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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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MEMS殺手級應用—消費性電子產品

文/范碧珍

iPhone 4宣布台灣開始預購登記,開放當天(8月27日)瘋狂蘋果迷以秒殺的速度擠暴系統業者網站,甚至一度呈現當機狀態,這就是iPhone的魅力!

iPhone之所以迷人,除了本身造型科技感十足外,它改寫人類使用手機的另類觸感,透過手指之間的滑動,就能讓畫面捲動,並可任意遊走網路世界;也不會因手部的震動影響高畫質的影像畫面;即時視訊的全新功能,更是實現人與機器間無距離的互動體驗。

從iPhone 4乃至於Wii,以及之前的寵物恐龍Pleo,皆為眾人矚目的電子產品,而這些產品的共同特徵,莫不在於與使用者互動體驗的功能,並將產品的控制權回歸消費者本身;換句話說,就是以產品來契合消費者,而非單純只是使用者去適應產品。而提供這些互動功能的最大關鍵角色,就是「MEMS元件」。

MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems;微機電),顧名思義,就是同時具備電子與機械特性的微元件;也就是說,微機電是藉著一連串微加工步驟,來進行電子訊號處理與機械可動結構區塊之製造,並具備微米至厘米尺度的微系統元件;舉凡汽車、印表機、手機、數位相機等日常生活用品中,MEMS元件早已無所不在,成為不可或缺的一部分,也和我們共處超過20年以上。

IC經驗難複製

事實上,MEMS的興起,最早是應用在車用與工業領域,特別是車用市場,因為歐美是汽車製造重地,這也是為什麼,來自歐洲意法半導體(STMicroelectronics)以40%左右的全球市占率(2009年),穩居MEMS代工市場的龍頭寶座的主要原因之一。

工研院南分院微系統科技中心主任何宗哲表示,儘管國際上車用MEMS在當時已經很前瞻,但它關乎汽車安全,台灣也不敢貿然全力投入。於是從1997年開始建立製程技術,原本企圖複製半導體成功經驗(以代工為主),先有製程再有設計,「真正執行後,卻發現不是那麼一回事,」他說。

MEMS在台灣其實尚未建立完整,微機電跟IC不同,IC大家都用CMOS,製程固定,封裝方式很固定;但微機電是一種製程,而且每家公司做法不同,封裝方式也都不同,國內沒有一家廠商含括所有的平台。

何宗哲回憶20年前的半導體產業,一開始百家爭鳴,最後才一統天下,「因為最後做到標準的製程、標準的封裝。但以MEMS來看,某一類產品的標準製程可能會實現,但是不會所有的MEMS都是一個製程,這絕對不可能,因為結構百百種,」他說。

正因如此,先期投入的廠商,由於前面摸索期過長,加上大環境的快速變動,多數廠商如果口袋不夠深,很難支撐下去。因此,MEMS的Open Lab很重要,因為只有政府的支持,才有可能撐到開花結果;否則若是還沒成熟的東西,大廠根本看不上眼,誰來幫助他們?所以,「MEMS Lab其實是蠻重要的,有這個Lab,才有可能讓一些新的想法實現,」何宗哲感慨說道。

有鑑於此,2000年,工研院在前副院長林敏雄的帶領下,成立微機電中心(包含構裝中心與微機電中心),同年,將構裝中心與微機電中心一起併到電子所,2004年再把微機電中心併到構裝中心,變成一個大的中心,仍舊是在電子所;直到2005年南下到南分院,更名為「微系統科技中心」,「就像是蘇武牧羊或出埃及記,全組同仁一起南下重新紮根,」何宗哲笑稱。

手機推動台灣MEMS生路

對何宗哲而言,2004年是個新契機的開始。

因為在這之前,他和同仁就像學校做研究一樣,東做一個,西做一個,不斷嘗試新的機會。「記得那段摸索期,生物晶片、流體感應器等奇奇怪怪的東西我們都做,都找不出殺手級應用(Killer application),」直到消費性電子產品「手機」開始萌芽,正好國內MEMS廠進入最艱困的時候,「反倒成為我們一個很好的機會。」

其中又以陀螺儀等慣性感測器元件,是MEMS元件成長最快的產品類別。

陀螺儀之所以備受Apple、Nokia等手機業者看中,主要是因為如果單只用加速度計,無法判斷動作與重力的分別,但加上了陀螺儀,就能立即感應動作的發生,讓使用者介面反應更靈敏,更不受殘影干擾。就連最新發表的iPhone 4也都強調內建陀螺儀等元件,可見其重要性。

不僅如此,InvenSense手機業務部門行銷總監Mike Housholder表示,MEMS陀螺儀的第一個市場成功經驗,是在數位相機領域的應用,目前滲透率幾乎達百分之百,「目前在500萬畫素以上的數位相機與數位攝影機產品中,幾乎都有內建陀螺儀。」

何宗哲分析,手機一年有12到15億支的市場,光是拆解手機內建MEMS元件就有:微麥克風,主要掌管收音部分;翻頁加速度計;另一個是陀螺儀,可以做導航;未來的話還有微型雷射投影。除了手機之外,數位相機不斷追求光學變焦、小型化,以超音波馬達做鏡頭的推動,也做防手震的微小馬達跟加速度計、陀螺儀,利用微小馬達去補償感測器,就可以拍出畫質清晰的照片。「透過這些技術,台灣就有機會可以進入MEMS市場,」他說。

以往汽車市場台灣進不去,手機另闢一條切入MEMS的生路,加上山寨機提供一個踏腳石,台灣有機會占有一席之地。唯一遺憾的是,輪到台灣躍躍欲試的時候,價格卻無情的下滑,「但唯有這個機會台灣的廠商方能切入,如果剛開始在高檔位的時候,台灣也切不進去,而且量不夠大,此時正是好時機,然後再漸漸朝向高價產品邁進,」何宗哲期待。

朝車規及十軸方向邁進

十年來,最早投入MEMS產業的探微科技(華新麗華轉投資)與亞太優勢(欣興轉投資)其實都很辛苦,因為代工量無法跟半導體代工相比擬,甚至不到1%。但是對台灣IC設計產業而言,卻是一個很重要的技術,例如現在的感測器顯示需有一些IC與處理器要配合,現在台灣IC設計業的差異性不是很大,以前號稱數位、類比等各有專長,現在漸漸每一家什麼都有了,結果大家都一樣。現在MEMS開始跟IC整合,有點是異業的整合,例如本來是數位的整合,現在是數位跟類比的整合,再加上微機電的整合,這對台灣IC設計業是一個新的挑戰,也是個新機會。

何宗哲坦言,5年前的改變,也許是個賭注,不知道未來會如何。接下來對台灣的MEMS產業來講,工研院已經開發了一些元件,希望這些元件能帶動國內的廠商如探微科技、亞太優勢推出自有產品,自己製造量產,並藉由這個機會,能在一兩年後有台灣自己設計的MEMS產品,在台灣自己的foundry生產,「這是我們最大的期望。」

一向勇於接受挑戰的何宗哲團隊,正在考慮消費性產品的下一步,因為中國、印度等新興市場的崛起,或許車用元件是一個方向。不過,車用的規格不一樣,不同於遙控器、3D飛鼠等靈敏度要比較高,承受的重力值比較小,因為它們不會被亂甩亂撞;如果要符合車規使用,不同的應用需有不同的規格,就要改設計,並加強可靠度,並符合耐摔、耐撞、耐熱等特性,「這是我們的下一步。」

至於消費性產品,何宗哲團隊的目標是做十軸,是三軸加速度計加三軸的角速度,再加三軸的力磁,再加一軸的高度,把所有可能的定方向、定方位、定點的sensor都做在一起,且要做得很小。「以後在使用手機時,即使沒有GPS,也可以做定位,一個是慣性的定位,加上磁力線的絕對方向的定位,再加上你爬樓梯,幾層樓高,有很精密的高度計,能分辨出一兩公尺氣壓的變化,整個加起來就要十軸。以後只要你願意打開手機,你在哪裡人家都知道,這對以後做LBS服務(Location Based Service)是非常重要的。」

不同於其他團隊,何宗哲所帶領的研發同仁,是來自各領域的高手,包括機械、材料、化學、電子等,但他們無懼市場急遽的變化,找到屬於台灣可發展的方向,精準與確實地一步一步朝新契機邁進,用自己的力量,帶領台灣MEMS廠商找到解決方案,從紅海中找到屬於自己的藍海。

未來MEMS發展關鍵議題

隨著MEMS元件逐漸進入消費性電子市場,未來幾年整體MEMS市場將由以往的少量多樣,轉變為多量少樣。主流應用如通訊或消費性產品將產生大量元件需求,並帶動MEMS產業再次進入成長期。不過,隨著愈來愈多的業者搶入,在整體市場仍處新應用培育階段,熱門應用產品屈指可數的情況下,短期過多的業者競相投入,無疑使得產業競爭加劇;首先發生的,就是熱門MEMS產品的價格戰一觸即發。以MEMS麥克風為例,由於應用於手機市場,加上投入業者快速成長,產業競爭的快速升溫造成ASP大幅下滑,未來幾年ASP仍將平均以-14%速度下滑,如何維繫獲利能力,成為業者共同課題。

在如何建立合適策略,維繫公司獲利能力上,由於消費性電子市場產品變化快速、生命週期短,加上目標客群對於產品的要求往往在於輕薄短小且價格低廉,故對於元件的需求重點在於低價與高整合度;因此,為維持產品競爭力,領導業者莫不朝降低成本與提高附加價值發展,即所謂的Minimization & Modulization,藉由將產品持續微型化(Minimization),並藉由經濟規模降低生產成本;另一方面則是提高產品功能整合程度(Modulization),增加產品附加價值;並利用專業代工業者進行生產,進一步帶動垂直分工產業體系成型。

首先在降低生產成本上,隨著市場需求的提高,整體產業開始走向藉由經濟規模降低生產成本,這帶動了MEMS元件的生產規模由以往的4吋或6吋晶圓,逐漸朝向8吋晶圓發展,以期能更快滿足消費電子的大量需求與低價壓力。在此種趨勢下,目前部分MEMS業者陸續建立新的8吋生產線,也有許多半導體業者考慮將老舊的8吋生產線重新利用,投入MEMS製造,未來這些擁有8吋廠的DRAM或晶圓代工業者,將成為目前MEMS製造商的潛在競爭者或代工商。

除了藉由8吋生產線的採用來降低成本外,另一個可有效降低產品成本的方式,則是藉由掌握封裝技術,縮小元件體積並降低成本。由於MEMS封測約占產品40%成本,在市場對於低價、小型化與高整合度(MEMS+IC)的需求壓力催促下,具備影響量產進度與最終產品良率,以及能改變最終產品尺寸的封裝技術,將成為影響業者在MEMS產業競爭力的關鍵。

觀察目前的主流封裝方式,仍是以2 chips(1 MEMS+1 LSI)封裝為單一產品,亦即以SiP方式整合MEMS與ASIC。此種方式優點除在於將製造步驟單純化外,亦可依據應用所需的特性需求,彈性調整搭配的晶片組合,適合目前的多樣化市場生態;而除了目前的2 chips封裝方式外,IMU亦已嘗試使用Multi-chip 3D stacking package進行進一步整合。

除了降低成本外,另一個方向就是藉由加強整合度,提高產品附加價值來確保公司競爭優勢。近年來業者陸續提出所謂「From device to module」的產品發展藍圖;例如Si Microphone的領導業者Knowles提出了所謂acoustic module的觀念,做為微麥克風下一代產品的發展概念;亦即除了原先的微麥克風元件外,進一步加入了signal processing function於元件中,以強化產品的噪音消除能力,或是針對免持功能加入增益迴路等。而Bosch、SDA/SDI等業者亦針對加速度計或陀螺儀提出所謂IMU(Inertial Measurements Unit)的整合發展方向。發展MEMS振盪器的SiTime、Discera亦嘗試整合更多的周邊電路,以取代傳統的石英元件與振盪電路。

此外,在MEMS製程平台的選擇上,隨著MEMS跨入大眾消費性電子市場,未來對於成本與產量的掌握將成為業者競爭優勢;Si製程具有低成本、產能豐富、相關支援產業完整,加上CMOS MEMS有可能進一步與IC整合為單一晶片,故仍將為應用於大眾市場的MEMS產品主要製程選擇。

而隨著產業競爭逐漸走向白熱化,未來專利戰將成為領導業者有效阻隔競爭者的攻擊手段。以MEMS麥克風為例,領導業者Knoewles在MEMS麥克風結構與封裝技術上享有的專利優勢與專利布局,有效的限制了其他業者在目前主流市場的發展,至今仍有近八成市占率;隨著未來競爭的白熱化,專利戰將成為後進者成長隱憂。

另一個不可忽視的長期趨勢,則是在以Si製程為共同發展平台前提下,隨著半導體技術的持續突破,CMOS製程除了持續進行微縮化外,另一個方向則是朝向異種技術融合發展,其中MEMS在半導體的融合藍圖中扮演相當重要的技術。而隨著半導體與MEMS整合程度、甚至進一步融合的深化,未來半導體與MEMS產業的界限將愈形模糊,未來業者將同時面對兩個產業的競爭者,唯有同時掌握半導體與MEMS技術整合能力的業者才有機會勝出,成為產業發展的主導者;以目前來看,經驗、資源與規模相對較大的半導體業者相對具備優勢。

綜觀而言,雖然半導體與MEMS的整合是一個不可阻擋的趨勢,不過由於半導體產業與MEMS產業不論在技術、製造與相關支援環境均有著巨大的發展落差,故短期內仍無法同時融合此兩者於單一晶片中;現階段將先藉由SiP封裝方式來調和彼此落差,隨著整合程度的進步,封裝方式將由2 chips SiP進化到Multi-chips stacking,未來則進一步融合為單晶片(SoC)。(文/工研院產經中心李冠樺)



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