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欠缺資金/產業鏈 台灣MEMS發展挑戰多

2010-12-21
由於台灣半導體產業分工精細,在面對MEMS元件時,其不同以往的設計與製造方式,讓台灣IC設計業者與晶圓製造廠商無法以既有思維及設備進行研發,導致進軍MEMS市場困難重重。不過,台灣廠商也非省油的燈,透過轉向類IDM與利用CMOS製程成功開發MEMS麥克風,已證明台灣廠商的技術能力,並可藉以搶攻中國大陸市場。
微機電系統(MEMS)元件在智慧型手機與消費性電子產品的挹注下,市場成長顯著,也吸引台灣IC設計業者挾消費性電子的製造能力及IC設計能量,急欲搶攻市場大餅。不過,MEMS設計與一般半導體元件不同,無法沿用既有的生產設備,且MEMS市場看似火熱,但規模卻難以支撐廠商投注龐大資源添購新設備,因此讓廠商傷透腦筋,也導致台灣廠商尚未端出實績。

不過,台灣廠商仍展現不會缺席MEMS市場的決心,致力透過既有的IC製造設備,進行MEMS產品研發;或是畢其功於一役自行建構MEMS製造生產設備,朝類整合元件製造商(IDM-like)方向邁進。即便台灣廠商發展MEMS的策略不同,目前包括鑫創科技、利順精密科技、旺玖、原相、同欣與美律等台灣IC設計業者和封測廠商已宣布進軍MEMS市場。

其中,利順精密科技與鑫創科技已有產品問世,2010年12月中,半導體封測廠菱生精密更宣布將規畫3年內砸下新台幣60億元資本支出,擴充MEMS封測產能。據了解,菱生受惠於智慧型手機及平板電腦大廠採用陀螺儀(Gyroscope)等元件,2011年MEMS封測訂單將較2010年大增逾兩倍。

朝類IDM發展站穩市場腳步

MEMS元件已於2010年3月開始少量出貨的利順精密科技,是少數已實際推出三軸加速度計(Accelerometer)的台灣廠商,該公司表示,10年前,台灣IC設計廠商即宣稱進軍MEMS元件的研發,不過截至目前,只有利順精密科技等少數業者推出產品,探究台灣廠商步調較慢的原因,與台灣半導體產業生態,以及廠商是否願意投資龐大的金額建立新的MEMS生產線有關。

台灣傳統半導體產業分工相當細,設計與製造、封裝切割的相當清楚,也讓廠商僅能專擅某一領域,利順精密科技指出,由於各家廠商局限於整個半導體產業中單一領域的專業知識,因此要跨足其他領域有其困難度。再加上,目前MEMS並非如同IC產品有一套標準規範可依循,也沒有相對應的設備可支援MEMS的生產,因此並非IC設計業者將MEMS設計完備之後,交由IC製造商,即可順利生產。此外,MEMS的驗證與一般IC不同,且重要性也較IC驗證來得高。

產業鏈建構不完整 台廠MEMS研發時程受影響

在設備、驗證並未建立完整的生態體系下,MEMS的市場規模也成為廠商是否能順利進軍MEMS市場的另一重要原因。利順精密科技解釋,雖然MEMS在消費性電子與智慧型手機兩大應用的帶動下,表現相當亮眼,但由於台灣廠商尚無法切入知名品牌供應鏈,每月MEMS元件出貨量可能還不到百萬顆規模,無法與建立MEMS生產線所須付出的資源達到平衡。

舉例而言,若以每月出貨量兩千萬顆、一顆尺寸平均1.5毫米(mm)×1.5毫米計算,一片8吋晶圓約可生產兩萬顆MEMS元件,因此僅需一千片晶圓即可滿足市場需求,但一千片晶圓的產能卻難以讓晶圓廠獲利,甚至達到損益平衡,這也導致台灣IC設計業者無法驅使晶圓廠為MEMS元件投資龐大的資金部署新的設計平台,以致於只能努力思考如何融合現有的IC製造設備,以順利生產MEMS元件,然而,MEMS與傳統IC製造有很大的差異,也導致台灣廠商遲遲無法在MEMS市場擁有一席之地。利順精密科技並強調,台灣廠商著重短時間內可獲得一定營收的想法,形成在MEMS市場中發展的一大衝突點。

圖1 利順精密科技推出的三軸MEMS加速度計元件ARD03
分析利順精密科技轉型為類IDM的過程,利順精密科技MEMS研發團隊前身為亞太優勢旗下的部門之一,負責亞太優勢晶圓與MEMS代工的技術發展,看好MEMS的發展前景,利順精密科技進一步購併該部門,利順精密科技表示,2007年時,利順精密科技由既有的封裝市場切入MEMS低應力封裝的領域,對於MEMS封裝設備即有一定程度的技術基礎,接著又投入MEMS元件的測試研發,以上述研發基礎,利順精密科技打造MEMS特別的製程與測試機台,並於2009年由MEMS代工轉為發展自由品牌MEMS加速度計與陀螺儀的公司,2010年3月正式推出三軸加速度計的產品ARD03(圖1)。

從利順精密科技轉型的過程中也可發現,利順精密科技與其他廠商從前端往後端整合的方向相反,而是從MEMS元件設備與測試往前端的晶圓製造整合,在產業鏈中,僅有晶圓材料的供應須倚賴第三方合作夥伴,利順精密科技表示,雖然目前加速度計、MEMS麥克風為出貨量最大的兩個元件,但MEMS麥克風屬電聲元件的領域,技術知識與加速度計、陀螺儀等利用動作感測的原理不同,未來利順精密科技將只著重於動作感測的MEMS元件的研發,並以手機與遊戲機搖桿為主要市場。

致力透過既有IC設備打造MEMS

圖2 鑫創科技市場行銷處協理林育川表示,該公司將於2011年底推出數位MEMS麥克風產品。
投入MEMS麥克風研發已逾3年的鑫創科技,於2010年11月推出互補式金屬氧化物半導體(CMOS)MEMS麥克風,預計2011年7月進入量產。鑫創科技市場行銷處協理林育川(圖2)表示,鑫創科技本致力於音訊IC設計的研發,在音訊方面累積豐富的經驗,看好未來MEMS麥克風的發展前景,因此毅然投入MEMS麥克風的研發,先經過1年多的專利研究,並開發自有的專利後,再積極解決如何以現有的傳統半導體設備製造MEMS麥克風,才正式推出樣品。

鑫創科技目前是台灣與全球少數成功以CMOS製程生產MEMS麥克風的廠商,林育川指出,現階段MEMS麥克風的架構一般分為兩顆,即感測器與電路所組成的架構,透過封裝方式整合為單顆元件,而鑫創科技利用CMOS製程,僅需一道製程工序即可,可降低三成的成本。談到台灣廠商進入MEMS市場的挑戰,除規避樓氏(Knowsles)電子的專利外,林育川不諱言,MEMS的製程設備特殊,利用CMOS製程製造MEMS須花費相當大的資源與時間,且須思索如何整合現有的半導體設備,這也是台灣廠商進軍MEMS市場速度較慢的原因。

圖3 鑫創科技推出的類比MEMS麥克風
雖然推出產品的時間較晚,但鑫創科技的類比MEMS數位麥克風(圖3)卻具備成本與尺寸的優勢,林育川表示,產品代號為SSSM100的MEMS麥克風靈敏度達-40dBV/PA,訊噪比超過55dB的高品質,再挾台灣廠商具備的成本優勢,勢必可打下一片江山,目前除中國大陸業者之外,知名品牌手機製造商也與鑫創科技進行接洽,一旦合作成功,利用8吋晶圓CMOS製程,鑫創科技也毋須擔心產能與封裝無法配合手機大廠每月幾百萬出貨量的需求。

至於鑫創科技是否朝類IDM邁進,林育川認為,若能成功以現有的半導體製程設備開發MEMS產品,事實上,並非要走上IDM一途不可,更何況要成為IDM,資金必須相當雄厚,因此鑫創科技並不考慮轉型。

中國大陸白牌手機成絕佳練兵機會

由台灣半導體市場發展的軌跡觀察,加速度計與陀螺儀等MEMS感測器最適合台灣廠商發展,原因有三,首先出貨量夠大,足以支撐廠商自行生產製造的成本支出;其次則是中國大陸廠商對於元件的品質要求不若品牌大廠,成本是唯一考量;最後則是可先與中國大陸山寨手機及遊戲機業者合作,累積技術能力與提高產品水準後,即可打入手機和遊戲機品牌大廠供應鏈。

林育川表示,對鑫創科技與台灣廠商而言,由於中國大陸是繼台灣之後全球主要的生產製造基地,的確是相當大的市場,短期來看,手機、遊戲機、行動聯網裝置(MID)、筆記型電腦、iPad與平板電腦等可攜式消費性電子裝置,將帶動MEMS麥克風的成長外,若MEMS麥克風成本可低於傳統麥克風,才是長期驅動MEMS麥克風市場躍進的關鍵。

利順精密科技則認為,除了手機之外,MEMS下階段的應用藍海將為可聯網的數位電視,亦即透過電視螢幕上網,搜尋或下載所需的資訊,以及與電視機連結的應用服務也將越來越蓬勃發展,電視機遙控器必須更容易操作,此時MEMS元件則相當具備用武之地。

台廠代工機會崛起

甫宣布將投入新台幣60億元擴充MEMS封測產能的菱生精密,是台灣封測廠中最早布局MEMS封測的半導體業者,受惠於智慧型手機及平板裝置大量採用加速度計、陀螺儀、電子羅盤、矽麥克風(Si-Mic)等MEMS元件,2010年菱生精密已順利拿下德國Robert Bosch、美國InvenSense等MEMS晶片大廠代工訂單。菱生精密表示,雖然MEMS封測占菱生精密營收比重仍不到5%,但隨著智慧型手機及平板電腦大量採用,2010下半年MEMS訂單已經明顯優於上半年,且菱生精密對於2011年MEMS封測接單的成長潛力十分看好。 對於台灣MEMS代工的機會,利順精密科技與鑫創科技皆持相當正面的看法,林育川指出,未來台灣接獲MEMS代工訂單是必然的,不過若要與台積電、聯電等晶圓代工大廠競爭,台灣IC設計廠商應該以原始設計製造商(ODM)為主要的代工模式,才有更多的獲利機會。

利順精密科技表示,MEMS元件價格下滑相當快速,例如目前三軸加速度計平均單價為0.5美元,若單價低於05.美元,則國外MEMS大廠勢必釋放代工機會,而將研發製造資源用於推展品牌。不過,對台灣半導體業者而言,所能分得的代工大餅,應無法立即平衡其MEMS新產線的成本支出,反之,若台灣廠商能一手包辦設計、生產製造與測試等工作,則能在MEMS市場中取得最大的營收利潤與價值。

由於意法半導體(STMicroelectronics)產能足以應付目前市場需求,因此近期並未有釋放代工機會予台灣或中國大陸IC代工廠的計畫,意法半導體技術行銷經理郁正德表示,由於該公司為第一家利用8吋晶圓生產MEMS元件的廠商,而MEMS裸晶尺寸不大,因此8吋晶圓所能生產的晶粒數量已可滿足市場現況。

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