消費性電子/通訊應用搖旗吶喊
MEMS加速度計大行其道

隨著諾基亞(Nokia)、蘋果(Apple)與宏達電等大廠，不約而同內建微機電系統(MEMS)元件於近期的智慧型手機中，以突顯相關應用功能的創新，讓微機電系統感測器之市場熱度急速升溫。不僅加速度計(Accelerometer)已成智慧型手機基本配備，就連陀螺儀(Gyroscope)、壓力計、高度計，甚至電子羅盤(E-compass)(圖1)等感測器亦成為提高手機附加價值不可或缺的關鍵元件。而市調機構BCC Research也預估，微機電系統感測器在2013年的銷售金額將達64億美元，年複合成長率更逼近20%，其蓬勃成長的原因，正是加速度計、陀螺儀等微機電系統元件的豐富應用。

資料來源：蘋果 圖1　蘋果iPhone雖不是第一支內建重力感測與電子羅盤的手機終端產品，卻是將MEMS感測元件推升至高峰的關鍵角色。

面對微機電系統感測器誘人的市場大餅，除既有供應商如飛思卡爾(Freescale)、意法半導體(ST)、亞德諾(ADI)與博世(Bosch)持續加碼投資外，日前晶圓代工龍頭台積電亦宣布將於2010年全力搶攻微機電系統代工服務，將有助產品成本快速下滑並吸引更多業者加入戰局，讓微機電系統感測器市場戰況格外緊繃。  

應用領域無遠弗屆　MEMS商機太誘人  

根據iSuppli的預期，儘管整體電子產業下滑，但2009年用於消費性電子與通訊產品的微機電系統仍將增長6.4%，營收達到12.4億美元，較2008年時的11.7億美元為高。相較2009年整體半導體市場預計下滑23%，消費性電子與無線設備市場分別下降8.2%和13.1%，都是頗為鮮明的對比。其中，加速度計與陀螺儀正是帶動整體市場成長的主力。  

汽車電子為MEMS應用始祖  

如果翻開微機電系統的演進歷史將可發現，微機電系統最早的應用環境，多屬車輛中內建的應用(圖2)。尤其針對車輛追求高度安全性的應用，透過微機電系統打造的重力感測器，亦即加速度計，除最常見於汽車的安全氣囊系統上，也可應用於其他非安全性設備應用如汽車警報器、跟蹤和監控系統、黑盒子系統、座椅控制、導航支援和天線定位等。因此，目前仍以汽車為最大應用市場，在2008年仍占四成以上。

資料來源：意法半導體 圖2　在車輛中搭載重力感測器，有助於在車輛翻覆或墜落時打開安全氣囊或其他安全裝置，進而保護車內駕駛與乘客。

不過，雖然2008年手機、遊戲機於加速度計之占比僅10.4%，但預期未來成長動能可觀，因此吸引眾多業者投入。  

手機成最大潛力市場  

iSuppli分析，加速度計市場之所以能夠快速增長，正是因為在手機及遊戲機市場獲得廣泛的採用。而低重力加速度感測器大量普及，更在於自2008年開始跌破1美元。因此，iSuppli預期價格未來還將大幅下滑，並從高階智慧手機往下普及到一般手機皆可配備的程度。  

而如果仔細分析近期之熱門手機更可發現，加速度計所帶來的熱潮，已席捲整個市場。iSuppli預估，2010年出貨的手機中，將有三分之一加入此類元件，較2009年的五分之一更為普及。而以每年出貨逾十億支的比例來看，手機無疑是最大的潛力市場。  

遊戲機打破玩樂魔咒  

事實上，除了手機以外，其他多項消費性電子也同為微機電系統感測器的應用範圍，而遊戲機更是一大顯例。舉例來說，任天堂(Nintendo)的Wii甫問世就掀起全球熱潮，進而引起全球對加速度計在消費性電子應用的矚目。Wii由於採用體感式操作方式，打破過去十字按鍵或搖桿的限制，因而風靡遊戲界。  

iSuppli微機電系統首席分析師Jeremie Bouchaud表示，如果回顧歷史將可發現，微機電系統在1990年一直到2006年，始終未曾真正步入電玩或消費性電子市場。然而，隨著Wii石破天驚的問世，也直接衝擊了相關市場，促成微機電系統感測器於電玩領域蓬勃發展。相關產值從2006年的2,810萬美元可望在2012年成長到2億4,000萬美元。而Wii的絕佳表現，也讓業界體認到遊戲不但不是壞事，甚至還是龐大商機的來源。  

終端應用無遠弗屆  

除了手機與遊戲機之外，其他包括數位相機、可攜式導航裝置(PND)與筆記型電腦等終端裝置，也都是相當看好的應用(圖3)。

資料來源：意法半導體 圖3　MEMS動作感測器之應用領

意法半導體技術行銷經理郁正德(圖4)指出，微機電系統感測器的應用極為多元，是帶動相關市場升溫的最大原因。他指出，微機電系統加速度計就應用在不少筆記型電腦中。

圖4　意法半導體技術行銷經理郁正德認為，重力感測器的應用極為多元，是推升相關元件起飛的關鍵因素，而該公司之產品亦符合各式應用。

目前部分筆記型電腦為了保護硬碟，紛紛加裝重力感測裝置，當筆記型電腦因為外力撞擊或是墜落時，重力感測器可感應到重力之改變，而在極短時間內關閉硬碟，以免珍貴內容損毀。

而當重力感測器安裝在數位相機或是數位攝錄影機上時，也就搖身一變成為防手震的最佳守門員，透過精準的重力感測，為使用者調整最適合的光圈與快門，避免拍出模糊不清的照片或影片。而導航裝置的普及，也促成了相關元件的成熟。 諸如稍早時國內工研院研發出慣性感測元件，可透過加速度與角速度的判定，進而協助駕駛在缺乏全球衛星定位系統(GPS)訊號時仍能完成軌跡定位。其他如白色家電、工業機具等，也可搭載重力感測器，提供震動警報等。  

MEMS代工戰火熾烈製程選擇難分勝負  

微機電系統市場紅不讓，自然吸引眾多業者投入。不過在今年8月台積電大動作表態進軍此領域後，不同製程的陣營之爭又再浮上檯面。  

根據市場研究機構Yole Developpement的報告指出，目前全球至少擁有超過五十家公司正在提供微機電系統代工服務，導致此領域競爭極為激烈，而業者們也因此而極為分散，並依各自優勢獲得客戶青睞。  

Yole的報告顯示，雖然大型微機電系統代工廠逐漸升級到8吋晶圓製程，但新加入的代工廠商，由於多半來自傳統半導體產業，並挾標準化製程而來，因此刺激兩大陣營間的競爭態勢愈趨白熱化。而國內台積電與亞太優勢的對壘，更是近期熱門話題。  

台積電以CMOS進軍MEMS  

台積電則表示，該公司歷經多年鴨子划水，終於可推出微機電系統製程，並以互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程生產完整MEMS產品。  

據悉，台積電此次進軍微機電系統市場，迥異於過去由傳統晶圓代工廠、微機電系統代工廠分工合作的模式，而是由台積電一肩挑起邏輯晶片到微機電系統晶片的流程，並全由CMOS製程完成。一般認為，此作法可省去邏輯晶片與微機電系統晶片的交接時間，亦能為客戶省下微機電系統的代工費用。業界分析，採用台積電新的微機電系統製程，可為客戶節省一半以上的製造成本，並對微機電系統專業代工廠商帶來嚴重衝擊。  

台積電目前已能提供多種標準製程模組(Process Module)如蝕刻模組、掏空模組等，而微機電系統客戶僅須提供相關產品設計，其他所有工作全可交由台積電完成。台積電在CMOS的長處如縮小晶片線寬亦可用於發展微機電系統製程，提供更加精細之機械結構。因此，台積電同時可提供CMOS與微機電系統代工服務之特色，也是其最大優勢所在。  

微機電系統難標準化  

不過，看在已投身微機電系統領域近10年的微機電系統代工業者眼裡，台積電的策略並非是最佳解決 方案。  

圖5　亞太優勢榮譽董事長暨創辦人林敏雄表示，CMOS MEMS雖然有其優勢，但是無法標準化的微機電系統，將會是此類代工廠商的最大隱憂。

亞太優勢榮譽董事長暨創辦人林敏雄(圖5)指出，相較於將邏輯晶片與微機電系統晶片分工進行，全數採用CMOS製程的業者，忽略了微機電系統最原始的核心原則--系統設計差異大。  

林敏雄分析，不同於一般所熟知的矽晶片設計，微機電系統設計牽扯了許多機械理念，再加上微機電系統的終端應用頗為不同，實際上根本無法達到「標準化」，更遑論期待透過CMOS之標準製程達到「大量生產、降低成本」的目標。  

成立於2001年的亞太優勢，是國內最早投身微機電系統的業者之一。而該公司至今仍採用雙晶片(Two-chip)的設計模式，就是因為不認同CMOS標準製程可實現於微機電系統應用上。亞太優勢選擇的雙晶片模式，即為由CMOS晶圓代工廠完成邏輯晶片後，再由微機電系統代工廠商接手。  

在2006年獲得聯電集團轉投資的亞太優勢，今日在業界的布局模式為由聯電替客戶以CMOS製程完成初步晶片後，再委由亞太優勢以專業微機電系統角度打造最終產品，與台積電全數一手包辦的做法有所不同。兩種製程之比較如表1。

表1　半導體與MEMS製程技術比較
製程技術		半導體	MEMS
相似處	製造技術與製程演進趨勢	採用光微影技術，必朝向微型化、高效能、低成本與提高量產能力發展。
	製造材料型態	單晶矽或多晶矽材料
	各製程之關聯性開發設計所需	各製程可獨立分工。	各製程關係緊密，分工不易。
相異處	具備之知識	須具備電子回路專業知識。	需具備機械、電子、光學、物理及熟悉材料特性等多種專業知識。
	製造設備	標準的晶圓生產設備，可集中生產。	根據產品材料與應用需求不同，而有不同的生產設備。
	封裝與測試技術	晶圓封測可採標準化，並可行晶圓級測試。	MEMS根據產品應用需求而有不同的封裝技術與測試要求，必須封裝之後才能測試。
	產品量產形式	多為標準品，可大量產。	多為特製品，種類多，少量生產。

 

博世/Akustica聯姻　進軍CMOS MEMS戰場

除了台積電以外，另有博世(Bosch)看好CMOS與微機電系統結合的優勢。市調機構Information Network認為，博世收購微機電系統麥克風廠商Akustica，正是為了CMOS微機電系統技術。

Information Network總裁Robert Castellano分析，與其他現有微機電系統麥克風業者的作法不同，Akustica將麥克風薄膜及其他微機電系統結構與數位訊號處理電路整合在同一晶片上，有助於簡化微機電系統之設計與製造，而博世也正因為看上這一點，才於2009年8月購併Akustica。現有其他微機電麥克風廠商多先將微機電系統晶片與訊號處理晶片分開製造，然後以多晶片方式進行封裝。  

業界分析，博世購併Akustica並非為了進軍麥克風市場，而是為了強化自身在CMOS與微機電系統整合的能力，有助於鞏固車用加速度感測器產品的出貨與 量產。  

MEMS大戰刺激半導體設備演進  

微機電系統代工廠商的大戰，不但刺激專業技術的進展，同時帶動相關設備的成長。如Yole Developpement認為，雖然微機電系統設備與材料市場在2009～2010年表現不會太突出，但為了因應2011年的大幅成長，微機電系統設備相關業者之研發活動仍相當積極。一般預期，微機電系統設備市場規模在2012年可達5億美元。  

事實上，隨著CMOS陣營日益強大，也對微機電系統設備帶來不少變化。如微機電系統之量產方式向來極為客製化，單一產品採用的製程及封裝模式與其他產品皆頗為不同；但在CMOS陣營挾標準化製程來襲之際，不少廠商與研發機構已紛紛推出標準化的微機電系統量產製程模組，其中包括Silex與CEA-Leti都是一例。而再加上矽晶圓穿孔(TSV)帶來的3D IC製程，也可望提升蝕刻技術，進而加速微機電系統之成熟。其他標準化製造技術還包括緊密接合(Hermetic Bonding)與矽薄膜(Si Membrane)等，也都有助微機電系統之發展。  

不少業者預期，未來此類以CMOS為主之開放式晶圓代工廠將持續擴張，並進而侵蝕專業微機電系統代工廠之市場。  

無論如何，在諸多業者的抬轎下，微機電系統未來成長態勢更是有增無減；其可應用在多元終端的特性，更讓相關商機擁有無限的想像空間。