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鬼斧神工的MEMS,迫不得已的创业

新冠肺炎的假期,无聊中刷知乎看到知乎上有这么一个问答:“国内MEMS微机电系统的高校有哪些呢?”

答:“不建议读MEMS,等到你跟我们一样到处就业无门被逼转行,你就知道当初到决定是多么天真。答主是国内某所规模较大的大学MEMS研究生毕业,教研室应届毕业29人,已签约20人,工作跟MEMS相关的有0人。”

看到这里不由感慨万千,我突然想到了一个人,苏州敏芯的创始人李刚博士。2003年SARS肆虐神州大地,在港科大拿到MEMS博士学位的李刚也是毕业就失业,被迫走上自主创业的道路,这条路一走就是17年。没想到,17年过去了,肺炎又来了,MEMS这个行业也还是这个现状。假期无事,那就写写MEMS吧。

1.什么是MEMS?

受国际局势的影响,近几年国内“大炼芯片”的情绪高涨,相比于当红炸子鸡“集成电路”,MEMS概念有点受到冷落,但在我看来,它其实是未来半导体领域的兵家必争之地。

什么是MEMS?中文叫微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System),也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等,指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。其实从名字也可以看出来,MEMS产品更像是机械产品,只不过是用微电子加工的方式作出常用的机械装置,比如马达、泵、陀螺仪、反射镜面等,MEMS芯片内部可能包括通道、孔、悬臂梁、膜、腔体等结构。

图: MEMS芯片与螨虫的对比图

借用微电子加工的方法来制造精密的机械装置,如此一来就能把庞大的机械设备做到几微米甚至更小的尺寸,除此以外,还能借助微电子加工的优势获得更低的功耗,更轻的重量,更好的量产性和一致性。

图:MEMS陀螺仪与机械陀螺仪对比

一个典型的MEMS产品如下图所示,是集微传感器、微执行器、信号调理和控制电路、以及其他接口、通信电路等于一体的微型器件或系统。

图 典型的MEMS产品

一般来说,微传感器和微执行器都是采用微电子加工工艺制作的可以活动的机械结构,其他的信号调理和接口等电路则为一般意义上的ASIC集成电路,由此可见,一个完整的MEMS产品是集微机械设计与加工、集成电路技术为一体的高科技产品,一般由MEMS芯片和ASIC芯片集合封装而成。

图 MEMS产品的结构与功能

常见的MEMS产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等,近几年,生物MEMS,RF-MEMS等新型产品也在市场上得到大量应用,成为MEMS领域创业和投资的宠儿。

2.MEMS行业现状与发展

半导体技术的进步一直在推动时代发展,从PC时代到互联网时代到移动互联网时代,背后一直是摩尔定律在指导着行业的发展;如今,物联网时代已经到来。毫无疑问,在万物都被联网,万物都能被感知到时代,物理世界会被数字化,而最重要的技术突破就是传感器。

图:物联网时代的到来

丰富多彩的物理世界决定了用来数字化物理世界的传感器也必须是多样的,它包括速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器,还需要小、轻、价格便宜、功耗极低,而所有的这一切要求恰好是MEMS技术带来的传感器的突破。同时,在摩尔定律的发展遇到瓶颈的时代,多样性的产品、不依赖先进工艺的特种制造工艺、独特的集成封装技术等被视为半导体行业发展的另一条突破口,被称之为“超越摩尔”,而MEMS传感器正是“超越摩尔”的天空中最闪耀的那颗星。

现如今MEMS研究进入了高速发展时期,其在国民经济和军事系统方面都有着广泛的应用前景,在声学、光学、汽车工业、航空航天、生物和能源等领域均获得了广泛的应用。

图:全球MEMS行业的市场规模及预测 (单位:百万美元)

相关预测也显示,随着物联网应用的兴起,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)。同时,根据根据调研机构Yole数据,全球传感器市场到2020年接近600亿美元,而目前我国传感器芯片市场的国产化率不到10%,相对集成电路的进口依赖性比较严重。

目前,全球前十大的MEMS公司均为欧美日企业。

表 2018年全球前十大MEMS芯片公司

随着5G的到来,通信设备支持等波段越来越多,射频前端器件需求量大幅增加,Avago收购Broadcom成立新博通后获得了FBAR等RF-MEMS产品,销售额高居榜首;老牌射频公司Qorvo也凭借自己的RF-MEMS芯片产品位居前列;DLP是美国TI公司的杀手锏,DMD(Digital Micromirror Device) 是DLP的核心部件,复杂的微镜阵列结构目前只有TI能够量产,DLP投影在消费、工业甚至汽车等领域得到广泛等应用。

图:TI的DMD产品结构

我国的MEMS产业起步较晚,一般认为从2010年前后我国的MEMS产业才有了雏形,那时候苏州敏芯(2007年成立)、深迪半导体(2008年成立)、苏州明皜(2011年成立)、天津诺思(2011年成立)、上海矽睿(2012年成立)等一批MEMS芯片设计企业在国内成立。经过了十年的历程,这一批国产MEMS设计公司仍在艰苦的发展壮大过程之中。

与此同时,一批具有产品封装和测试能力的国内企业开始走国外厂商的MEMS wafer+自主封装测试的道路,这其中的佼佼者就是瑞声科技和歌尔声学。他们凭借自身强大的模组封装制造能力和客户渠道,通过采购国外MEMS芯片公司的晶圆,结合自身优势的方式,成功打入包括Apple在内的一系列国内外顶尖客户,也为我国MEMS产业一道亮丽的风景线。

当然,要彻底实现我国MEMS产业的飞速发展和自主可控,最关键的还是要突破MEMS芯片的设计和生产制造环节,这方面仍需要国内的MEMS芯片创业公司们共同努力。前途是光明的,道路是曲折的。

3.我国MEMS行业发展的难点

为什么我国的MEMS行业这么落后?原因是很多的,当然,首先第一条就是我们比别人发展的晚,ADI从1987年开始MEMS的研发,1991年开始MEMS传感器的量产,BOSCH也从1995年开始MEMS传感器的量产;而我们上世纪90年代才刚开始集成电路的产业化,中芯国际是2000年才成立的,2010年前后才开始MEMS行业的发展。

除了起步晚的原因,我想如下几点也在制约我国MEMS产业的发展:

(1)跨学科培养体制

MEMS虽然侧重于超精密机械加工,但它涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域,它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。举例而言,如果要设计MEMS麦克风去取代传统的驻极体麦克风,需要设计MEMS音腔,这是声学的范畴;需要设计振膜,这是材料学的范畴;当然,还需要懂微电子学去把MEMS麦克风设计出来,并了解微电子加工工艺,知道如何设计才能更好更快成本更低的加工出来。同样,设计MEMS执行器要懂马达驱动,设计MEMS光学器件要懂光学,设计气味传感器要懂化学等等。简而言之,MEMS产品团队需要跨多个学科的复合型人才,但我国目前的分学科培养体制很难培养出大量优秀的复合型人才。

(2)充足的研发线支持

MEMS产品与一般的集成电路产品不同,因为涉及到复杂的微机械结构,且没有一般集成电路设计中成熟的第三方EDA工具可以使用来做仿真,现实中需要设计和生产工艺紧密结合,制造端已有的工艺路线在很大程度上决定了MEMS芯片的设计路线,而MEMS芯片的设计路线又需要对制造端的工艺模块进行重组和调试, 以实现芯片所需达到的功能和可靠性要求,否则设计出来的MEMS结构很可能无法在现有的半导体加工工艺下达到量产或者保证高良率。此外,不同传感器类型拥有不同机械特性,使得一种工艺路线只能对应一种传感器。因此,MEMS芯片的研发企业必须同时进行芯片和工艺的研发,在晶圆代工厂缺乏成熟工艺的情况下,需要与代工厂共同开发工艺,或是对代工厂的工艺模块进行重新组合和调试,因此 MEMS芯片研发和量产的难度相对较高,所需时间也较长。

一般来说,MEMS芯片设计者以DOE (Design of Engineering)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。尤其在目前我国半导体市场火爆的情况下,国内的晶圆厂基本都处在满产状态,这时候再腾出一部分产能去支持MEMS设计公司的DOE流片更是难上加难,也让MEMS设计公司新产品开发的日子越来越难。
举个例子,我投资了一家MEMS actuator公司MEMS Drive,全球第一家采用MEMS技术进行五轴光学防抖(OIS)的公司,MEMS actuator可以将CIS芯片进行上、下、左、右和旋转五个方向的移动来达到光学防抖的效果,比目前的音圈马达防抖方案会速度更快,功耗更低,效果更好。

图:基于MEMS Drive芯片的光学防抖模组

MEMS actuator的结构由众多梳齿状电容和悬臂梁构成,加工工艺非常复杂,但由于种种原因,一开始和晶圆代工厂的合作不是特别顺利,生产工艺的开发比较缓慢,要3个多月的时间才能得到一版DOE的样品,且质量不能得到保证,一年下来设计人员没能有几次机会修改MEMS架构的设计,使得公司的研发进度大大低于预期。

图:MEMS Drive的MEMS OIS芯片

MEMS Drive目前采用双代工厂的策略,同时和两家世界优秀的MEMS晶圆代工厂合作,产品开发近期取得了飞速进展。

因此,如果可以不依靠规模化量产的晶圆代工厂,有专门为研发而设计的中试线,那将必然加快研发的进度和产品的迭代,对我国MEMS产业的进步有着至关重要的作用。不少有远见卓识的产业从业者已经在积极的进行中试线的部署,苏州纳米所的中试线,上海微系统所的中试线,杭州临安青山湖的MEMS中试线等,这些都是非常好的布局,必然会对本土的MEMS设计公司起到非常大的助力作用。

(3)本土化的MEMS供应链

毋庸置疑,集成电路产业是要靠整个供应链的发展才能起飞的,我国近20年来芯片设计行业的飞速发展也正是因为中芯国际、华宏宏力、长电科技、通富微电、华天等供应链公司的成长和壮大。同样的道理,我国MEMS产业要想得到长足的发展,在我国本土必须有非常强大和成熟的本土供应链做支撑才可以,而这个正是我国MEMS产业的软肋所在。中国MEMS产业在2010年前后才逐渐起步,过去很长一段时间,国内缺乏系统、完整的MEMS生产体系,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。

而说到MEMS中国本土供应链,不得不提的一家公司就是苏州敏芯,它是中国MEMS产业的先驱者,也是华登在中国投资的第一家MEMS芯片公司。经过多年研发、试制、规模化和商业化的运营,苏州敏芯完成了现有MEMS传感器产品芯片设计、晶圆制造、封装和测试环节的基础研发工作,并将形成的各生产环节技术导入国内的晶圆制造和封装厂商,帮助其开发了专业的MEMS产品生产加工工艺,实现了本土化生产体系的搭建。毫不夸张的说,苏州敏芯凭借一己之力承担起我国MEMS产业链本土化的重任。

图 苏州敏芯三位创始人在创业之初的合影

这是华登中国总经理黄庆博士2007年在苏州敏芯成立之初拜访时所拍的照片,三位创始人用自制的简陋的试验设备进行MEMS器件的腐蚀工艺。虽然在2007年我们就开始关注苏州敏芯,黄庆博士对敏芯创始团队的专业、执着和坚持一直赞不绝口,但直到2012年下半年我们才决定对敏芯进行投资。事后问起黄庆博士,即使是在2012年,敏芯也只有区区200万人民币的销售额,是什么让他在那时做了投资的决定?我记得他就说了五个字“产业化能力”。复盘一下,确实如此。

敏芯2007年成立于苏州工业园区,创始团队只能在自己简陋的实验室里进行工艺的开发;2008年,有幸利用苏州纳米所的4寸中试线进行产品和工艺开发,技术逐渐成型,MEMS生产工艺的摸索逐渐成熟,但4寸线终究无法满足市场化的量产需求;2009年,终于有机会和中芯国际成都厂(成芯)共同开发基于8寸线的MEMS量产工艺,但随着成芯在2010年卖给美国TI之后,合作也无疾而终;之后幸亏因为国家02专项的支持,苏州敏芯开始在华润上华导入MEMS生产工艺,终于在2011年华润上华的MEMS工艺逐渐成熟,可以大规模量产MEMS wafer。又经过一年在MEMS封装厂的封装工艺导入,敏芯的MEMS产品在2012年终于在中国本土的供应链上进行大规模量产,这对中国的MEMS产业来说都是里程碑式的事件。苏州敏芯在2018年已经达到2.5亿的收入,5000多万净利润,华润上华至今仍是敏芯最重要的晶圆厂合作伙伴,同样,敏芯也一直是华润上华最大的MEMS芯片客户。

一波三折的经历现在看起来可能平淡无奇,但MEMS技术若想在中国形成一个产业,成熟的中国本土供应链将是必不可少的基石,也是对我国MEMS产业奋起直追国外竞争者最强有力的支撑。感谢敏芯的贡献,感谢02专项,感谢这个时代!

表 MEMS芯片与集成电路芯片的比较

4.华登对MEMS对投资和展望

坦白说,相比于对一般集成电路产业的投资,对MEMS产业的投资要难的多,原因上面已经说了很多。但MEMS行业对一个国家来说是战略性行业,没有其他任何一个行业能在纳米级和微米级做微型机械产品,MEMS 水平代表了一个国家的核心工业实力。基于MEMS产品在工业、汽车、射频通信、航空航天、物联网等战略领域的独特地位,以及这些应用所带来的行业高增长,MEMS又是不能被忽视的投资领域,华登在中国已经进行了一些尝试。

图 华登在中国投资的一部分MEMS芯片公司

随着中国本土MEMS供应链的不断成熟,我国的MEMS产业应该说具备了飞速发展的基础;此时,希望有一批领先的中国MEMS芯片设计企业可以尽快登陆资本市场,用“财富效应”来吸引更多的市场化资本进入这个行业,吸引更多优秀的创业者从事MEMS领域的创业,也能吸收更多的优秀学子进入这个行业,形成人、财、物正向流入的良性循环,不要再让MEMS专业的毕业生毕业就失业的故事重演。

华登中国团队也会一如既往的支持优秀的创业者在中国的MEMS行业披荆斩棘、一往无前!

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