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MEMS行業深度報告:硬件複興的基礎元器件

來源: http://www.guuzhang.com/portal.php?mod=view&aid=1437

MEMS行業深度報告:硬件複興的基礎元器件

作者:東方證券 蒯劍 胡譽鏡


核心觀點

MEMS是硬件複興的基礎元器件:MEMS是當前移動終端微創新的方向,也已成為可穿戴設備等新型硬件的基礎,我們看好MEMS有望成為未來幾年增長潛力最大的電子元器件,室內導航、背景識別、關鍵詞識別、全時開機、全時聆聽、更準確的動作識別等功能都對MEMS提出了更多需求。


MEMS類型豐富,多種應用齊頭並進:MEMS憑借功耗低、體積小、性能出色等優勢在多種領域大有可為。在移動終端上,慣性傳感器、MEMS麥克風已經有了廣泛應用,但用量還在不斷提升,氣壓傳感器、攝像頭光學防抖OIS陀螺儀等滲透率也將快速提升,此外,MEMS自動對焦、MEMS諧振器、MEMS揚聲器等新型應用市場也有望打開。可穿戴設備未來幾年將有望爆發增長,傳感器用量也將從簡單的單軸加速計,逐步增加氣壓計、陀螺儀、溫度計、濕度計、麥克風等。


MEMS走向大規模分工,利好先進封裝環節:MEMS產業由於應用分散,此前主要由垂直一體化的IDM掌控,隨著MEMS產業的大規模發展,各環節開始出現分工的趨勢,一大批無晶圓設計公司的興起給專業的晶圓廠和封測廠帶來了機會,其中能顯著降低尺寸和成本的先進封裝將有望顯著受益。在目前的陶瓷封裝、引線框封裝、球柵/柵格陣列封裝、晶圓級封裝等方案中,晶圓級封裝和球柵/柵格陣列封裝最具前景,其中3D晶圓級封裝還可以把MEMS和ASIC整合在一起,從而進一步提升效率和縮減尺寸。


投資建議與投資標的:我們看好MEMS應用的外延,建議重點關註歌爾聲學(002241,未評級),歌爾基於MEMS麥克風已經成為國內MEMS領域積累最深的公司之一,且氣壓傳感器等也已獲得突破,有望受益於iPhone6帶來的氣壓傳感大趨勢。

在MEMS先進封裝趨勢下,我們建議關註晶方科技(603005,未評級)、華天科技(002185,未評級)的WLCSP/TSV技術。

風險提示:MEMS市場應用不及預期風險:競爭加劇風險


1.MEMS是硬件複興的基礎元器件

1.1MEMS——當前微創新的方向、穿戴式設備的基礎

MEMS(微機電系統)是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成,基於光刻、腐蝕等半導體技術,融入超精密機械加工,並結合材料、力學、化學、光學等,使一個毫米或微米級別的MEMS系統具備精確而完整的電氣、機械、化學、光學等特性。智能手機和平板電腦之後,消費電子領域創新進入平臺期,基於CPU核心數、屏幕大小、分辨率、攝像頭像素、輕薄度等配置經過前幾年的白熱化競爭後,開始出現性能過剩的隱憂,主流大廠開始把更多的精力轉向新功能、新應用,試圖帶來更好的體驗。


我們認為,在下一個重要創新(可能是穿戴式設備)上規模以前,基於MEMS的傳感器、執行器將有望成為當前移動終端微創新的方向,而MEMS技術的成熟,還將大幅促進穿戴式設備的發展。

a)MEMS是當前移動終端微創新的方向:一方面新的設備形態(移動終端乃至穿戴式設備)需要更加微型化的器件和更為便捷的交互方式,另一方面,移動計算和移動互聯技術給予MEMS系統在新型設備上應用的空間和前景。


b)MEMS為穿戴式設備奠定基礎:穿戴式設備對MEMS的需求將更甚於移動終端,穿戴式設備的特性決定了它對器件的微型化和輸入輸出方式提出了更高要求;另一方面,根據應用領域的不同,穿戴式設備對環境、物體、以及人體自身需要保持感知狀態。


1.2應用領域不斷延伸

MEMS傳感器2007年伴隨著iPhone開始大規模進入移動終端領域,包括慣性傳感器——加速儀,陀螺儀、羅盤(屏幕導向和導航)、OIS攝像頭陀螺儀等,MEMS麥克風也開始大規模替代傳統的駐極體麥克風。蘋果歷代iPhone大大促進了慣性傳感器、MEMS麥克風、近距感應、光線傳感器等的迅速普及,且每一個新傳感器的加入都對應著完整的體驗,這也迅速完善了用戶體驗,培養了用戶習慣。


因此,MEMS傳感器在除移動終端外的市場也開始迅速鋪開,包括遊戲設備,可穿戴設備、智能電視、健康監控、汽車、LBS等等的應用。功能也在迅速增加,從慣性傳感器、MEMS麥克風延伸到氣壓傳感器、濕度、溫度、RF開關、距離、燈光和微投傳感器等,3個甚至4-5個傳感器的整合也增強了MEMS傳感器微型化、多功能化的步伐。


我們認為MEMS是未來幾年增長潛力最大的電子元器件,室內導航、背景識別、關鍵詞識別、全時開機、全時聆聽、更準確的動作識別等功能都對MEMS提出新需求。


1.3移動終端——未來幾年可能出現新型MEMS傳感器

移動終端將是MEMS重要增長點,除了慣性傳感器、MEMS麥克風、壓力傳感器的繼續普及和組合化趨勢外,氣壓傳感器、攝像頭光學防抖OIS陀螺儀滲透率也將快速提升。


此外,不少新型MEMS傳感器有望在未來幾年內出現在移動終端上,例如MEMS振蕩器、開關、MEMS揚聲器、氣體傳感器、MEMS攝像頭、微投等。


預計2012-2018年移動終端上MEMS市場規模年均增速將達20%。壓力/溫濕度傳感器、光學MEMS等增長最快。


1.4可穿戴設備對MEMS需求數量也在不斷增加

可穿戴設備中,不同的設備對應不同的互動和需求,因此也需要各種不同的傳感器,例如慣性傳感器,可以測量運動所需的時間,並以更高的精度測量相關數據。

此外,可穿戴設備中功能性的持續提升,也在逐步增加可穿戴設備中MEMS傳感器的需求數量,目前蘋果、三星等公司在增加手機MEMS方面很積極:

1)第一代計步器只有加速計,只能做簡單的計步和行走、跑步的識別;

2)第二代活動追蹤儀有加速計和氣壓計,可以改善計步功能,卡路里消耗量計算等;

3)當前的第三代活動監視器有加速計、氣壓計和陀螺儀,可以識別跑步、遊泳、汽車等複雜運動,並能夠準確計算卡路里;

4)後續的第四代智能手表進一步增加溫度、濕度和MEMS麥克風,除了複雜識別活動,還能夠提供背景識別和個人助理的功能。


2.MEMS市場多種應用齊頭並進

2.1MEMS類型豐富多樣

MEMS具有體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價格低廉、性能穩定等優點,MEMS系統的獨特特性使之在很多領域具有應用潛力,盡管已經有不少應用,但整體來說MEMS市場仍處於起步階段,大量的MEMS系統仍具備廣闊的市場潛力。


MEMS按應用分主要包括傳感器、執行器、微能源等:

傳感器:MEMS傳感器是目前應用較為成熟的MEMS器件,包括壓力傳感器(還可以通過壓力傳感器測量氣壓、高度)、慣性傳感器(加速計、陀螺儀、地磁傳感器,或二合一、三合一的組合)、MEMS麥克風、環境傳感器(溫濕度)、熱輻射等。其中慣性傳感器、MEMS麥克風幾乎已經成為新型設備的標配,溫濕度、壓力等傳感器在移動終端尤其是部分穿戴式設備上的應用也有望迅速鋪開。


執行器:MEMS執行器也有部分較成熟的應用,如流量控制(噴墨頭),射頻器件里的BAW(體聲波)濾波器、BAW雙工器等,但未來大量的應用場景不止於此,例如MEMS振蕩器/諧振器、MEMS揚聲器、MEMS攝像頭、MEMS反射鏡(用於微投領域)等。


微能源:MEMS燃料電池能量密度高,用MEMS燃料電池代替目前的手機電池可使理論續航時間延長至數周,但目前成本高達300美金左右,還有很長一段路要走。

2010年開始在MEMS麥克風、慣性傳感器等帶動下,MEMS市場開始進入快速成長期,2012-2018年CAGR將達13%。

其中組合慣性傳感器(2011-2017CAGR67%)、微顯示(93%)、MEMS振蕩器(64%)等將呈現高速成長。


2.2慣性傳感器仍是重要市場,組合化成為趨勢

慣性傳感器包括加速計(測線性加速計)、陀螺儀(測角運動)、地磁傳感器(測方向)。傳統的單軸慣性傳感器已經廣泛用於汽車控制等領域,但直到2009年才出現三軸的MEMS慣性傳感器,並開始應用在智能手機上,用於控制遊戲或虛擬現實、晃動手機輸入指令、運動信息追蹤等。從此引爆MEMS慣性傳感器市場。

目前6軸/9軸(二合一、三合一)逐漸成為主流,而且下一代產品還會整合進壓力傳感器,未來越來越多的傳感器的功能整合在一起是大趨勢,集成度更高,能夠實現更多功能,操作系統和應用層也會無縫對接,從單個的功能性傳感器到組合性功能——檢測運動和地理位置情況。


目前慣性傳感器在移動終端整體滲透率已經達到一半左右,幾乎成為標配,未來除了在移動終端繼續滲透外,在穿戴式設備(手環、智能鞋等)上也極具前景。


全球消費領域慣性傳感器市場規模將從2012年的17.6億美元增長至2018年的29.9億美元,其中分立慣性傳感器可能面臨衰退,而6軸/9軸的組合慣性傳感器將迎來爆發。


2.3MEMS麥克風

Knowles、歌爾聲學等引領了MEMS麥克風趨勢,並在移動終端上大量取代傳統的駐極體麥克風,高品質、抗幹擾、微型化等優點使之在新型硬件上亦大有作為。出貨量增長率從2012-2016年達24%。

可穿戴設備需要麥克風來讀取用戶的語音信息,也需要音筒來輸出設備的信號,除了簡單的語音通話等功能外,事實上MEMS麥克風在語音識別、背景識別(搞清楚用戶的狀態)、關鍵詞識別等應用上也非常符合未來的趨勢。運動加上語音識別功能提供的Always-onalwayslisten(全時開機、全時傾聽)的體驗。可以一直保持開機狀態,隨時隨地使用這些功能。這些功能將在手機和可穿戴上面很快獲得應用。


2.4光學防抖、自動對焦

對智能手機用戶來說,攝像頭的一大需求是成像穩定,盡管目前攝像頭像素越來越高,但在低光條件下容易出現曝光不足、成像模糊等問題。OIS陀螺儀能夠實現成像穩定,在不太理想的拍照環境下拍出高質量的照片。iPhone6攝像頭新增OIS光學防抖功能,很可能將引領光學防抖趨勢。

MEMS自動對焦

MEMS自動對焦可修正物距的偏差以及溫度對透鏡造成的偏差,其中的自動對焦裝置使用靜電力來精確定位並移動透鏡進行對焦,以獲得最佳的定位精確度和可重複性。自動對焦裝置的機械接口使鏡筒與移動中的透鏡能精確對齊。

MEMS自動對焦模塊具有MEMS技術的性能優勢,集成度更高,對焦速度更快,對焦更準確、功耗也要低的多。對焦速度顯著加快,比常規VCM鏡頭至少快上7倍;功耗僅為VCM鏡頭的1%。

此外,MEMS鏡頭模塊的z軸高度僅為5.1mm,比常規VCM模塊減少33%。MEMS技術還可以讓鏡頭組件以低溫運行,和常規鏡頭相比,MEMS鏡頭可以降低20%的散熱量,溫度至少低10度,溫度的控制對於提高照片畫質的穩定性很有幫助。


3.看好MEMS應用外延和先進封裝機會

3.1MEMS市場應用周期縮短,產業鏈從IDM走向分工

MEMS器件制造過程可分為MEMS的制造、封裝、測試、減薄、切割,ASIC的制造、測試、減薄、切割,MEMS和ASIC芯片封裝等環節,產業鏈較複雜。而以往MEMS下遊應用分散,難以形成規模效應,因此MEMS產業主要由垂直一體化的IDM掌控。

而隨著MEMS技術逐步邁向成熟,以及新型設備(移動終端、穿戴式設備)催生的大量需求,MEMS器件從研發到商業化的周期越來越短,從商業化到大規模應用的周期也在逐漸縮短。

近年來MEMS產業的起步使MEMS各環節開始出現分工的趨勢,尤其是樓氏電子(MEMS麥克風)、InvenSense(慣性傳感器)、Sitime(MEMS諧振器)等無晶圓設計公司的興起給專業的晶圓廠和封測廠帶來了機會。

樓氏電子、InvenSense等已經躋身全球MEMS領域前30大廠商,目前過半的MEMS業務仍然在IDM手里,但大批量、標準化之後走向分工將成為趨勢。


3.2制造環節升級、先進封裝受益

MEMS的興起除了促進分工提升效率和降低成本外,還將促使專業晶圓制造廠商采用更先進制程和更大晶圓來生產:

目前主流MEMS廠商采用6寸晶圓的65nm工藝生產MEMS,而IC的先進制程已經到了12寸晶圓14nm(英特爾)、20nm(臺積電)。目前廠商已經逐步在采用8寸晶圓生產MEMS,制程也可望提升,先進制程的導入將快速推進MEMS性能進一步提升,並繼續降低功耗、成本、尺寸等,有利於MEMS市場的進一步爆發。

對封裝環節來說,隨著可穿戴設備等新型硬件對MEMS系統功耗、體積等要求的進一步提高,封裝工藝的需求也將持續提升,因此能顯著降低尺寸和成本的先進封裝(尤其是適用於MEMS芯片的3D晶圓級封裝)將持續受益。

MEMS封裝不同於傳統封裝,未來3D晶圓級封裝、BGA/LGA封裝可能將最具潛力:

MEMS的封裝不同於傳統封裝方式,因為MEMS封裝涉及到材料、電、機械等部件,需要在一個毫米或微米級別的MEMS系統里具備精確而完整的電氣、機械、化學、光學等特性。

a)特殊的信號界面(包括電、光、磁、機械力、溫度等多種輸入信號)

b)特殊的封裝材料:封裝材料的熱膨脹系數、熱、電、抗腐蝕特性、機械應力等都需要考慮到;

c)特殊的立體結構:非平面工藝、膠體、懸梁、薄膜等

d)特殊的芯片鈍化需求

e)特殊的可靠性需求:MEMS的本質是機械運動,所以芯片保護首先要考慮機械振動、加速度及避免各種物理損傷,

目前MEMS封裝主要有陶瓷封裝、引線框封裝、球柵/柵格陣列封裝、晶圓級封裝等方案,其中陶瓷、引線框封裝不適合微型化器件,未來將保持平穩,BGA/LGA是當前主流,未來也將保持較快增長,晶圓級封裝具有大批量、微型化等優點,可能迎來快速增長。

未來3D晶圓級封裝(TSV等)還有望將MEMS和ASIC整合在一起,從而進一步提升效率和縮減尺寸。2012-2016年MEMS晶圓級封裝年均增速將達37%,BGA/LGA也將保持在16%的水平。

例如Invensense采用3D晶圓級封裝把MEMS和ASIC兩個芯片直接連接而不用通過金線,既實現更小的體積,更優的性能,在生產環節也提高了效率、降低了成本。


3.3建議重點關註歌爾、晶方、華天

歌爾聲學是國內MEMS領域積累較為深厚的公司,通過為蘋果耳機等供應MEMS麥克風,已經成為全球MEMS麥克風主要的封裝和應用公司,除了有望受益於MEMS麥克風的推廣外,單臺設備配備的MEMS麥克風也呈上升趨勢。

此外,歌爾聲學還將有望受益於MEMS系統功能和應用的外延,例如iPhone6上首次搭載氣壓傳感器,有望帶動氣壓傳感器成為趨勢。公司的氣壓傳感器也已獲得突破,未來將有望受益於這一趨勢。

在MEMS先進封裝趨勢下,我們建議關註晶方科技、華天科技的WLCSP/TSV技術,有望成為MEMS封裝工藝中增長較快的一類。另外環旭電子(601231,未評級)的SiP封裝也適用於後段異質整合。


4.風險提示

MEMS市場應用不及預期風險:

我們看好MEMS的應用從慣性傳感器、MEMS麥克風等向氣壓、溫度傳感器、OIS防抖、自動對焦等迅速延伸,但也存在無法觸及用戶痛點、市場反響不及預期風險。

競爭加劇風險

MEMS市場目前整體處於上升階段,但部分市場(如單軸慣性傳感器)市場競爭有越來越激烈的趨勢。

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