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鬼斧神工的MEMS,迫不得已的創業

新冠肺炎的假期,無聊中刷知乎看到知乎上有這么一個問答:“國內MEMS微機電系統的高校有哪些呢?”

答:“不建議讀MEMS,等到你跟我們一樣到處就業無門被逼轉行,你就知道當初到決定是多么天真。答主是國內某所規模較大的大學MEMS研究生畢業,教研室應屆畢業29人,已簽約20人,工作跟MEMS相關的有0人?!?/p>

看到這里不由感慨萬千,我突然想到了一個人,蘇州敏芯的創始人李剛博士。2003年SARS肆虐神州大地,在港科大拿到MEMS博士學位的李剛也是畢業就失業,被迫走上自主創業的道路,這條路一走就是17年。沒想到,17年過去了,肺炎又來了,MEMS這個行業也還是這個現狀。假期無事,那就寫寫MEMS吧。

1.什么是MEMS?

受國際局勢的影響,近幾年國內“大煉芯片”的情緒高漲,相比于當紅炸子雞“集成電路”,MEMS概念有點受到冷落,但在我看來,它其實是未來半導體領域的兵家必爭之地。

什么是MEMS?中文叫微機電系統(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System),也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等,指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。其實從名字也可以看出來,MEMS產品更像是機械產品,只不過是用微電子加工的方式作出常用的機械裝置,比如馬達、泵、陀螺儀、反射鏡面等,MEMS芯片內部可能包括通道、孔、懸臂梁、膜、腔體等結構。

圖: MEMS芯片與螨蟲的對比圖

借用微電子加工的方法來制造精密的機械裝置,如此一來就能把龐大的機械設備做到幾微米甚至更小的尺寸,除此以外,還能借助微電子加工的優勢獲得更低的功耗,更輕的重量,更好的量產性和一致性。

圖:MEMS陀螺儀與機械陀螺儀對比

一個典型的MEMS產品如下圖所示,是集微傳感器、微執行器、信號調理和控制電路、以及其他接口、通信電路等于一體的微型器件或系統。

圖 典型的MEMS產品

一般來說,微傳感器和微執行器都是采用微電子加工工藝制作的可以活動的機械結構,其他的信號調理和接口等電路則為一般意義上的ASIC集成電路,由此可見,一個完整的MEMS產品是集微機械設計與加工、集成電路技術為一體的高科技產品,一般由MEMS芯片和ASIC芯片集合封裝而成。

圖 MEMS產品的結構與功能

常見的MEMS產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等,近幾年,生物MEMS,RF-MEMS等新型產品也在市場上得到大量應用,成為MEMS領域創業和投資的寵兒。

2.MEMS行業現狀與發展

半導體技術的進步一直在推動時代發展,從PC時代到互聯網時代到移動互聯網時代,背后一直是摩爾定律在指導著行業的發展;如今,物聯網時代已經到來。毫無疑問,在萬物都被聯網,萬物都能被感知到時代,物理世界會被數字化,而最重要的技術突破就是傳感器。

圖:物聯網時代的到來

豐富多彩的物理世界決定了用來數字化物理世界的傳感器也必須是多樣的,它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學等各種傳感器,還需要小、輕、價格便宜、功耗極低,而所有的這一切要求恰好是MEMS技術帶來的傳感器的突破。同時,在摩爾定律的發展遇到瓶頸的時代,多樣性的產品、不依賴先進工藝的特種制造工藝、獨特的集成封裝技術等被視為半導體行業發展的另一條突破口,被稱之為“超越摩爾”,而MEMS傳感器正是“超越摩爾”的天空中最閃耀的那顆星。

現如今MEMS研究進入了高速發展時期,其在國民經濟和軍事系統方面都有著廣泛的應用前景,在聲學、光學、汽車工業、航空航天、生物和能源等領域均獲得了廣泛的應用。

圖:全球MEMS行業的市場規模及預測 (單位:百萬美元)

相關預測也顯示,隨著物聯網應用的興起,全球MEMS行業在未來幾年將持續每年兩位數的增長,這個增長速度遠超全球集成電路行業的增速(不包含存儲器行業)。同時,根據根據調研機構Yole數據,全球傳感器市場到2020年接近600億美元,而目前我國傳感器芯片市場的國產化率不到10%,相對集成電路的進口依賴性比較嚴重。

目前,全球前十大的MEMS公司均為歐美日企業。

表 2018年全球前十大MEMS芯片公司

隨著5G的到來,通信設備支持等波段越來越多,射頻前端器件需求量大幅增加,Avago收購Broadcom成立新博通后獲得了FBAR等RF-MEMS產品,銷售額高居榜首;老牌射頻公司Qorvo也憑借自己的RF-MEMS芯片產品位居前列;DLP是美國TI公司的殺手锏,DMD(Digital Micromirror Device) 是DLP的核心部件,復雜的微鏡陣列結構目前只有TI能夠量產,DLP投影在消費、工業甚至汽車等領域得到廣泛等應用。

圖:TI的DMD產品結構

我國的MEMS產業起步較晚,一般認為從2010年前后我國的MEMS產業才有了雛形,那時候蘇州敏芯(2007年成立)、深迪半導體(2008年成立)、蘇州明皜(2011年成立)、天津諾思(2011年成立)、上海矽睿(2012年成立)等一批MEMS芯片設計企業在國內成立。經過了十年的歷程,這一批國產MEMS設計公司仍在艱苦的發展壯大過程之中。

與此同時,一批具有產品封裝和測試能力的國內企業開始走國外廠商的MEMS wafer+自主封裝測試的道路,這其中的佼佼者就是瑞聲科技和歌爾聲學。他們憑借自身強大的模組封裝制造能力和客戶渠道,通過采購國外MEMS芯片公司的晶圓,結合自身優勢的方式,成功打入包括Apple在內的一系列國內外頂尖客戶,也為我國MEMS產業一道亮麗的風景線。

當然,要徹底實現我國MEMS產業的飛速發展和自主可控,最關鍵的還是要突破MEMS芯片的設計和生產制造環節,這方面仍需要國內的MEMS芯片創業公司們共同努力。前途是光明的,道路是曲折的。

3.我國MEMS行業發展的難點

為什么我國的MEMS行業這么落后?原因是很多的,當然,首先第一條就是我們比別人發展的晚,ADI從1987年開始MEMS的研發,1991年開始MEMS傳感器的量產,BOSCH也從1995年開始MEMS傳感器的量產;而我們上世紀90年代才剛開始集成電路的產業化,中芯國際是2000年才成立的,2010年前后才開始MEMS行業的發展。

除了起步晚的原因,我想如下幾點也在制約我國MEMS產業的發展:

(1)跨學科培養體制

MEMS雖然側重于超精密機械加工,但它涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域,它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。舉例而言,如果要設計MEMS麥克風去取代傳統的駐極體麥克風,需要設計MEMS音腔,這是聲學的范疇;需要設計振膜,這是材料學的范疇;當然,還需要懂微電子學去把MEMS麥克風設計出來,并了解微電子加工工藝,知道如何設計才能更好更快成本更低的加工出來。同樣,設計MEMS執行器要懂馬達驅動,設計MEMS光學器件要懂光學,設計氣味傳感器要懂化學等等。簡而言之,MEMS產品團隊需要跨多個學科的復合型人才,但我國目前的分學科培養體制很難培養出大量優秀的復合型人才。

(2)充足的研發線支持

MEMS產品與一般的集成電路產品不同,因為涉及到復雜的微機械結構,且沒有一般集成電路設計中成熟的第三方EDA工具可以使用來做仿真,現實中需要設計和生產工藝緊密結合,制造端已有的工藝路線在很大程度上決定了MEMS芯片的設計路線,而MEMS芯片的設計路線又需要對制造端的工藝模塊進行重組和調試, 以實現芯片所需達到的功能和可靠性要求,否則設計出來的MEMS結構很可能無法在現有的半導體加工工藝下達到量產或者保證高良率。此外,不同傳感器類型擁有不同機械特性,使得一種工藝路線只能對應一種傳感器。因此,MEMS芯片的研發企業必須同時進行芯片和工藝的研發,在晶圓代工廠缺乏成熟工藝的情況下,需要與代工廠共同開發工藝,或是對代工廠的工藝模塊進行重新組合和調試,因此 MEMS芯片研發和量產的難度相對較高,所需時間也較長。

一般來說,MEMS芯片設計者以DOE (Design of Engineering)的形式去晶圓廠投片,拿回樣品測試,根據測試結果修正自己的架構設計或材料設計等,然后再去投DOE,往往要幾個來回之后才能得到令人滿意的設計結果。期間如果不能得到晶圓廠的大力配合,DOE的時間和質量都不能令人滿意,會大大拖慢開發的周期和產品迭代的進度。尤其在目前我國半導體市場火爆的情況下,國內的晶圓廠基本都處在滿產狀態,這時候再騰出一部分產能去支持MEMS設計公司的DOE流片更是難上加難,也讓MEMS設計公司新產品開發的日子越來越難。
舉個例子,我投資了一家MEMS actuator公司MEMS Drive,全球第一家采用MEMS技術進行五軸光學防抖(OIS)的公司,MEMS actuator可以將CIS芯片進行上、下、左、右和旋轉五個方向的移動來達到光學防抖的效果,比目前的音圈馬達防抖方案會速度更快,功耗更低,效果更好。

圖:基于MEMS Drive芯片的光學防抖模組

MEMS actuator的結構由眾多梳齒狀電容和懸臂梁構成,加工工藝非常復雜,但由于種種原因,一開始和晶圓代工廠的合作不是特別順利,生產工藝的開發比較緩慢,要3個多月的時間才能得到一版DOE的樣品,且質量不能得到保證,一年下來設計人員沒能有幾次機會修改MEMS架構的設計,使得公司的研發進度大大低于預期。

圖:MEMS Drive的MEMS OIS芯片

MEMS Drive目前采用雙代工廠的策略,同時和兩家世界優秀的MEMS晶圓代工廠合作,產品開發近期取得了飛速進展。

因此,如果可以不依靠規?;慨a的晶圓代工廠,有專門為研發而設計的中試線,那將必然加快研發的進度和產品的迭代,對我國MEMS產業的進步有著至關重要的作用。不少有遠見卓識的產業從業者已經在積極的進行中試線的部署,蘇州納米所的中試線,上海微系統所的中試線,杭州臨安青山湖的MEMS中試線等,這些都是非常好的布局,必然會對本土的MEMS設計公司起到非常大的助力作用。

(3)本土化的MEMS供應鏈

毋庸置疑,集成電路產業是要靠整個供應鏈的發展才能起飛的,我國近20年來芯片設計行業的飛速發展也正是因為中芯國際、華宏宏力、長電科技、通富微電、華天等供應鏈公司的成長和壯大。同樣的道理,我國MEMS產業要想得到長足的發展,在我國本土必須有非常強大和成熟的本土供應鏈做支撐才可以,而這個正是我國MEMS產業的軟肋所在。中國MEMS產業在2010年前后才逐漸起步,過去很長一段時間,國內缺乏系統、完整的MEMS生產體系,無法為本土的MEMS設計公司提供供應鏈支持,成為制約中國MEMS產業發展的最大障礙。

而說到MEMS中國本土供應鏈,不得不提的一家公司就是蘇州敏芯,它是中國MEMS產業的先驅者,也是華登在中國投資的第一家MEMS芯片公司。經過多年研發、試制、規?;蜕虡I化的運營,蘇州敏芯完成了現有MEMS傳感器產品芯片設計、晶圓制造、封裝和測試環節的基礎研發工作,并將形成的各生產環節技術導入國內的晶圓制造和封裝廠商,幫助其開發了專業的MEMS產品生產加工工藝,實現了本土化生產體系的搭建。毫不夸張的說,蘇州敏芯憑借一己之力承擔起我國MEMS產業鏈本土化的重任。

圖 蘇州敏芯三位創始人在創業之初的合影

這是華登中國總經理黃慶博士2007年在蘇州敏芯成立之初拜訪時所拍的照片,三位創始人用自制的簡陋的試驗設備進行MEMS器件的腐蝕工藝。雖然在2007年我們就開始關注蘇州敏芯,黃慶博士對敏芯創始團隊的專業、執著和堅持一直贊不絕口,但直到2012年下半年我們才決定對敏芯進行投資。事后問起黃慶博士,即使是在2012年,敏芯也只有區區200萬人民幣的銷售額,是什么讓他在那時做了投資的決定?我記得他就說了五個字“產業化能力”。復盤一下,確實如此。

敏芯2007年成立于蘇州工業園區,創始團隊只能在自己簡陋的實驗室里進行工藝的開發;2008年,有幸利用蘇州納米所的4寸中試線進行產品和工藝開發,技術逐漸成型,MEMS生產工藝的摸索逐漸成熟,但4寸線終究無法滿足市場化的量產需求;2009年,終于有機會和中芯國際成都廠(成芯)共同開發基于8寸線的MEMS量產工藝,但隨著成芯在2010年賣給美國TI之后,合作也無疾而終;之后幸虧因為國家02專項的支持,蘇州敏芯開始在華潤上華導入MEMS生產工藝,終于在2011年華潤上華的MEMS工藝逐漸成熟,可以大規模量產MEMS wafer。又經過一年在MEMS封裝廠的封裝工藝導入,敏芯的MEMS產品在2012年終于在中國本土的供應鏈上進行大規模量產,這對中國的MEMS產業來說都是里程碑式的事件。蘇州敏芯在2018年已經達到2.5億的收入,5000多萬凈利潤,華潤上華至今仍是敏芯最重要的晶圓廠合作伙伴,同樣,敏芯也一直是華潤上華最大的MEMS芯片客戶。

一波三折的經歷現在看起來可能平淡無奇,但MEMS技術若想在中國形成一個產業,成熟的中國本土供應鏈將是必不可少的基石,也是對我國MEMS產業奮起直追國外競爭者最強有力的支撐。感謝敏芯的貢獻,感謝02專項,感謝這個時代!

表 MEMS芯片與集成電路芯片的比較

4.華登對MEMS對投資和展望

坦白說,相比于對一般集成電路產業的投資,對MEMS產業的投資要難的多,原因上面已經說了很多。但MEMS行業對一個國家來說是戰略性行業,沒有其他任何一個行業能在納米級和微米級做微型機械產品,MEMS 水平代表了一個國家的核心工業實力?;贛EMS產品在工業、汽車、射頻通信、航空航天、物聯網等戰略領域的獨特地位,以及這些應用所帶來的行業高增長,MEMS又是不能被忽視的投資領域,華登在中國已經進行了一些嘗試。

圖 華登在中國投資的一部分MEMS芯片公司

隨著中國本土MEMS供應鏈的不斷成熟,我國的MEMS產業應該說具備了飛速發展的基礎;此時,希望有一批領先的中國MEMS芯片設計企業可以盡快登陸資本市場,用“財富效應”來吸引更多的市場化資本進入這個行業,吸引更多優秀的創業者從事MEMS領域的創業,也能吸收更多的優秀學子進入這個行業,形成人、財、物正向流入的良性循環,不要再讓MEMS專業的畢業生畢業就失業的故事重演。

華登中國團隊也會一如既往的支持優秀的創業者在中國的MEMS行業披荊斬棘、一往無前!

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