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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）