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CIS芯片走向何方?

半导体产业纵横 2022-06-27 18:20 发文

近日,有关于CIS芯片的消息不断,使得CIS芯片在产业内又“小火”了一把。

5月20日,思特威(上海)电子科技股份有限公司在上海证券交易所科创板上市。思特威是一家专门从事CMOS图像传感器芯片产品研发、设计和销售的高新技术公司;5月22日,CIS芯片龙头韦尔股份宣布投资北京君正,据称是看重车用MCU和存储芯片。加上韦尔股份本身在车用CIS芯片的积累,可以预见韦尔股份已经将下一个业绩增长点押注在了汽车电子上。

这仅仅是CIS芯片市场的缩影,除此之外风云变幻的CIS芯片市场,又将走向何方呢?

CIS芯片技术走向何方?

单像素尺寸不断缩小,CIS芯片尺寸增长趋势明显

像素是CIS芯片中很重要的一个参数。像素数量×单像素面积=实际感光面积。像素数量、单像素面积与实际感光面试是正相关的,在感光面积不变的前提下,增加像素数量可以让手机图像解析度提高。

然而,像素数量的增加会导致CIS芯片尺寸的增长。但是,CIS芯片面积越小,晶圆代工成本就越低,为了降低成本,缩小单个像素面积成了行业技术发展趋势。

基于行业多年来的不懈投入研发,现在的像素尺寸已经比早年小了许多。早年前,单像素尺寸为 2.0μm,而今年2月份,国内CIS芯片厂商豪威科技正式宣布,实现了世界最小0.56μm像素技术。

但是,像素做得越小,同工艺下其感光能力就越差。虽然单像素尺寸在缩小,但是像素数量增加的幅度远远高于单像素缩小的幅度。像素做不小,整个CIS芯片自然也就做不小。

因此,CIS芯片并没有遵循摩尔定律,越做越小。相反,CIS芯片的尺寸依旧在增长。以手机市场为例,一些品牌的高端旗舰机因为要追求成像效果,多采用高像素的方案,搭载的CIS芯片尺寸越来越大,这也导致了手机摄像头的尺寸越来越大,甚至占满手机背面1/3的位置。

CIS芯片也讲3D堆叠

背照式结构和3D堆叠式结构的发展推动了CIS芯片的发展。

背照式的电路层位于感光二极管的后面,可以避免金属走线、晶体管的影响,增加感光像素的进光量,就算是面对光线比较暗的场景,也能拍摄画质高的影像。

背照式结构推动了堆叠式CIS芯片的发展,第一代堆叠式CIS芯片使用TSV工艺将传感器芯片连接到逻辑芯片。CIS芯片的堆叠结构使得可以针对像素单元和电路单元分别构建芯片并进行技术优化,因此像素单元可针对高画质优化,电路单元可针对高性能优化。

随着堆叠技术的进一步发展,3D堆叠也应运而生,上层为背照式CIS芯片,中层为DRAM,下层为逻辑外围电路。DRAM用作具有高传输带宽的帧存储器和图像数据的临时缓存器,每一层通过TSV连接,像素输出信号通过像素阵列外围区域中的两级TSV连接到逻辑电路。将数字转换后的图像数据从下层的逻辑电路传输到芯片中间层的DRAM芯片进行存储。DRAM层作为一个临时储存区,能够加速像素读出扫描,进一步实现高速拍摄。

CIS芯片与AI的逐步融合

Yole Développement认为CIS芯片的技术趋势是将AI与CIS芯片集成。

行业内常见的CIS芯片+AI的模式有两种。

第一种是将CIS芯片与AI计算相结合,CIS芯片除了可以输出图像,还可以直接输出AI算法计算的结果,这种模式的特点是低功耗的人工智能分析,多应用于物联网和可穿戴式智能设备;第二种是为AI应用专门设计的CIS芯片,此类CIS芯片输出的内容和方式与传统的CIS芯片有区别。这类CIS芯片它突破了传统CIS芯片固定帧率的特性,可支撑一些重要的工业和智能车应用。

近年来,一些CIS芯片厂商为其CIS芯片产品融入AI算力,例如索尼。

2020年5月,索尼宣布发布IMX500和IMX501,据称是世界上第一款配备AI处理功能的CIS芯片。该CIS芯片本身包含 AI 处理功能,可以实现高速边缘AI处理和仅提取必要的数据,从而在使用云服务时减少数据传输延迟,解决隐私问题,并降低功耗和通信成本。新产品旨在用于零售和工业设备行业的各种应用,并有助于构建与云连接的最佳系统。

CIS芯片应用走向何方?

Counterpoint预测,受智能手机、汽车、工业和其他应用需求增长的推动,2022年全球CIS芯片市场销售规模预计将增长7%,达到219亿美元。

而针对不同细分市场的表现,Counterpoint表示,手机市场作为最大的CIS芯片终端市场,预计将在2022年贡献整个市场总收入的71.4%,其次是汽车(8.6%)、监控( 5.6%)、数码相机(3.1%)、PC/平板电脑(3%)和工业(2.9%)。

从手机市场来看,手机是CMOS图像传感器的最大应用市场,虽然手机销售动能放缓,但手机搭载三颗以上相机的多镜头设计已是主流,受益于此,手机CIS芯片销售额持续增长。据市场研究机构Strategy Analytics数据显示,2021年全球智能手机CIS芯片市场营收为151亿美元,与2020年相比增长了3%以上。

多年来,该市场由索尼领导,其次是三星和豪威。其中,索尼以45%的收入份额居首,三星占26%,豪威占11%。2021年,这前三大供应商在全球智能手机图像传感器市场占据了近83%的收入份额。

从汽车市场来看,随着汽车电动化、智能化、网联化的发展趋势,汽车市场已经成为CIS芯片销售的第二增长极。车载CIS芯片需求的快速增长得益于智能驾驶在汽车领域的普及,除此之外,还有车载摄像头数量增加、标配倒车影像。

根据Yole Développement的数据,2020年全球车载CIS芯片市场的营收额达到14.4亿美金,占整体CIS芯片年营收的7%,预计到2026年车载CIS芯片出货量将达到3.64亿颗。

安森美是车载CIS芯片行业的龙头企业,市场占有率达到60%,在车载CIS芯片行业占据压倒性地位。豪威在车载CIS芯片市场排名第二,且在2018-2019年间市场份额上升9%。除了上述两大玩家,索尼和三星作为车载CIS芯片领域的后来者,发力较晚。索尼在2015年宣布进入车载CIS芯片市场,三星则到2021年才进军车载CIS芯片市场。

再来看安防市场,根据Frost&Sullivan统计,2020年安防监控领域CIS芯片的出货量和销售额分别为4.2亿颗和8.7亿美元,分别占比5.4%和4.9%。未来随着安防监控行业整体市场规模不断扩大,预计2025年出货量和销售额将分别达到8.0亿颗和20.1亿美元,占比将分别上升至6.9%和6.1%,预期年均复合增长率分别为13.75%和18.23%。

2020 年国内公司思特威在安防领域CMOS图像传感器出货量达到1.46亿颗,出货量位居全球第一。业绩方面,2021 年公司实现营收26.89亿元,同比增长76.10%,归母净利润3.98 亿元,同比增长229.23%。

CIS芯片产业链走向何方?

据Counterpoint数据,从头部的CIS芯片供应商所占的营收份额来看,预计索尼将在 2022 年获得 39.1%收入份额,排名第一;其次是三星(24.9%)、豪威科技(12.9%)、格科微(4.7%)、安森美(4.5%)、SK海力士(3.6%)、意法半导体(2.5%)和思特威(2.3%)。

与半导体产业链相同,CIS芯片制造产业链主要分为设计、代工和封装测试三个环节,由于CIS芯片的像素层的设计工艺类似于模拟芯片,对制造工艺的要求较高,所以索尼、三星等龙头企业采用IDM模式,其他一些企业多采用Fabless模式。

主要CIS芯片厂商对比

出货跟上需求

半导体产业苦于产能不足久已。

索尼、三星、SK海力士这些IDM厂商都为了提高代工产能使出浑身解数。

2020年,索尼就计划在未来3年内投资7000亿日元用于扩建新厂房;三星和SK海力士则纷纷宣布挪出部分DRAM生产线来满足CIS芯片生产需求。

除了建厂挪产线扩产外,索尼和三星也积极与代工厂合作。

今年1月份消息,索尼与台积电扩大合作。双方除了将在日本熊本合资设立晶圆厂,索尼在自有产能明显不足情况下,将扩大采用台积电产能量产CIS芯片,其中像素层芯片将首度交由台积电生产。

三星与联电也签署了合作协议,将扩大生产CIS芯片,并启动自己出资买设备、联电提供厂房并代工运营的全新合作模式。

SK海力士采用了相同的策略,将旧的DRAM工厂转变为CIS芯片的产能。

CIS芯片出货量大、行业规模壁垒较高,尤其是手机CIS芯片需要厂商先具备一定规模的供应能力才可能获得主流品牌订单。

而对于Fabless厂商来说,若晶圆、封装价格大幅上涨,或由于晶圆供货短缺、封装产能不足等原因影响公司的产品生产,将会对公司的盈利能力、产品供应的稳定性造成不利影响。

IDM和Fab-Lite模式将成为CIS芯片龙头未来发展的较好选择,拥有代工厂或者与先进代工厂深入绑定的公司更有竞争力。

技术迭代与全面布局

CIS芯片的更新换代和新应用场景层出不穷,厂商必须保持持续的研发创新,根据最新技术发展趋势和市场需求持续进行产品迭代;此外,厂商也必须对主流技术迭代趋势和场景应用的市场空间保持较高的敏感度,才能及时把握技术发展的大方向。但如果公司在新的应用领域业务拓展速度不及预期,或者相关技术研发进度不及预期,或将会对公司经营业绩增速带来不利影响。

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