7个方面告诉你,中国传感器的脖子卡在哪里!这才是最致命弱点

我们一直说传感器是中国被卡脖子的“痛点”高科技产业,90%以上传感器芯片需要靠进口,这点甚至比芯片集成电路产业对外依赖度更高。在2022世界传感器大会(将于21日开幕可点击了解)新闻发布会上,中国科协科技创新部副部长林润华直言:全世界传感器

我们一直说传感器是中国被卡脖子的“痛点”高科技产业,90%以上传感器芯片需要靠进口,这点甚至比芯片集成电路产业对外依赖度更高。在2022世界传感器大会(将于21日开幕可点击了解)新闻发布会上,中国科协科技创新部副部长林润华直言:全世界传感器种类超过2万余种,中国仅能生产其中的约1/3。

毫无疑问,我国传感器产业与世界先进水平,存在巨大的差距,那么,中国传感器产业的差距在哪里?中国传感器的脖子卡在哪里?为什么我们都不想用国产传感器?你知道吗?

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一卡,最致命的卡脖子节点:产品可靠性、稳定性低!

近几年国产传感器得到了较大的发展,不少传感器新品发布,部分传感器产品在关键性能参数上并不弱于国外大品牌相关产品。然而,国产传感器的问题不在参数,而是出在产品的可靠性、一致性、稳定性上,这才是许多大项目畏惧使用国产传感器的原因。

传感器虽然不起眼,却承担着关键的信息感知功能,在生产领域,这就要求传感器要准确、稳定。国产传感器参数上没问题,但常常出现用着用着就出问题了,或者不同批次的传感器又有所差异,许多莫名其妙的问题又产生了。

目前国产器件主要占据中低端市场,可靠性不高是影响国产器件大量应用的主要原因之一,想要进入中高端市场存在一定困难。

同时,高端市场被国外垄断,高端传感器核心制造装备目前主要依靠进口,“小而散”的国内厂商靠自身积累很难进行设备和工艺更新,虽然具备一批自主研发的工艺和产品,但主要性能指标仍和国外差 1~2 个数量级,使用寿命 差 2~3 个数量级。

据了解电力部门采用国外传感器产品三年不需检修,采用国内产品每季度检修一次,石化部门重要生产线几乎全部采用国外传感器。

另一方面,涉及国家安全和重大工程所需的高端产品也存在禁运风险,外资企业产品持续把持高端市场,并且在短期内难以得到根本转变。

二卡,差距最大的地方:芯片研发能力较弱,核心技术缺乏

根据《中国传感器发展蓝皮书》披露,中国传感器芯片进口率高达90%以上,这也是我国传感器产业与国外先进水平差距最大的地方,中国做传感器的企业很多,但做传感器芯片设计的企业寥寥无几。

一种主流智能传感器芯片研发投入在10亿人民币左右,需要数十人的科研团队6~8年的积累,数千万只(甚至上亿只)以上产品批量生产规模才可能盈利。

而且传感器芯片研究失败风险较高,一般中小型的中国本土企业难以承受如此高的代价和风险,即使研发成功,也常常难以形成盈利规模的出货量。

国内企业基本集中在产业链中下游,具有自主芯片设计能力的企业较少,智能传感器芯片的国产化率不足 10%,核心技术严重滞后于发达国家。

根据著名市场调研公司 Yole 的数据,2020年全球排名前三十的MEMS传感器厂商中,中国仅有歌尔股份(排名 6)、瑞声科技(排名 19)跻身其中。其传感器芯片均以外购为主,自身在传感器芯片的设计能力上还需加强。

此外,本土智能传感器在设计、生产、测试等环节的标准缺失严重,产业链上下游缺乏有效的对接。

三卡,产业化差距比技术差距更大:市场对接能力较弱,科研成果转化率较低

国内传感器生产企业与下游应用缺乏有效的衔接,国外先进企业已在市场上占据主导地位,很多系统集成商对国产器件没有信心。

从近年来全球主要国家的MEMS专利数量来看,中国以15%的申请量位列第三,仅次于美国和日本。可以看出,国内高校和科研院所对高技术的跟踪和对高技术附加值产品的研发能力尚可,在关系国计民生的重大项目上,国产传感器并未缺席。

虽然传感器专利的申请量较大,但其成果以样品居多, 距产业化较远,缺少科技成果向市场转化的能力和机制。大量传感器成果只以样品或专利文档的形式,封存与各高校和研究院所,没有到企业进行落地,转化成实际生产力。

关于中国传感器科研高校和研究院所情况,可参看《中国传感器靠你们了!30所顶尖大学传感器科研信息汇总》和《中国传感器最强科研天团!19所研究院所信息汇总》内容。

全球主要国家(地区)MEMS专利数量占比情况

四卡,一旦被卡或无法设计传感器芯片:无本土传感器设计软件,传感器算法不成熟

传感器设计软件价格昂贵,设计过程复杂、需要考虑的因素众多,目前国内尚无一套一套具有自主知识产权的成熟好用的传感器设计软件,Conventor、IntelliSuite、COMSOL、ANSYS等国外传感器EDA设计软件占领了整个中国市场。

同时,这也是中国目前工业软件产业羸弱的一个缩影,不仅传感器行业如此,工业设计、芯片设计等领域也大都使用国外的EDA软件。

从下图MEMS传感器产品设计流程中可以开到,EDA仿真端处于MEMS传感器产品设计的源头,没有相应的EDA软件我们完全无法设计出一颗MEMS传感器。

近日美国商务部工业安全局BIS正式对中国禁用先进制程EDA软件模块,企图封杀掉中国先进半导体未来10年的发展,对我们产业敲响了大大的警钟!详细情况可参看《今日生效!美国正式断供EDA软件!中国企业不能设计传感器了?!》内容。

本土企业在传感器配套的软件环节中渗透率较低,被欧美如博世、 应美盛等自带软件算法的 IDM 企业垄断,技术与国际水准仍有差距。但是在传感器芯片及解决方案环节中,中小规模技术型企业在新兴应用场景中渗透加速。

五卡,国产最大劣势:低端重复同质化竞争!产品严重依赖进口,研制以仿制跟随为主

我国传感器依赖进口问题严重,国内传感器企业以跟仿国外同类产品居多,很多企业直接引进国外传感芯片进行封装加工,产品同质化严重,缺乏自主研发产品。

在应用上,国内下游应用广泛,市场需求拉动作用大。但目前国内智能传感器厂商多为新兴的 Fabless 初创公司,技术上以仿制跟随为主,自身技术和产品性能还难以获得手机、汽车等大型应用商的信任,产品进入中高端行列依然存在一定困难。

国内科技企业也常喜欢用国外传感器。这既有国产传感器稳定性不可靠,传感器产品缺乏创新的原因,但也有国内科技企业缺乏国产化替代的探索决心,一味跟进国外科技巨头进行产品研发的惰性思路。

以依赖进口产品最严重的消费电子为例,在智能手机领域,所配置的传感器产品几乎为国外产品,在美国对华为实行制裁前尤为明显。比如华为 P9 手机采用的 9 颗主要传感器,只有 MEMS 麦克风一项采用歌尔产品,小米 MI5 采用的 8 颗主要传感器,全部为国外产品。

这其中,价格也是一个关键影响因素,由于国际市场较为成熟,国外主流厂商价格已经压的很低,国内厂商又没有技术优 势,在市场上难有竞争力。

自美国对华为实行制裁后,国内消费电子企业对应用国外传感器产品有所克制,并开始围绕产业链投资、扶持相关的传感器企业。

六卡,传感器产业最大弱点:企业规模较小、产品系列化程度低,难以形成规模应用

从全球传感器产业来看,传感器种类数量多、种类分散、独一门类市场规模小,是传感器产业的最大弱点之一,但我国传感产业的羸弱再次将这个弱点放大了。

我国传感器企业规模总体偏小,绝大多数属于中小型企业。根据《中国传感器发展蓝皮书》披露的数据,我国现有 1600 余家传感器企业中,产值过亿元的不足 200 家,约占总数的 13%。

根据小编统计《45家传感器企业市值排行榜出炉!有25家总市值下跌超1000亿(最新重磅)》数据显示,中国传感器上市企业大部分集中在百亿市值以下,各市值空间断层明显,中国传感器产业链不够完整、成熟。

而相关传感器概念上市企业中,大部分公司纯传感器业务占比较低,以传感器业务为主营业务的上市企业少。这里举两个例子:

汉威科技是国内气体传感器龙头,根据其2021年半年度报告,传感器业务营业收入为1.26亿元,总营业收入为11亿元,传感器业务占比仅为11.5% 。

汉威电子2021年半年度报告

汉威电子2021年半年度报告

士兰微是国内功率半导体龙头企业,其2021年上半年总营收33亿元,MEMS传感器产业营收1.4亿元,仅占4.24%。虽然占比很低,但这些市场份额放在传感器行业却是前列。

士兰微2021年半年度报告

士兰微2021年半年度报告

传感器企业规模小,造成我国国内产品线较为单一,产品品种和系列约为国外的 30%~40%,标准化系列化程度较差的结果。

在传感器系列中比较易生产的规格产品存在“内卷”现象——重复生产、恶性竞争,而系列两端难度较大的产品往往依赖进口,据估计我国产品种类较为齐全的传感器厂家仅占 3%左右。

另一方面,由于国内本土企业在产品配套的软件算法环节中渗透率也较低,被欧美如博世、应美盛等 IDM 企业垄断,提供系统整体解 决方案的能力较弱,限制了产业链上价值的获取能力。

七卡,全球影响力几乎为0:国内半导体上下游羸弱,传感器IDM厂商稀少

中国国内半导体产业相对较弱,一定程度上也制约了国产传感器厂商的发展。传感器产业链包括芯片设计、晶圆制造、封装测试、软件与芯片解决方案、应用等方面,最为核心的当属晶圆制造环节,需要材料体系、工艺、设备和厂房 等的支撑。

因为晶圆制造对工艺及设备要求非常高,投入资金巨大, 国内绝大部分传感器厂商以无晶圆厂(fabless)模式居多,IDM厂商稀少且体量较小。

目前国内已有不少晶圆芯片代工厂能生产MEMS传感器芯片,尽管硬件条件与国际水平相近,但是工艺技术和经验无法达到国外工 厂规模生产的标准。

因此大多数本土设计公司更愿意同 TSMC(台积电)、 Silex Microsystems 等海外成熟的代工厂合作。这也是国内传感器行业难以实现完全的 IDM 模式的根本原因。

在全球17家主流MEMS芯片代工厂,除了宝岛台湾的台积电、世界先进、联电等传统代工厂,中国本土只有赛微电子收购的位于海外瑞典的Silex入榜,再无其他本土MEMS代工厂入围,可见中国大陆本土传感器芯片产业对全球供应链影响力几乎为0。主流MEMS芯片代工厂参看《全球MEMS实力最强的17家代工厂》内容。

结语

中国传感器产业的这七大卡脖子关键点,卡在了从设计软件到设计、制造工艺应用等上下游几乎所有节点,因此许多业内专家心焦,呼吁重视我国传感器产业存在的诸多问题。

虽然从传感器的整个产业链上看,中国传感器产业在不同方面均存在不少差距,你们中国传感产业有没有什么亮点呢?这其中传感器封装测试是差距较小的领域。

封装结构和封装材料会影响传感器的迟滞、时间常数、灵敏度、寿命等性能,从制造成本看,传感器的封装成本通常为总成本的 30%~70%。目前来看,国内企业在智能传感器封测环节渗透率较高,越来越多的厂商进军封装行业,形成了天水华天、长电、通富微电等封测巨头。

但是国内传感器封测领域也存在一些问题,国内传感器封装技术标准化程度较低,没有统一的接口标准,产品外形千差万别,不利于用户选用和产品互换。

本文观点只是抛砖引玉,中国传感器产业的发展还需诸君脚踏实地,做好自己手中的传感器,一个传感器一个传感器将中国传感器事业堆上高峰!

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