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MEMS行业深度报告:硬件复兴的基础元器件

核心观点

MEMS是硬件复兴的基础元器件:MEMS是当前移动终端微创新的方向,也已成为可穿戴设备等新型硬件的基础,我们看好MEMS有望成为未来几年增长潜力最大的电子元器件,室内导航、背景识别、关键词识别、全时开机、全时聆听、更准确的动作识别等功能都对MEMS提出了更多需求。

MEMS类型丰富,多种应用齐头并进:MEMS凭借功耗低、体积小、性能出色等优势在多种领域大有可为。在移动终端上,惯性传感器、MEMS麦克风已经有了广泛应用,但用量还在不断提升,气压传感器、摄像头光学防抖OIS陀螺仪等渗透率也将快速提升,此外,MEMS自动对焦、MEMS谐振器、MEMS扬声器等新型应用市场也有望打开。可穿戴设备未来几年将有望爆发增长,传感器用量也将从简单的单轴加速计,逐步增加气压计、陀螺仪、温度计、湿度计、麦克风等。

MEMS走向大规模分工,利好先进封装环节:MEMS产业由于应用分散,此前主要由垂直一体化的IDM掌控,随着MEMS产业的大规模发展,各环节开始出现分工的趋势,一大批无晶圆设计公司的兴起给专业的晶圆厂和封测厂带来了机会,其中能显著降低尺寸和成本的先进封装将有望显著受益。在目前的陶瓷封装、引线框封装、球栅/栅格阵列封装、晶圆级封装等方案中,晶圆级封装和球栅/栅格阵列封装最具前景,其中3D晶圆级封装还可以把MEMS和ASIC整合在一起,从而进一步提升效率和缩减尺寸。

投资建议与投资标的:我们看好MEMS应用的外延,建议重点关注歌尔声学(002241,未评级),歌尔基于MEMS麦克风已经成为国内MEMS领域积累最深的公司之一,且气压传感器等也已获得突破,有望受益于iPhone6带来的气压传感大趋势。

在MEMS先进封装趋势下,我们建议关注晶方科技(603005,未评级)、华天科技(002185,未评级)的WLCSP/TSV技术。

风险提示:MEMS市场应用不及预期风险:竞争加剧风险

1.MEMS是硬件复兴的基础元器件

1.1MEMS——当前微创新的方向、穿戴式设备的基础

MEMS(微机电系统)是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成,基于光刻、腐蚀等半导体技术,融入超精密机械加工,并结合材料、力学、化学、光学等,使一个毫米或微米级别的MEMS系统具备精确而完整的电气、机械、化学、光学等特性。智能手机和平板电脑之后,消费电子领域创新进入平台期,基于CPU核心数、屏幕大小、分辨率、摄像头像素、轻薄度等配置经过前几年的白热化竞争后,开始出现性能过剩的隐忧,主流大厂开始把更多的精力转向新功能、新应用,试图带来更好的体验。

我们认为,在下一个重要创新(可能是穿戴式设备)上规模以前,基于MEMS的传感器、执行器将有望成为当前移动终端微创新的方向,而MEMS技术的成熟,还将大幅促进穿戴式设备的发展。

a)MEMS是当前移动终端微创新的方向:一方面新的设备形态(移动终端乃至穿戴式设备)需要更加微型化的器件和更为便捷的交互方式,另一方面,移动计算和移动互联技术给予MEMS系统在新型设备上应用的空间和前景。

b)MEMS为穿戴式设备奠定基础:穿戴式设备对MEMS的需求将更甚于移动终端,穿戴式设备的特性决定了它对器件的微型化和输入输出方式提出了更高要求;另一方面,根据应用领域的不同,穿戴式设备对环境、物体、以及人体自身需要保持感知状态。

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1.2应用领域不断延伸

MEMS传感器2007年伴随着iPhone开始大规模进入移动终端领域,包括惯性传感器——加速仪,陀螺仪、罗盘(屏幕导向和导航)、OIS摄像头陀螺仪等,MEMS麦克风也开始大规模替代传统的驻极体麦克风。苹果历代iPhone大大促进了惯性传感器、MEMS麦克风、近距感应、光线传感器等的迅速普及,且每一个新传感器的加入都对应着完整的体验,这也迅速完善了用户体验,培养了用户习惯。

因此,MEMS传感器在除移动终端外的市场也开始迅速铺开,包括游戏设备,可穿戴设备、智能电视、健康监控、汽车、LBS等等的应用。功能也在迅速增加,从惯性传感器、MEMS麦克风延伸到气压传感器、湿度、温度、RF开关、距离、灯光和微投传感器等,3个甚至4-5个传感器的整合也增强了MEMS传感器微型化、多功能化的步伐。

我们认为MEMS是未来几年增长潜力最大的电子元器件,室内导航、背景识别、关键词识别、全时开机、全时聆听、更准确的动作识别等功能都对MEMS提出新需求。

1.3移动终端——未来几年可能出现新型MEMS传感器

移动终端将是MEMS重要增长点,除了惯性传感器、MEMS麦克风、压力传感器的继续普及和组合化趋势外,气压传感器、摄像头光学防抖OIS陀螺仪渗透率也将快速提升。

此外,不少新型MEMS传感器有望在未来几年内出现在移动终端上,例如MEMS振荡器、开关、MEMS扬声器、气体传感器、MEMS摄像头、微投等。

预计2012-2018年移动终端上MEMS市场规模年均增速将达20%。压力/温湿度传感器、光学MEMS等增长最快。

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1.4可穿戴设备对MEMS需求数量也在不断增加

可穿戴设备中,不同的设备对应不同的互动和需求,因此也需要各种不同的传感器,例如惯性传感器,可以测量运动所需的时间,并以更高的精度测量相关数据。

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此外,可穿戴设备中功能性的持续提升,也在逐步增加可穿戴设备中MEMS传感器的需求数量,目前苹果、三星等公司在增加手机MEMS方面很积极:

1)第一代计步器只有加速计,只能做简单的计步和行走、跑步的识别;

2)第二代活动追踪仪有加速计和气压计,可以改善计步功能,卡路里消耗量计算等;

3)当前的第三代活动监视器有加速计、气压计和陀螺仪,可以识别跑步、游泳、汽车等复杂运动,并能够准确计算卡路里;

4)后续的第四代智能手表进一步增加温度、湿度和MEMS麦克风,除了复杂识别活动,还能够提供背景识别和个人助理的功能。

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2.MEMS市场多种应用齐头并进

2.1MEMS类型丰富多

MEMS具有体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点,MEMS系统的独特特性使之在很多领域具有应用潜力,尽管已经有不少应用,但整体来说MEMS市场仍处于起步阶段,大量的MEMS系统仍具备广阔的市场潜力。

MEMS按应用分主要包括传感器、执行器、微能源等:

传感器:MEMS传感器是目前应用较为成熟的MEMS器件,包括压力传感器(还可以通过压力传感器测量气压、高度)、惯性传感器(加速计、陀螺仪、地磁传感器,或二合一、三合一的组合)、MEMS麦克风、环境传感器(温湿度)、热辐射等。其中惯性传感器、MEMS麦克风几乎已经成为新型设备的标配,温湿度、压力等传感器在移动终端尤其是部分穿戴式设备上的应用也有望迅速铺开。

执行器:MEMS执行器也有部分较成熟的应用,如流量控制(喷墨头),射频器件里的BAW(体声波)滤波器、BAW双工器等,但未来大量的应用场景不止于此,例如MEMS振荡器/谐振器、MEMS扬声器、MEMS摄像头、MEMS反射镜(用于微投领域)等。

微能源:MEMS燃料电池能量密度高,用MEMS燃料电池代替目前的手机电池可使理论续航时间延长至数周,但目前成本高达300美金左右,还有很长一段路要走。

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2010年开始在MEMS麦克风、惯性传感器等带动下,MEMS市场开始进入快速成长期,2012-2018年CAGR将达13%。

其中组合惯性传感器(2011-2017CAGR67%)、微显示(93%)、MEMS振荡器(64%)等将呈现高速成长。

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2.2惯性传感器仍是重要市场,组合化成为趋势

惯性传感器包括加速计(测线性加速计)、陀螺仪(测角运动)、地磁传感器(测方向)。传统的单轴惯性传感器已经广泛用于汽车控制等领域,但直到2009年才出现三轴的MEMS惯性传感器,并开始应用在智能手机上,用于控制游戏或虚拟现实、晃动手机输入指令、运动信息追踪等。从此引爆MEMS惯性传感器市场。

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目前6轴/9轴(二合一、三合一)逐渐成为主流,而且下一代产品还会整合进压力传感器,未来越来越多的传感器的功能整合在一起是大趋势,集成度更高,能够实现更多功能,操作系统和应用层也会无缝对接,从单个的功能性传感器到组合性功能——检测运动和地理位置情况。

目前惯性传感器在移动终端整体渗透率已经达到一半左右,几乎成为标配,未来除了在移动终端继续渗透外,在穿戴式设备(手环、智能鞋等)上也极具前景。

全球消费领域惯性传感器市场规模将从2012年的17.6亿美元增长至2018年的29.9亿美元,其中分立惯性传感器可能面临衰退,而6轴/9轴的组合惯性传感器将迎来爆发。

2.3MEMS麦克风

Knowles、歌尔声学等引领了MEMS麦克风趋势,并在移动终端上大量取代传统的驻极体麦克风,高品质、抗干扰、微型化等优点使之在新型硬件上亦大有作为。出货量增长率从2012-2016年达24%。

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可穿戴设备需要麦克风来读取用户的语音信息,也需要音筒来输出设备的信号,除了简单的语音通话等功能外,事实上MEMS麦克风在语音识别、背景识别(搞清楚用户的状态)、关键词识别等应用上也非常符合未来的趋势。运动加上语音识别功能提供的Always-onalwayslisten(全时开机、全时倾听)的体验。可以一直保持开机状态,随时随地使用这些功能。这些功能将在手机和可穿戴上面很快获得应用。

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2.4光学防抖、自动对焦

对智能手机用户来说,摄像头的一大需求是成像稳定,尽管目前摄像头像素越来越高,但在低光条件下容易出现曝光不足、成像模糊等问题。OIS陀螺仪能够实现成像稳定,在不太理想的拍照环境下拍出高质量的照片。iPhone6摄像头新增OIS光学防抖功能,很可能将引领光学防抖趋势。

出高质量的照片。iPhone6摄像头新增OIS光学防抖功能,很可能将引领光学防抖趋势。

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MEMS自动对焦

MEMS自动对焦可修正物距的偏差以及温度对透镜造成的偏差,其中的自动对焦装置使用静电力来精确定位并移动透镜进行对焦,以获得最佳的定位精确度和可重复性。自动对焦装置的机械接口使镜筒与移动中的透镜能精确对齐。

MEMS自动对焦模块具有MEMS技术的性能优势,集成度更高,对焦速度更快,对焦更准确、功耗也要低的多。对焦速度显著加快,比常规VCM镜头至少快上7倍;功耗仅为VCM镜头的1%。

此外,MEMS镜头模块的z轴高度仅为5.1mm,比常规VCM模块减少33%。MEMS技术还可以让镜头组件以低温运行,和常规镜头相比,MEMS镜头可以降低20%的散热量,温度至少低10度,温度的控制对于提高照片画质的稳定性很有帮助。

3.看好MEMS应用外延和先进封装机会

3.1MEMS市场应用周期缩短,产业链从IDM走向分工

MEMS器件制造过程可分为MEMS的制造、封装、测试、减薄、切割,ASIC的制造、测试、减薄、切割,MEMS和ASIC芯片封装等环节,产业链较复杂。而以往MEMS下游应用分散,难以形成规模效应,因此MEMS产业主要由垂直一体化的IDM掌控。

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而随着MEMS技术逐步迈向成熟,以及新型设备(移动终端、穿戴式设备)催生的大量需求,MEMS器件从研发到商业化的周期越来越短,从商业化到大规模应用的周期也在逐渐缩短。

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近年来MEMS产业的起步使MEMS各环节开始出现分工的趋势,尤其是楼氏电子(MEMS麦克风)、InvenSense(惯性传感器)、Sitime(MEMS谐振器)等无晶圆设计公司的兴起给专业的晶圆厂和封测厂带来了机会。

楼氏电子、InvenSense等已经跻身全球MEMS领域前30大厂商,目前过半的MEMS业务仍然在IDM手里,但大批量、标准化之后走向分工将成为趋势。

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3.2制造环节升级、先进封装受益

MEMS的兴起除了促进分工提升效率和降低成本外,还将促使专业晶圆制造厂商采用更先进制程和更大晶圆来生产:

目前主流MEMS厂商采用6寸晶圆的65nm工艺生产MEMS,而IC的先进制程已经到了12寸晶圆14nm(英特尔)、20nm(台积电)。目前厂商已经逐步在采用8寸晶圆生产MEMS,制程也可望提升,先进制程的导入将快速推进MEMS性能进一步提升,并继续降低功耗、成本、尺寸等,有利于MEMS市场的进一步爆发。

对封装环节来说,随着可穿戴设备等新型硬件对MEMS系统功耗、体积等要求的进一步提高,封装工艺的需求也将持续提升,因此能显著降低尺寸和成本的先进封装(尤其是适用于MEMS芯片的3D晶圆级封装)将持续受益。

MEMS封装不同于传统封装,未来3D晶圆级封装、BGA/LGA封装可能将最具潜力:

MEMS的封装不同于传统封装方式,因为MEMS封装涉及到材料、电、机械等部件,需要在一个毫米或微米级别的MEMS系统里具备精确而完整的电气、机械、化学、光学等特性。

a)特殊的信号界面(包括电、光、磁、机械力、温度等多种输入信号)

b)特殊的封装材料:封装材料的热膨胀系数、热、电、抗腐蚀特性、机械应力等都需要考虑到;

c)特殊的立体结构:非平面工艺、胶体、悬梁、薄膜等

d)特殊的芯片钝化需求

e)特殊的可靠性需求:MEMS的本质是机械运动,所以芯片保护首先要考虑机械振动、加速度及避免各种物理损伤,

目前MEMS封装主要有陶瓷封装、引线框封装、球栅/栅格阵列封装、晶圆级封装等方案,其中陶瓷、引线框封装不适合微型化器件,未来将保持平稳,BGA/LGA是当前主流,未来也将保持较快增长,晶圆级封装具有大批量、微型化等优点,可能迎来快速增长。

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未来3D晶圆级封装(TSV等)还有望将MEMS和ASIC整合在一起,从而进一步提升效率和缩减尺寸。2012-2016年MEMS晶圆级封装年均增速将达37%,BGA/LGA也将保持在16%的水平。

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例如Invensense采用3D晶圆级封装把MEMS和ASIC两个芯片直接连接而不用通过金线,既实现更小的体积,更优的性能,在生产环节也提高了效率、降低了成本。

3.3建议重点关注歌尔、晶方、华天

歌尔声学是国内MEMS领域积累较为深厚的公司,通过为苹果耳机等供应MEMS麦克风,已经成为全球MEMS麦克风主要的封装和应用公司,除了有望受益于MEMS麦克风的推广外,单台设备配备的MEMS麦克风也呈上升趋势。

此外,歌尔声学还将有望受益于MEMS系统功能和应用的外延,例如iPhone6上首次搭载气压传感器,有望带动气压传感器成为趋势。公司的气压传感器也已获得突破,未来将有望受益于这一趋势。

在MEMS先进封装趋势下,我们建议关注晶方科技、华天科技的WLCSP/TSV技术,有望成为MEMS封装工艺中增长较快的一类。另外环旭电子(601231,未评级)的SiP封装也适用于后段异质整合。

4.风险提示

MEMS市场应用不及预期风险:

我们看好MEMS的应用从惯性传感器、MEMS麦克风等向气压、温度传感器、OIS防抖、自动对焦等迅速延伸,但也存在无法触及用户痛点、市场反响不及预期风险。

竞争加剧风险

MEMS市场目前整体处于上升阶段,但部分市场(如单轴惯性传感器)市场竞争有越来越激烈的趋势。

作者:东方证券 蒯剑 胡誉镜

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责任编辑:穆磊