系列专题|智能传感器产业专利导航系列第10期:关键核心技术看产业发展方向

发展现状:

MEMS 传感器即微机电系统，是采用微电子和微机械技术工艺制造出来的微型传感器。MEMS 传感器种类繁多，也是使用最广泛的 MEMS 产品。MEMS 传感器通过微传感元件和传输单元，可将输入的信号转换，并导出另一种可监测信号。与传统工艺制造的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。

MEMS 传感器是信息获取和交互的关键器件。近年来随着物联网、人工智能和 5G 等新兴技术的快速发展，MEMS 新产品不断涌现、新功能不断开发、新应用场景不断拓展。同时设备智能化程度的不断提升，将使得单个设备中搭载的 MEMS 传感器数量逐步增加，从而带动行业规模快速增长。

虽然国内 MEMS 行业近年来快速发展，无论在产业技术进步上，还是在产业规模扩张上都得到了快速提升，产业政策环境持续改善，但由于 MEMS 传感器产业在国内起步较晚，发展时间较短，尚未形成产业聚集效应，加之行业基础较为薄弱，在人才储备、技术积累、产业规模、工艺配套等方面有所滞后，与国外的领先企业相比仍存在较大差距。在 MEMS 行业面临全球范围内充分竞争的背景下，国内 MEMS 企业资本实力相对较弱，研发实力与创新能力亟需进一步提升。

技术浪潮是 MEMS 需求的最大推动力。过去主要经历了两拨大的技术浪潮，分别是汽车和以智能手机为首的消费电子浪潮，根据 IHS 早期的数据我们可以看到，在消费电子浪潮来临之前，整个 MEMS 市场规模增长趋于停滞，但消费电子浪潮的出现为整体市场带来了巨大的成长动能，消费电子 MEMS 市场规模 2010-2019 年 CAGR 达到了 16%。物联网的产业架构可以分为四层：感知层、传输层、平台层和应用层，MEMS 器件是物联网感知层重要组成部分。物联网的发展带动智能终端设备普及，推动 MEMS 需求放量。

表  1 国内主要 MEMS 上市公司产品类别情况

国内政策大力推动 MEMS 产业发展，国家政策大力支持传感器发展，国内 MEMS 企业拥有优质发展环境。我国政府高度重视 MEMS 和传感器技术发展，在 2017 年工信部出台的《智能传感器产业三年行动指南（2017-2019）》中，明确指出要着力突破硅基 MEMS加工技术、MEMS 与互补金属氧化物半导体（CMOS）集成、非硅模块化集成等工艺技术，推动发展器件级、晶圆级 MEMS 封装和系统级测试技术。国家政策高度支持 MEMS 制造企业研发创新，政策驱动下，国内 MEMS 制造企业获得发展良机。

专利技术布局 

我国MEMS 传感器技术的相关研发自2018 年开始进入技术成长期，呈快速增长趋势，且 2019 年开始，中国 MEMS 传感器技术的专利增长速度明显高于全球 MEMS 传感器技术专利增长速度。

截至 2023 年 12 月底，MEMS 传感器细分领域的全球专利申请量有 38775 件，中国专利申请量共有 13809 件。从申请趋势看，我国 MEMS 传感器技术的相关研发自 2018 年开始进入技术成长期，专利申请量呈现出逐年快速增长的趋势，且 2018 年开始，中国 MEMS传感器技术的专利增长速度明显高于全球 MEMS 传感器技术专利增长速度。

图 1 MEMS 传感器专利申请量趋势（单位：件）

从国内 31 省市和海外来华专利布局对比情况看，国内专利申请数量明显高于海外来华专利申请数量，自 2019 年开始拉大差距，我国 MEMS 传感器技术的研发力度加大。

图 2 国内 31 省市与海外来华在中国的专利布局对比情况（单位：件）

全球 MEMS 传感器技术的专利申请主要分布在中国、美国、日本等国家，其中，中国居首，美国次之，日本第三。国内沿海地区在 MEMS 传感器领域专利布局比较多，主要集中于江苏省、北京市、山东省、上海市、广东省等省市，江苏省排名第一。

从申请人地域分布来看，全球 MEMS 传感器领域的专利申请主要分布在中国、美国、日本等国家。目前，中国居首，专利申请量为 13809 件，占全球专利申请量的 33.76%，主要申请人有台积电、歌尔微电子、瑞声声学、敏芯微电子和中芯国际等。美国次之，专利申请量为 9240 件，占全球专利申请量的 23.83%，主要申请人有霍尼韦尔、因文森斯、亚德诺半导体、英特尔、楼氏电子等；日本第三，专利申请量为 2737 件，占全球专利申请量的 7.06%，主要申请人有精工爱普生、村田制作所、电装、TDK 等

图 3 主要目标市场地域分布

图 4 各省专利申请排名

中国 MEMS 传感器领域的专利申请主要集中于江苏省（2345 件）、北京市（1304 件）、山东省（1099 件）、上海市（1054 件）、广东省（901 件）等省市，其余省市的专利量均低于 900 件。其中，江苏省累计专利量为 2345 件，排名全国第一主要申请人有苏州敏芯微电子、无锡华润上华科技和瑞声声学(南京)公司。北京市累计专利量为 1304 件，排名全国第二，主要申请人有京东方科技集团、北京时代民芯科技、北京微电子技术。山东省累计专利量为 1099 件，排名全国第三，主要申请人有歌尔微电子、共达电声、芯笙微纳电子。国内沿海地区在 MEMS 传感器领域专利布局比较多，研发投入比较大。

中国 MEMS 传感器领域专利申请人以企业为主，高校次之，排名前五申请人有歌尔微电子、意法半导体、东南大学、瑞声声学和中北大学。在协同创新合作中，可以优先考虑清华大学以及西安交通大学。

图 5 中国专利申请排名

从 MEMS 传感器领域专利申请人分布来看，以企业为主，高校次之。其中，排名靠前的申请人中，有 2 位海外申请人，意法半导体以及罗伯特博世，分别排名第二和第九。排名前五的申请人分别为歌尔微电子、意法半导体、东南大学、瑞声声学和中北大学，专利申请量分别为 507 件、355 件、340 件、233 件和 209 件。

从申请人合作情况来看，主要涉及企业与高校之间的技术合作，其中清华大学以及西安交通大学是 MEMS 传感器技术方面进行技术合作活动的主要创新主体，这两所大学与不同的企业、高校进行协同创新，暂无固定合作对象。建议在协同创新合作中，可以优先考虑清华大学以及西安交通大学。

图 6 中国申请人合作情况

发展现状

传感器封装技术是传感器行业中不可或缺的一部分，其稳定性和可靠性对于传感器的工作效果具有重要的影响。传感器封装技术发展迅速，不断涌现出新的封装方式和材料。目前，先进封装领域已经涌现出了多种重要的技术。其中，基于硅通孔的三维封装技术，可以用于高性能处理器和存储器集成、三维芯片堆叠以及 CMOS 图像传感器的封装集成，具有广阔的应用前景。另外，三维扇出型封装技术也备受关注，具有广泛的应用潜力。

先进封装是采用键合互联并利用封装基板来实现的封装技术，应用先进的设计思路和集成工艺，对芯片进行封装级重构，并能有效提升系统的高功能密度的封装，主要技术有：

以减少芯片整体尺寸降低芯片厚的倒装（FC，Flip chip）；

以小球形导电材料实现芯片与基板间电气互联的凸块（Bumping）；

以提高芯片有效面积的芯片尺寸封装（CSP）；

以减少制造环节和提高生产效率的晶圆级封装（WLP，Wafer level packaging，含扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）；

以提高集成度及开发成本的系统级封装（SiP，System In a Package）；

以实现更精细的线路与空间利用的 2.5D 封装（interposer，RDL 等）；

以提高电路拓展芯片规模和扩展电路功能的多芯片三维立体 3D 封装等。

利用先进封装技术，可以将不同尺寸、不同制程、不同材料的芯片集成异构封装，使其在一定的封装面积下获得更快高更性能。即使芯片制造工艺落后，只要掌握先进封装技术，依旧有机会使产品达到高工艺芯片程度，对中国芯片尤为重要，28、14 纳米可与 7、5 纳米芯片同场竞技，解决无芯可用的燃眉之急。

随着半导体行业设计、生产、封测的产业链精细化分工，先进封装与前道后道工艺深度融合。前、后道的头部厂商凭借各自优势入局，成为先进封装行业的主力军，其中，前道主要有台积电、三星、英特尔，后道主要有长电科技、日月光、安靠等。

先进封装技术的发展前景极为广阔。根据调研机构 Yole 的数据，2020 年至 2026年，先进封装市场复合年增长率约为 7.9%，几乎是传统封装市场预期增长率(2.2%)的三倍。以长电科技为例，先进封装的均价是传统封装均价的 10 倍以上，且倍数在持续加大。2021 年的营收中，先进封装收入占比更是达到 60%。

未来，先进封装技术在整个封装市场的占比将进一步提升。3D、扇形封装（FOLWLP/PLP）、微间距焊接技术、系统级封装（SIP）以更高级的互联技术将成为延续摩尔定律的重要途径。

国内先进封装技术创新由三巨头持续引领。比如长电科技在 SiP 封装、2.5D、3D封装的研制实力不容小觑，华天科技则在 WLCSP、TSV、Bumping、Fan-out、FC 等多个技术不断加大研发投入与产出，通富微电则拥有 Bumping、WLCSP、FC、BGA、SiP 等先进封测技术，并在 2D、2.5D 封装技术研发上取得突破。

以长电科技、通富微电、华天科技为代表的封测企业推动着国内先进封装技术的创新，使我国的先进封装技术已达到国际领先水平，一方面推动 Bumping、Flip-chip、TSV、 3D/2.5D 封装技术产业成熟，另一方面扩展 BGA、PGA、WLP、CSP、MCM 和 SiP 等高端先进封装形式的产能规模。

在 2021 年的时候，长电科技、通富微电、华天科技均已宣告自己具备 5nm 的芯片封测能力。而下一步将向 4nm、3nm 节点推进，这无疑为处在风口浪尖的中国芯制造了喘息的机会。

虽然国内目前在先进制程技术上与 Intel、TSMC、Samsung 等厂商存在一定差距，但是异军突起的 Chiplet 方案为国内芯片制造业提供了弯道超车机会。国内企业通富微电、长电科技、华天科技积极布局 Chiplet 封装技术，正与国际大厂同场竞争。同时，不可忽略在顶级封测技术上，我国还需攻关核心技术，需要通过技术突破在高端产品市场中抢占一席之地。

《深圳市培育发展智能传感器产业集群行动计划(2022-2025 年)》(以下简称《计划》)指出，深圳聚焦智能传感器设计、制造、封测、装备材料等环节，加快新型传感器材料、 CMOS-MEMS 集成技术、先进封装工艺等核心技术攻关，支持南山、龙华、光明等区建设集聚区，打造全要素完备的智能传感器产业集群。

深圳市培育发展智能传感器产业集群主要存在问题包括核心制造产能缺失，无法满足企业多种智能传感器产品制造、封装、测试需求。

深圳市的重点任务，致力于打造全产业链核心技术能力。完善封装测试产业链配套，支持先进封装技术研发和产业化。

专利技术布局 

我国传感器封装技术的专利申请趋势与全球传感器封装技术的专利申请趋势基本一致，呈波动性变化，于 2020 年达到最高峰。2017 年全球以及中国传感器封装技术的专利申请量明显大幅度增长，主要因为三星、OPPO、同欣电子、格科微电子、中北大学等申请人在 2017 年进行了大量的专利布局。

截至 2023 年 12 月底，传感器封装领域的全球专利申请量共有 17479 件，中国专利申请量共有 7389 件。从申请趋势看，我国传感器封装技术的专利申请趋势与全球传感器封装技术的专利申请趋势基本一致，呈波动性变化，于 2020 年达到最高峰。值得注意的是，2017 年全球以及中国传感器封装技术的专利申请量明显大幅度增长，主要因为三星、OPPO、同欣电子、格科微电子、中北大学等申请人在 2017 年进行了大量的专利布局。

图 7 传感器封装领域专利申请量趋势（单位：件）

从国内 31 省市和海外来华专利布局对比情况看，国内专利申请量明显高于海外来华专利申请量，自 2016 年开始拉大差距，我国对传感器封装技术的研发力度加大。

图 8 国内 31 省市与海外来华在中国的专利布局对比情况（单位：件）

全球传感器封装领域的专利申请主要分布在中国、美国、日本等国家，其中，中国居首，美国次之，日本第三。国内沿海地区在传感器封装领域专利布局比较多，主要集中于江苏省、广东省、上海市、山东省等省市，江苏省排名第一。

全球传感器封装领域的专利申请主要分布在中国、美国、日本等国家。中国排名第一，专利申请量为 7389 件，占全球专利申请量的 42.27%，主要申请人有歌尔微电子、台湾积体电路、同欣电子、多维科技、敏芯微电子等。美国排名第二，专利申请量为 3053件，占全球专利申请量的 17.47%，主要申请人有英飞凌科技、霍尼韦尔、恩智浦等。日本排名第三，专利申请量为 1860 件，占全球专利申请量的 10.64%，主要申请人有电装、三菱、精工爱普生等。

图 10 各省专利申请排名

中国传感器封装领域的专利申请主要集中于江苏省（1298 件）、广东省（882 件）、上海市（532 件）、山东省（519 件）等省市，其余省市的专利量均低于 500 件。其中，江苏省累计专利量为 1298 件，排名全国第一，主要申请人有敏芯微电子、多维科技、晶方半导体、积高电子(无锡)。广东省累计专利量为 882 件，排名全国第二，主要申请人有汇顶科技、爱晟电子、川东磁电。上海市累计专利量排名全国第三，主要申请人有格科微电子、钰太集团、思立微电子。国内沿海地区在传感器封装领域专利布局比较多，研发投入比较大。

中国传感器封装领域专利申请人以企业为主，高校次之，排名前三的申请人有歌尔微电子、意法半导体和东南大学。在协同创新合作中，可以优先考虑西安交通大学、东南大学以及中北大学。

图 11 中国专利申请排名

从中国传感器封装领域专利申请人分布来看，以企业为主，高校次之。其中，排名靠前的申请人中，国内申请人较多，如歌尔微电子、东南大学、苏州敏芯微电子、中北大学、西安交通大学、格科微电子、浙江大学，海外申请人在中国布局较少，但排名靠前，意法半导体第二。排名前三的申请人分别为歌尔微电子、意法半导体和东南大学，专利申请量分别为 213 件、69 件和 68 件。

从申请人合作情况来看，主要涉及企业与高校之间的技术合作，其中西安交通大学、东南大学以及中北大学是传感器封装领域方面进行技术合作活动的主要创新主体，且与不同的企业进行协同创新，暂无固定合作对象。建议在协同创新合作中，可以优先考虑西安交通大学、东南大学以及中北大学。

图 12 申请人合作情况