意法半导体全球副总裁Benedetto Vigna
飞机部件嵌入消费电子
1995年的一天,刚加入ST一个月的Benedetto Vigna先生被老板问及是否对MEMS传感器感兴趣?“是的。” Vigna说,“不过,什么是MEMS?”对此,他的老板也只能拼出“Micro Electro Mechanical Systems(微电子机械系统)”几个字,并告诉他这个产品能够利用微米级的旧工艺,而不是纳米级的先进工艺。
于是高能物理学出身的Vigna自学起相关技术。一年后,鉴于欧洲业界对MEMS研究的不足,Vigna去了美国加州大学伯克利分校学习MEMS,并在当地企业做研究。之后他回到ST,领导MEMS项目。
在ST介入之前,MEMS传感器已存在了20多年,主要用于飞机、汽车这类用量较小的市场。或许受ST在消费电子市场成功基因的影响(ST是诺基亚主要的元器件供应商),2001年,Vigna突然有了一个想法:能否把MEMS带入大宗消费电子市场?不过,要想打开这个市场,他们面临的挑战可不小。当时用于检测飞机飞行姿态的传感器有砖头大小,要卖到3万美元,功耗很高;用于汽车安全气囊检测撞击的传感器,比一部智能手机要厚,而且功能简单,只能检测两个方向的运动。这样的状况与消费电子市场对成本、体积、功耗和性价比的苛刻要求相比,还有巨大差距。
Vigna先从相对简单的三轴加速度传感器入手。消费电子市场的敲门砖是价格。2005年3月,当Vigna第一次与正准备给Wii游戏机游戏杆引入全新交互方式的任天堂负责人会面时,对方开门见山地问他:“这是我们需要的价格,你能提供还是不能?”零部件供应商一般不愿听到这个问题,但这就是消费电子市场的现实。Vigna后来总结说:“在消费电子市场,每当一个重要机会到来之前或每次面对一个重量级客户,价格问题都会被问及。如果拒绝它,你就等于放弃了一个推动大市场的机会。”
由于当时的加速度传感器技术还做不到任天堂要求的价格,只能在技术上另辟蹊径。彼时,3家日本企业占据着全球加速度传感器市场的绝大部分份额,但他们采用的都是传统压电技术,这种技术有3个缺陷,例如,温度变化对传感器的参数影响很大,这意味着,当传感器被放入一部智能手机中,手机开启后,随着温度升高,传感器的测量会不准确;同时,压电技术生产起来很难,这让产品成本居高不下;而且它的制造过程复杂,不适合大宗消费电子市场瞬间起量的快速供应节奏。
于是,ST着手开发一种完全不同的技术。在加速度传感器中,有一个振动结构和一个检测放大信号的模块结构,这两个结构被封装在一起,就成了一颗传感器。ST想到了基于目前全球最大用量的CMOS工艺 (互补金属氧化物半导体工艺)研发改良了Thelma工艺来制造振动部分,它可以从半导体规模经济中受惠,成本低廉,也可以像其他半导体产品那样持续快速缩小体积、降低成本和功耗。同时,ST还开发了一种名为Smeraldo/TSV的过孔封装技术,它让封装手法变得灵活,可以把产品做得更小更薄。
技术革新让ST能够提供一种价格体系完全不同的传感器。2007年,一家参与任天堂竞标项目的日本企业回顾说,他们没有获得本国企业任天堂订单的原因是ST给出了“出人意料的价格”。不过,Vigna说,最根本的原因是专利技术,“技术可以改变竞争格局”。如今,ST已在传感器上积累了600多个专利技术,其中很多是业界独有,而固守老技术的3家日本企业市场份额仅剩下20%。
借助半导体行业的摩尔定律——每18个月,芯片面积下降一半,价格下降一半,加速度传感器已从Wii游戏机时代的3美元降到如今的0.3美元,面积已从35平方毫米(5X7)缩减到4平方毫米(2X2);功耗也从毫安级降到微安级。这不仅支撑起Wii游戏机在全球100亿美元的销售,也被更广泛的电子产品,如iPhone、iPad等采纳。
不过,拿下消费电子市场的多种订单,就要考虑与之相匹配的供应能力。在消费电子市场,一个客户周一拿到样片,周五可能就要求给他供货;一个市场一旦起量,需求可能在瞬间井喷。如果不能保质保量地快速供货,客户就飞了,而一旦失去一个机会,可能就要再等上6到12个月。为了适应这个市场的供应特点,早在 2005年,当业界都还在用6英寸晶圆生产传感器的振动部分时,ST 就做了一个大胆的决定——把晶圆厂从6英寸升级到8英寸,这样,生产芯片的原材料面积扩大了,可以一次产出更多的芯片。同时,ST还决定在公司内部运营整个传感器产业链——自己做研发、设计、制造、封装、测试和应用算法,从而能更准确无误地响应客户快速多变的需求。
而消费电子市场还有一个特点是快速的更新换代步伐。毕竟,在这个市场中,每种产品的热销期都很短暂,一部手机的平均生命周期也只有15个月,你需要不断推陈出新。 2010年ST推出三轴陀螺仪,同年上市的苹果iPhone4就植入了这颗陀螺仪,它让苹果手机成为导航仪,可以玩3D游戏,甚至可以作为建筑行业的水平仪。之后,ST推出压力传感器、地磁传感器(指北功能)和数字硅麦克风。数字硅麦克风比起传统有振动膜的麦克风尺寸更小,不受温度、振动等环境因素影响,因而苹果等智能手机都采用了这种麦克风。这些传感器可以相互搭配组合,给消费电子提供更多神奇功能。ST成为产品最丰富,能够提供功能模块最多的MEMS传感器企业。
在过去5年, ST的传感器业务从2006年的区区3000万美元增长到去年的6.5亿美元,增长了20多倍。去年,全球MEMS传感器业务增长4.2亿美元,ST从中拿到了3亿多美元。在加速度传感器和陀螺仪市场,ST分别占据50%和60%的市场份额。与此同时,10年前开始领导ST传感器业务的Vigna先生,也晋升为ST副总裁。
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