完整制程，且各个制程环节间必须紧密互动，因此，IDM的发展模式将比晶圆代工的进展更为快速。
设备/工具商奥援MEMS代工发展添助力
为了让MEMS晶圆代工模式的发展早日成熟，Coventor多年来一直致力于MEMS产品设计软件的研发，期透过创新的技术，为半导体与MEMS领域开发人员搭起有效的沟通桥梁。
至今，Coventor已开发出MEMS+、CoventorWare及SEMulator3D等三套EDA工具软件。MEMS+是该公司创造的首款IC 可兼容的MEMS＋IC设计流程，可大幅提升加速度计的开发速度；CoventorWare则可提供系统至物理层级的建模(Modeling)和模拟方案；而SEMulator3D则已被MEMS和半导体大厂用来提供三维(3D)建模以及晶圆制程步骤的分析。
Jamiolkowski指出，Coventor所创造的MEMS设计软件流程已被广泛用于当今许多MEMS产品设计中，如喷墨头、MEMS微流体、惯性感测组件及射频等产品。前十五大MEMS制造商中，已有十一家采用该公司的EDA方案。这些工具可降低进入MEMS设计的门坎，让IC领域的工程师更容易了解MEMS组件，而机械结构设计人员也能轻易理解IC制程，有助促成创新方案的诞生。图6 应用材料8吋晶圆厂产品线主管Jack Blaha表示，消费性MEMS应用庞大的市场规模，是吸引晶圆代工厂跨足MEMS制造服务的一大诱因。另一方面，半导体设备龙头应用材料(Applied Materials)也看好MEMS晶圆代工的发展潜力，积极抢进MEMS设备市场。应用材料8吋晶圆厂产品线主管Jack Blaha(图6)表示，消费性MEMS的需求高涨，让设备商也趋之若鹜。该公司预估，至2012年，MEMS设备市场将达到5亿美元的规模。加上应用材料原本在化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)与化学机械研磨(CMP)等设备领域已发展多年，因此可统整或强化现有产品技术，利用已经验证的平台，提供符合MEMS产业所需的产品技术，协助业者持续迈进。
不仅如此，有鉴于深蚀刻在MEMS制造过程中是相当关键的步骤，应用材料也于2009年底斥资3亿6,400万美元购并Semitool，进一步跨足蚀刻设备市场。 Blaha指出，MEMS市场的成熟是该产业诱人之处，尤其是消费性市场庞大的需求量，不但让原本己投入的业者加码布局，就连晶圆代工厂也垂涎不已，因为他们注意到消费性MEMS市场的规模，已足以支撑其投入MEMS制造服务的发展。
不过，晶圆厂商要进入这个领域也面临一些挑战，包括新材料、不同的接合与Release-Etch等技术，均是相当独特的制程挑战。因此，应用材料将以设备商的角色，来协助他们克服这些难题。
此外，由于MEMS产品种类众多且制程各异，晶圆厂不可能同时提供所有产品所需的制程，而是会针对特定量大的产品提供制造服务，然后专注于这些产品材料、制程与设备的发展。
Blaha强调，消费性MEMS的成本压力已愈来愈高，而应用材料擅长的即是提供高产量的设备，让产业可以利用这些设备强化获利能力，因应消费性市场的需求。与此同时，该公司也藉由与客户端的紧密合作，确保正确的下一步发展蓝图。他指出，不同于半导体产业有摩尔定律(Moore's Law)或国际半导体技术蓝图(ITRS)可以依循，MEMS产业没有轨迹可循，加上应用市场多元，因此，身为设备业者必须确保所提供的产品可以符合产业的未来发展需求。
善用功能整合创造MEMS最大价值图7 Kionix业务暨营销副总裁Eric Eisenhut分析，系统整合与应用的创新，是MEMS产业持续成长的两大动能。除晶圆代工模式有助于扩大MEMS普及度外，透过适当的传感器功能整合与创新应用，亦可彰显MEMS传感器的独特价值，建立起难以取代的市场地位。 Kionix业务暨营销副总裁Eric Eisenhut(图7)分析，未来MEMS成长途径有二，一是系统整合的创新，这是半导体厂共同的努力目标，但要将哪些功能加以整合，则须审慎评估。
事实上，为节省制造成本，愈来愈多MEMS传感器开发商利用后段制程，将多颗传感器整合于同一封装中，如五轴或六轴的惯性量测单元(IMU)即是典型的产品。然而，究竟要以单体式(Monolithic)或多芯片封装来进行功能整合，仍须视实际应用情形而定。当希望发挥先进制程的优势时，利用封装技术所构成的多芯片方案将是较佳的选择。
Martin指出，MEMS组件是一个完整的系统，而封装则是相当关键的构成技术，当要将MEMS传感器与系统整合时，必须考虑铸模化合物 (Molding Compound)、接合打线(Bond Wire)的长度，以及将可动结构放入封装时所可能发生的应力问题。因此，像Coventor所提供的模拟工具便格外重要，有助于达到高可靠度的要求。
无庸置疑的，为持续朝向更小尺寸发展，封装技术的突破已是MEMS发展的重要课题。有很多业者正从四方扁平无引脚(QFN)、双侧扁平无引脚(DFN)等可以处理多颗裸晶整合于同一基板的封装技术，朝向平面栅格数组(LGA)封装发展，以满足更小尺寸的发展要求；而最新的技术则是利用裸晶堆栈，进一步提高单位面积的整合度。[!--empirenews.page--]
另一个MEMS成长的途径则是透过应用功能的创新，这意味着MEMS组件开发商须更了解应用系统的架构，如操作系统的类型是Windows Mobile、Android还是Symbian；同时，也要确保MEMS组件整合后，可被应用程序开发人员顺利存取，以有效利用。
Eisenhut指出，现今许多产品虽内建功能优异的MEMS传感器，却没有获得完全的发挥。因此，Kionix投入许多资源开发出一套名为 Gesture Designer的工具，这套工具就像标准程序语言一般具高度嵌入性，可协助开发人员缩短新应用的设计时程。举例而言，客户可将原本手机上的应用程序，快速转变成手持医疗装置上的应用。
一般而言，消费性市场约每12～18个月就会有新产品推出。而MEMS要在如此快速变迁的市场环境中被大量应用，关键即在于能否创造出有用的应用。 Eisenhut进一步分析，手机是MEMS极为重要的应用市场，但健康照护的市场需求量也不差，若开发商能将这些标准的产品，结合正确的使用情境，让中间件开发人员开发出相对应的应用，就可以加快市场应用及成形的速度。
除感测功能本身外，讯号的处理控制也是一大关键，这关乎微控制器(MCU)、内存及电源管理架构等设计，未来也将成为MEMS传感器开发商相互较劲的技术领域。