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1、本行业与上下游行业的界定12
2、上下游行业对本行业的影响13
(1)上游行业13
(2)下游行业14
七、行业周期性、区域性和季节性14
1、行业周期性14
2、行业区域性15
3、行业季节性16
八、行业壁垒16
1、资金壁垒16
2、技术壁垒16
3、人才壁垒17
九、行业竞争格局18
十、影响行业发展的因素19
1、有利因素19
(1)智能化时代发展,行业迎来快速增长期19
(2)产业创新活跃,新器件、新应用不断涌现,颠覆性技术推陈出新19
(3)国家政策推动产业提速20
2、不利因素20
(1)技术壁垒高,产品开发周期较长且资金投入巨大20
(2)专业人才较为紧缺,成为企业快速发展的瓶颈之一21
MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem,微机电系统)是利用半导体生产工艺构造的集微传感器、信号处理和控制电路、微执行器、通讯接口和电源等部件于一体的微米至毫米尺寸的微型器件或系统。
MEMS将电子系统与周围环境有机结合在一起,微传感器接收运动、光、热、声、磁等自然界信号,信号再被转换成电子系统能够识别、处理的电信号,部分MEMS器件可通过微执行器实现对外部介质的操作功能。
一、行业主管部门、监管体制及主要政策
1、行业主管部门及监管体制
行业主管部门是发改委、工信部。
行业协会为中国半导体行业协会。
发改委主要承担本行业的宏观管理职能,负责组织拟订综合性产业政策,通过产业政策的制定与规划促进产业结构调整,鼓励研发和生产节能、环保的新型产品;
组织拟订高技术产业发展、产业技术进步的战略、规划和重大政策,协调解决重大技术装备推广应用等方面的重大问题。
工信部的主要职责包括提出新型工业化发展战略和政策,协调解决新型工业化进程中的重大问题,拟订并组织实施工业、通信业、信息化的发展规划,推进产业结构战略性调整和优化升级,推进信息化和工业化融合,推进军民结合、寓军于民的武器装备科研生产体系建设;
制定并组织实施工业、通信业的行业规划、计划和产业政策,提出优化产业布局、结构的政策建议,起草相关法律法规草案,制定规章,拟订行业技术规范和标准并组织实施,指导行业质量管理工作;
承担振兴装备制造业组织协调的责任,组织拟订重大技术装备发展和自主创新规划、政策,依托国家重点工程建设协调有关重大专项的实施,推进重大技术装备国产化,指导引进重大技术装备的消化创新等。
中国半导体行业协会是由全国半导体界从事集成电路、半导体分立器件、半导体材料和设备的生产、设计、科研、开发、经营、应用、教学的单位、专家及其它相关的支撑企、事业单位自愿结成的行业性的全国性的非营利性的社会组织,主要负责贯彻落实政府有关的政策、法规,向政府业务主管部门提出本行业发展的经济、技术和装备政策的咨询意见和建议;
做好信息咨询工作;
广泛开展经济技术交流和学术交流活动;
开展国际交流与合作;
制(修)订行业标准、国家标准及推荐标准,推动标准的贯彻执行;
在行业内开展评比、评选、表彰等活动;
组织行业各类专业技术人员、管理人员和技术工人的培训;
维护会员合法权益,反对不正当竞争,尊重、保护知识产权,促进和组织订立行规行约,推动市场机制的建立和完善。
2、行业相关法规及产业政策
2012年以来,国务院及各部委陆续颁布了一系列鼓励半导体行业发展的政策。
二、行业概况
MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystem),是微电路和微机械按功能要求在芯片上的一种集成,基于光刻、腐蚀等传统半导体技术,融入超精密机械加工,并结合力学、化学、光学等学科知识和技术基础,使得一个毫米或微米级的MEMS具备精确而完整的机械、化学、光学等特性结构。
MEMS行业系在集成电路行业不断发展的背景下,传统集成电路无法持续地满足终端应用领域日渐变化的需求而成长起来的。
随着微电子学、微机械学以及其他基础自然科学学科的相互融合,诞生了以集成电路工艺为基础,结合体微加工等技术打造的新型芯片。
汽车电子、消费电子等终端应用市场的扩张,使得MEMS应用越来越广泛,产业规模日渐扩大,日趋成为集成电路行业的一个新分支。
根据不同的产品分类,半导体行业主要包含集成电路、传感器、分立器件和光电子器件四个大类,其广泛运用于工业和消费电子等重要领域。
集成电路行业是整个半导体行业的核心,由于其技术的复杂性,以及产业专业化分工程度高,主要可细分为芯片设计、芯片制造、封装测试子行业。
三、行业发展历程
MEMS起源可追溯至20世纪50年代,硅的压阻效应被发现后,学者们开始了对硅传感器的研究。
然而,MEMS产业真正发展始于20世纪80年代,前后经历了3次产业化浪潮。
1、20世纪80年代至90年代
1983年Honeywell利用大型刻蚀硅片结构和背蚀刻膜片制作了集成压力传感器,将机械结构与电路集成在一个芯片内。
80年代末至90年代,汽车行业的快速发展,汽车电子应用如安全气囊、制动压力、轮胎压力监测系统等需求增长,巨大利润空间驱使欧洲、日本和美国的企业大量生产MEMS,推动了MEMS行业发展的第一次浪潮。
2、20世纪90年代末至21世纪初
本阶段早期,喷墨打印头和微光学器件的巨大需求促进了MEMS行业的发展。
而2007年后,消费电子产品对MEMS的强劲需求,手机、小家电、电子游戏、远程控制、移动互联网设备等消费电子产品要求体积更小且功耗更低的MEMS相关器件,对MEMS产品需求更大,掀起了MEMS行业发展的第二次产业化浪潮,并将持续推动MEMS行业向前发展。
3、2010年至今
产品应用的扩展,使MEMS行业呈现新的趋势。
MEMS产品逐步应用于物联网、可穿戴设备等新领域,应用场景日益丰富,正渐渐覆盖人类生活的各个维度。
此外,MEMS是当前移动终端创新的方向,新的设备形态(如可穿戴设备)需要更加微型化的器件和更为便捷的交互方式。
然而,物联网、可穿戴设备应用助推MEMS第三次产业化浪潮的同时,行业仍然面临来自产品规格、功率消耗、产品整合以及成本等方面的压力,MEMS产品及相关技术亟待持续改进,以满足更小、更低能耗、更高性能的需求。
四、行业市场规模
随着MEMS技术及产业的发展,MEMS在通讯、生物医疗、工业科学、消费电子、汽车电子、导航定位等领域的应用日渐普及,MEMS市场在不断创新中呈现出快速增长的趋势。
2008年以前,汽车电子是MEMS主要应用市场;
2008年以后,智能手机等终端产品日益涌现并占领MEMS主流市场;
在未来,随着智能化场景的进一步普及,各种新兴应用领域如物联网、可穿戴设备、智能家居及工业4.0等将为MEMS提供更广阔的发展空间,MEMS产品的使用量预计将加速增长。
根据全球权威半导体咨询机构YoleDevelopment的研究,2019年全球MEMS行业市场规模为115亿美元,考虑到COVID-19疫情影响,2020年MEMS市场规模将下滑至109亿美元,预计到2025年MEMS市场规模将增长至177亿美元,复合增长率可达7.4%。
从市场细分领域来看,消费电子、汽车电子仍将是MEMS最大的两个应用领域,而同时在通讯、生物医疗、工业科学领域的增速也将非常可观。
在消费电子、工业及汽车电子应用的巨大市场和快速发展的强力拉动下,中国地区已经成为过去五年MEMS市场规模发展最快的地区。
中国作为全球最大的电子产品生产基地,对MEMS传感器的市场需求巨大,各类MEMS传感器供应商包括光传感器、运动传感器等供应商均已转战中国市场,MEMS传感器产业生态环境逐渐完善。
五、行业主要经营模式
1、MEMS制造行业经营模式发展趋势
与传统集成电路产业类似,从MEMS产业价值链来看,根据行业内企业提供的产品或服务,可以分为设计、制造和封测三个环节。
其中,MEMS制造行业属于MEMS行业的一个环节,处于产业链的中游。
该行业根据设计环节的需求开发各类MEMS芯片的工艺制程并实现规模生产,兼具资金密集型、技术密集型和智力密集型的特征,对企业资金实力、研发投入、技术积累等均提出了极高要求。
目前市场中,一方面IDM企业受到来自升级产业线以及降低成本维持利润的双重压力,市场中已出现IDM企业将制造环节外包的情况;
另一方面,MEMS产品应用的爆发式增长需要不同领域、不同行业的新兴MEMS公司参与其中,但巨额的工厂建设投入、运维成本以及MEMS工艺开发、集成的复杂性却形成了较高的行业门槛,阻碍了市场的持续扩张。
在此背景下,纯MEMS代工厂与MEMS产品设计公司合作开发产品的商业模式将成为未来行业业务模式的主流。
类似于传统集成电路行业发展趋势,MEMS产业将逐步走向设计与制造分立、制造环节外包的模式。
2、MEMS制造行业主要经营模式
MEMS制造主要指MEMS芯片制造,行业内主要经营模式包括两类,一类是依靠自有生产线进行生产,另一类则是外包给MEMS代工厂进行生产。
行业内提供MEMS制造代工服务的企业,从芯片类型和产业价值链来看,主要分为三类,即纯MEMS代工、IDM企业代工以及传统集成电路MEMS代工。
(1)纯MEMS代工
纯MEMS代工企业不提供任何设计服务,企业根据客户提供的MEMS芯片设计方案,进行工艺制程开发以及代工生产服务。
代表企业有公司、TeledyneDalsa、IMT等。
(2)IDM企业代工
IDM企业即垂直整合器件制造商,该类厂商除了进行集成电路设计之外,一般还拥有自有的封装厂和测试厂,其业务范围涵盖集成电路的设计、制造、封装和测试所有环节。
由于晶圆制造、封装和测试的生产线建设均需要巨额资金投入,因此IDM模式对企业的研发力量、资金实力和市场影响力都有极高的要求。
在满足自身晶圆制造需求后,IDM企业会将剩余的产能外包出去,提供MEMS代工服务。
采用IDM代工模式的企业均为全球芯片行业巨头,主要代表为博世(Bosch)、意法半导体(STMicro)、德州仪器(TI)等企业。
(3)传统集成电路MEMS代工
传统集成电路(主要为CMOS)代工企业以原有的CMOS产线为基础,嵌套部分特殊的生产MEMS工艺技术,将旧产线转化为MEMS代工线。
由于批量生产能力突出,传统集成电路企业往往会集中向出货量较高的消费电子领域的MEMS产品提供代工,该类代工企业以台积电(TSMC)、GlobalFoundries等为代表。
历史发展过程中,由于MEMS产品在材料、加工、制造工序等单个产品差异较大,器件标准化程度较低,影响了产业垂直分工的发展,行业以IDM企业为主导。
近年来,随着MEMS技术的发展和市场需求的逐渐兴起,MEMS标准化的程度大大发展,平台化基础正在形成,越来越多的MEMS产品的产业链垂直分工条件日趋成熟。
六、行业上下游之间的关联性
1、本行业与上下游行业的界定
在MEMS行业供应链(SupplyChain)中,MEMS制造的上游为供应商,行业下游为客户。
供应商主要为MEMS制造厂商提供晶圆、金属、化学品及气体等基础原材料以支持MEMS芯片及器件的生产;
下游客户主要为半导体厂商,如整机厂商、无晶圆设计公司等,MEMS制造厂商为客户提供芯片及器件的工艺开发和生产制造服务。
最终产品将被应用于汽车、工业、消费电子、生物医疗等终端领域。
在MEMS行业价值链(ValueChain)中,MEMS产业链自上而下包括三个环节:
上游-芯片设计,中游-芯片制造,下游-封装测试,另外还形成了生产MEMS制造原材料、封装材料等MEMS支撑行业。
三个环节已发展出独立的细分行业,产业链以MEMS产品设计为主导,多由整机厂商、无晶圆设计公司首先对产品功用、性能及结构等进行研发设计,然后自行或委托MEMS代工厂进行工艺开发及产品制造,最后由封装厂进行封装、测试,最后销售给电子终端应用产品生产企业。
2、上下游行业对本行业的影响
(1)上游行业
MEMS制造行业的上游主要为晶圆、金属、化学品及气体等原材料的生产及供应行业。
MEMS产品生产过程中耗用的晶圆、金属、化学品及气体占原材料比重较高,以上原材料供应价格及数量的波动将对本行业生产及成本的稳定性产生影响。
原材料中除钛、铬等稀有金属外均为常用物料,市场供应较为充足,发生原材料短缺的风险较低;
而制造传感器所需的稀有金属虽然价格较为昂贵,但实际用量极少,企业一般可以通过常规市场采购渠道保证充足供应,故不会对正常生产经营造成重大不利影响。
(2)下游行业
MEMS制造下游市场主要由半导体整机厂商、无晶圆设计公司组成,整机厂商向MEMS制造厂商采购MEMS芯片或器件后将其集成于设备并面向终端市场进行销售,而无晶圆设计公司需向制造商提供MEMS芯片或器件的设计,由制造厂商开发工艺并提供产品代工生产服务。
从全球产业发展历程来看,产业整体的发展与终端应用相互影响,终端应用的扩大直接带动了MEMS制造行业的成长,其需求变化也推动制造技术与工艺不断演变;
而MEMS制造行业的技术进步决定其在应用领域能否持续拓展。
汽车电子、消费电子市场的扩容带动了MEMS制造在过去三十年里跳跃式的发展,而随着物联网的落地、可穿戴设备的发展,新兴领域的应用将引领MEMS制造产业进入下一轮高速增长期。
从国内市场来看,中国地区是MEMS市场发展最快的地区,在汽车行业、工业领域和消费电子强力拉动下,国内市场需求将继续保持快速增长,为MEMS制造产业提供适宜的成长环境。
七、行业周期性、区域性和季节性
1、行业周期性
集成电路行业处于电子产业链的上游,其发展受到下游终端应用的深刻影响,其行业发展速度与全球经济增速正相关,呈现出周期性的波动趋势。
近年来,随着行业分工的深化,集成电路设计、制造及封测各环节专业化程度显著提高,行业整体能够更加准确的把握需求变动趋势、更有计划地控制产能规模及资本性支出、更加及时地对市场变化做出反应及修正;
同时,集成电路产业在社会其他行业的渗透日益深入,终端消费群体基数庞大,一定程度上抵消了经济周期的影响。
集成电路行业整体的周期性波动日趋平滑。
MEMS行业作为基于集成电路技术演化而来的新兴子行业,其周期性与集成电路行业相似;
同时由于MEMS技术具有前沿性、创造性,其技术和产品的更新迭代将为下游市场注入活力,并引导下游突破现有瓶颈限制、拓宽终端应用范围,推动社会经济有机增长,故其行业周期性波动风险可得到有效降低。
2、行业区域性
从产业区域聚集情况看,全球主要MEMS制造厂商均分布在海外如欧洲、美洲及日韩等地区,国外MEMS产业已经形成较为成熟的体系并且稳定运行了多年,保持着明显的竞争优势;
国内MEMS产业仍旧处于初级状态,目前长三角地区已建立了完整的产学研发族群,珠三角、中西部等地区亦纷纷开始加速构建。
从销售区域分布看,目前欧洲、美洲及日韩等发达国家仍然是MEMS芯片及器件的主要销售区域,但以亚洲为代表的新兴市场,特别是中国市场,产品消耗日益增加,未来将成长为与欧、美等主流市场并立的重要销售区域。
3、行业季节性
从整体的季节性需求来看,由于产品原材料供应充足、产品应用范围广泛且现阶段具备卖方市场的属性,MEMS行业并未表现出明显的季节性特征;
若区分终端应用,行业内与消费电子相关的产品季节性相对明显,例如受圣诞节、传统春节购物潮及年末厂商清仓促销等的影响,每年年底及下年初一般为相对的销售旺季。
八、行业壁垒
1、资金壁垒
由于MEMS行业存在产品非标准化的特点,MEMS公司无法仅仅通过单一工艺支持整个产品世代。
MEMS产品中,除了采用相同的硅材料外,没有可以在所有器件中通用的基础元件,“一类产品,一种制造工艺”的定律意味着MEMS制造商需要针对每个单独的产品采取不同的工艺策略。
在生产过程中,往往需要同时对多个产品同时进行工艺研发,在研发完成、产品测试合格并实现量产、进行销售之前,公司需要大量资金投入以维持运营。
因此,MEMS相较于传统集成电路不仅需要大量的时间成本,还需要大量的资金投入。
2、技术壁垒
首先,MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域,相对于传统的机械,它们的尺寸更小,最大的不超过一厘米,有些甚至仅仅几微米,其厚度更加微小。
因而MEMS产品的开发和制造需要包括与物理、化学、生物等相关的专业技术。
其次,MEMS需要多种工艺开发技术。
MEMS晶圆代工业务需要并行处理多项工艺开发项目,还需要尽可能以最有效的方式利用所有工程资源。
“一类产品,一种制造工艺”的定律意味着每种产品都需要从头开始设计工艺。
每一项工艺都需要经过工艺开发和优化的步骤,这些工艺步骤包括DRIE、键合、薄膜沉积(特别是在薄膜特性会直接影响MEMS性能的地方,如压电材料等)和晶圆封盖。
光刻也是另一道需要经常调整的工艺,MEMS的3D结构相比于普通的平面结构难度更高。
再次,MEMS需要具有独特专有的设备开发技术。
例如,DRIE通过精密刻蚀硅材料,严格控制深度、宽高比及侧壁轮廓来实现3D结构。
刻蚀可深可浅,而且涉及到刻蚀晶圆的任意比例。
开发这些刻蚀工艺的关键参数需要特定的MEMS工艺工程技术,同时还需要这些专门的设备来积累丰富的经验。
3、人才壁垒
MEMS开发过程中相互影响的因素,如工具、设计及工艺的相互依赖,意味着成功的MEMS项目依赖于丰富的产品经验以及对这些影响因素的充分理解。
从经验上来看,MEMS项目通常需要受过高等教育的工程师组建为专门化团队进行集体研发,工程师需要拥有至少10年工作经验,以保证研发效率及成功率,而具备前述条件的工程师十分稀缺。
因此MEMS市场存在相当高的人才壁垒。
九、行业竞争格局
MEMS制造上连产品设计,下接产品封测,是MEMS产业链中必不可少的一环。
MEMS产品类别多样、应用广泛,客户定制化程度非常高,其生产采用的微加工技术强调工艺精度,属于资金、技术及智力密集型行业。
全球范围内,MEMS产能主要集中在欧美等发达国家,目前国际主要MEMS代工厂商之间市场份额差距不大,且市场整体集中度较低,因此竞争较为激烈。
国内目前尚未出现拥有持续量产实践的MEMS制造企业,但国内市场需求巨大,政策及产业合力助推MEMS全产业链布局,未来产能将部分向国内转移,预计短期内国内MEMS市场将处于弱竞争洼地,随着国内MEMS产业的发展与成熟,未来国内MEMS企业间摩擦将日益加剧。
从产业发展趋势上看,尽管目前IDM企业凭借长期的行业积累、技术实力以及客户基础主导着MEMS加工制造,随着新兴器件的涌现、新细分市场及应用的开辟以及纯代工MEMS企业在擅长领域内的设计与加工工艺沉淀而产生的经验效应,能够同时处理多类器件开发及生产的纯MEMS代工企业将成为制造外包业务中的强力竞争者。
就竞争强度而言,部分中低端器件尤其是消费电子类MEMS器件出货量巨大且技术要求较低,商品同质化程度较高,可预见未来细分行业市场竞争将会加剧。
十、影响行业发展的因素
1、有利因素
(1)智能化时代发展,行业迎来快速增长期
被称为第四次工业革命的信息革命正持续深刻地改变着人类的社会经济结构,其重要的标志即为互联网的全球化普及,以智能手机、平板电脑为代表的移动互联网蓬勃兴起,移动互联网已接力汽车电子,全面引领MEMS应用,带动MEMS产品渗透到消费者日常生活的各方面;
同一时期,可穿戴设备及医疗电子异军突起,可以预见,处于产业链上游技术核心的MEMS器件作为人机互动的基础将呈现爆发式增长;
中长期内,物联网概念的落地将引领第三轮增长浪潮,打开MEMS应用的蓝海,Cisco预计到2022年将有285亿固定和移动个人设备连接到互联网,其中包括可穿戴设备、智能手机、平板电脑、智能家居、智能汽车及运输、智能工厂及生产监控、健康监测、独立老年生活等。
(2)产业创新活跃,新器件、新应用不断涌现,颠覆性技术推陈出新
受益于过去几十年商业化进程的积累,目前MEMS产品已能背靠坚实的技术平台实现创新,新兴产品设计不断涌现,产品从研发导入量产的时间有效缩短。
MEMS领域的创新不仅仅来自新器件,还有成熟MEMS技术的集成新应用,厂商亦需要通过传感器集成实现产品应用创新以提供差异化服务,成熟器件拓展新应用将在未来继续助推MEMS产业快速成长。
(3)国家政策推动产业提速
国家科技重大专项和863计划等先后专门成立微纳制造专项,重点扶持MEMS科研和产业化推广;
大批海外人才回国创业,手握多项专利技术,清晰把握市场趋势;
MEMS产业全线升温,长江三角洲地区已建立起完整的“产学研”发展族群,珠三角及中西部地区也纷纷加速构建局基地,科研体制内的技术开发取得了阶段性成果,全国范围内MEMS产业设计布局已初见雏形,政府积极推动建设MEMS先进制造平台,与产业界合力打造的MEMS生产线陆续进入实质性建设阶段,引领MEMS全产业链迅速崛起。
2、不利因素
(1)技术壁垒高,产品开发周期较长且资金投入巨大
MEMS是多学科交叉的前沿性领域,几乎涉及到自然科学的所有领域,因此MEMS芯片设计和生产环节都面临非常高的技术壁垒;
MEMS品种丰富多达万个,由于每个系列品种的前期投入、工艺等基本都是一个独立事件,不同的MEMS之间没有完全标准的工艺并且参量较多,导致产品生产很难形成规模经济和范围经济,新产品开发周期长,目前产能主要集中于欧美等发达国家;
MEMS项目对初创成本要求巨大,持续的资金流起着举足轻重的作用。
此外,加工成本和运维成本使得MEMS只有在产量巨大的情况下,微电子方式的规模制造优势才能被发挥出来。
(2)专业人才较为紧缺,成为企业快速发展的瓶颈之一
优秀的MEMS人才是企业的核心竞争力之一,行业需要的是具备跨学科理论知识和量产实践经验的复合型人才:
MEMS器件的微小化、跨学科以及高集成度的特性导致设计的复杂性,设计工程师需要在了解各个学科领域知识的基础上,控制不同领域之间的复杂交互,MEMS尺寸的微小化所带来的微观效应也使得MEMS设计和分析更为复杂;
就制造环节而言,MEMS产品的多样性、三维立体维度、多材料应用以及细微加工方法不仅要求工艺工程师掌握MEMS前沿技术,还要求从业人员能够从量产实践中积累工艺诀窍和经验,通过整合技术及经验形成成熟产品。
目前行业内多数企业仍停留在产品理论验证和研究层面,研制的器件达不到量产的要求,缺乏量产实践经验,MEMS复合人才有待开发。
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