CIS行业报告：终端需求复苏与创新技术共振，国产CIS再上新台阶

CIS行业报告：终端需求复苏与创新技术共振，国产CIS再上新台阶

CMOS图像传感器（CIS）是数码相机和智能手机等设备中用于捕捉图像的核心组件。随着技术的不断进步，CIS在图像质量、功耗和成本方面取得了显著提升，成为图像传感器领域的主流选择。本文将深入探讨CIS的技术优势、制造工艺、产业链结构以及下游应用市场的最新发展动态。

CIS优势成图像传感器主流，五大工艺助力升级发展

CIS以更快速度将光信号转换为电信号

相机作为一种媒介，可以记录光所体现的物体，使人们能够主观或者客观地表达各种情感和思想。当代人类身处一个所谓的“数字游牧时代”，人们携带各类移动数码设备，生活不受时空的限制。在当今时代，相较于胶片相机，配备图像传感器的数码相机的使用范围更广。同时，当今也是配备数码相机功能的智能手机时代。在用于记录人们日常生活和美好回忆的数码相机或智能手机相机中，图像传感器的作用类似于胶片相机中的胶片。图像传感器在将通过镜头接收的拍摄对象信息转换为电子图像方面起着关键作用。

图像传感器历史沿革：

• 20世纪50年代，光学倍增管（Photo Multiplier Tube，PMT）出现。
• 1965年至1970年，IBM、Fairchild等企业开发光电以及双极二极管阵列。
• 1970年，CCD图像传感器在Bell实验室发明，依靠其高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高一致性、低噪音等性能，成为图像传感器市场的主导。
• 20世纪90年代末，步入CMOS时代。

图像传感器主要分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器（CIS）。

CCD即电荷耦合器件（Charge-Coupled Device）的简称。它由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CIS即互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS Image Sensor）的简称。CIS是一种光学传感器，其功能是将光信号转换为电信号（指随着时间而变化的电压或电流），并通过读出电路转为数字化信号。

CCD像元产生的电荷，需要先寄存在垂直寄存器中，然后分行传送到水平寄存器，最后单独依次测量每个像元的电荷并放大输出信号。而CIS则可以在每个像元中产生电压，然后通过金属线，传送到放大器输出，速度更快。

CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素，并在输出节点将其转换为电压。CIS在每个像素上使用多个晶体管，将每个像素内的电荷转换为电压，以使用更传统的导线放大和移动电荷。

五大工艺助力CIS制造

一、深层光电二极管成型工艺技术

消费者对更清晰的图像品质的渴望引发了移动端CIS的像素密度和分辨率竞争，进而加速了CIS工艺技术的发展。在相同的芯片尺寸上要增加像素数量，就需要不可避免地缩小单一像素的尺寸。深层光电二极管的形成是防止图像质量下降的关键技术。为了在更小的像素中确保足够的满阱容量（Full well Capacity, FWC），与半导体存储器相比，CIS需要采用难度更高的图像形成技术。尤其需要确保高纵横比 （>15:1）植入掩码（Implant MASK）工艺技术，以阻止高能量离子的植入。事实上，目前纵横比在业内有逐步提高的趋势。

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二、像素间隔离处理技术

将像素彼此隔离的技术对于制作高清CIS至关重要。如果采用过时的隔离技术，可能会造成各种图像缺陷，如混色、散色等。每家芯片制造商都具备不同的隔离技术。在CIS市场中，更高的像素密度和更高的分辨率正逐步成为业界通用标准，而隔离处理技术的水平差异也正成为衡量CIS品质的重要指标。隔离过程中可能会出现各种问题。为此，人们正在做出巨大努力，选择更好的设备，开发新方案，以期提高CIS产品线的良品率及产品质量。

三、彩色滤波阵列（CFA）处理技术

彩色滤波阵列是有别于半导体存储器制造工艺的CIS独有的工艺 。

CFA工艺一般由彩色滤波器（CF）和微透镜（ML）组成，前者可将入射光过滤成红、绿、蓝各波长范围，后者可提高光凝聚效率为了获得优良的图像品质，开发和评估R/G/B彩色素材并开发相关技术以优化形状、厚度等工艺条件非常重要。近年来，得益于Bayer和Quad等应用技术与CFA的基本构造相结合的技术发展，一系列高质量、高功能的CIS产品不断涌现。

四、晶圆堆叠工艺

晶圆堆叠是指将两个晶圆连接在一起。这是制作高像素、高清晰度的CIS产品的必备技术。对于高像素CIS产品，像素阵列和逻辑电路分别在个别晶圆上形成。这些晶圆在工艺期间被连接在一起而这一过程被称为“晶圆键合（Wafer Bonding）”。像素阵列和逻辑电路的分离意味着制造成本的增加但同时也意味着可以在同等晶圆面积上生产更多芯片;不仅如此，这还有助于提高产品的性能。因此，这是目前大多数CIS芯片厂商所采用的技术。晶圆堆叠技术正以各种形式不断发展。近年来，晶圆堆叠技术也被应用于半导体存储器领域，促进了产品性能的提升。

五、有助于CIS良品率和产品质的控制技术

控制金属污染是CIS产品开发和量产过程中最基本的前提条件之一。由于CIS产品对污染的敏感度是存储器产品的数倍，且污染会直接影响CIS产品的良品率和质量，因此CIS的生产必须采用各种污染控制技术。另一个重要因素是等离子体损伤控制。由于图像属性的损坏（如热像素）是在工艺过程中造成的损伤而发生的，因此有必要对关键工艺进行精确管理。

堆叠式CIS是未来的主流方向

根据结构技术可将CIS分为前照式（FSI）、背照式（BSI）和堆叠式（Stacked）三种。

早期的CIS产品像素采用前照式（FSI）结构，这种结构将光学结构置于基于CMOS工艺的电路上。这项技术适用于像素尺寸为1.12μm及以上的大多数CIS解决方案。

背照式（BSI） CIS的像素部分和电路部分在同一层，其下层是“支撑基板”，是在背面收集光线的光学结构。这样可以消除前照式中金属线路造成的干扰，在同一大小像素的条件下光线通过的空间更大，从而可提高量子效率。背照式的突破，使得CIS在众多专业领域获得青睐，并加速了其对CCD的取代。

堆叠式（Stacked）则采用电路芯片代替支撑基板，与芯片像素部分重叠设置。这种结构将电路搬到下层，就可以缩小芯片面积，满足智能手机的小型化、多功能需求。

堆叠式结构的关键在于连接。这要将构建了“逻辑电路部”的带图案的晶圆打磨到极致平坦，然后与“像素部”的晶圆紧密贴合，避免空气进入。“像素部”的晶圆与“逻辑电路部”的晶圆之间是依靠电连接的，因此，不允许一点点偏差，需要非常先进的技术。

Cu-Cu连接实现堆叠式CIS高密度化。第一代堆叠式CIS使用TSV工艺将传感器芯片连接到逻辑芯片。随着后续工艺的创新和发展，开始利用Cu-Cu连接替代TSV，CuCu连接是感光像素芯片与逻辑电路芯片通过在各堆叠面上构建的Cu焊盘直接连接的方式。这种连接方式无需穿透感光像素芯片，也不需要专门的TSV连接区域，因此，可以实现CIS的进一步小型化和生产效率的提升。

堆叠式CIS从双层走向三层，提升互联密度。2017年索尼推出行业内首个配备DRAM的三层堆叠式CIS，在传统的背照结构像素层和预装电路芯片的信号处理电路层之间加入了DRAM层充当缓存，大幅提升了CIS处理数据的速度。堆叠式逐步主导了CIS市场90%以上的份额，三层堆叠会在技术愈发成熟后走向普及，CIS的多层堆叠是未来的趋势。

下游应用新趋势拉动CIS量、质新需求

上游：晶圆、封测占最大成本

CIS产业链上游为CIS芯片制造行业，市场集中度高，其中CIS芯片厂商可分成Fabless、Fab-lite、IDM三种模式。

（1）IDM是指从设计到制造到封装一体化的模式，以索尼、三星、海力士为代表；
（2）Fabless是指只作设计，以豪威、思特威为代表；
（3）Fab-lite是指部分IDM保留了一部分最核心或最擅长芯片品类的生产线，继续维持IDM模式，而把另一部分相对非核心或者竞争力稍差的芯片品类交给Foundry厂商来生产，目前以松下、ST、格科微为代表；
（4）Foundry是指纯CIS代工厂，以台积电、韩国东部、中芯国际为代表。

上游：晶圆、封测占最大成本

CIS芯片制造中晶圆与封测成本较高。以2018年豪威的成本结构为例，晶圆与封测两部分占CIS生产成本的91.8%。晶圆和封装测试一直面临产能紧缺问题，代工价格逐年上涨。

晶圆制造行业市场集中度高，供需缺口增加。其中索尼生产的晶圆全部自用；三星的晶圆制造分为自用与代工两部分，计划逐步扩大晶圆代工业务。代工方面，台积电、华力微、中芯国际、力晶、海力士等代工厂为全球CIS晶圆主要供应商。

豪威的晶圆供应主要来源于台积电。摄像头像素的增加意味着芯片面积的增加，原本12寸晶圆切割1.3微米1200万像素的产品可以切割2500颗左右，而现在主流的0.8微米4800万像素的产品只能切割1200颗左右，像素越高消耗的晶圆厂的产能越大，供需缺口增加。

全球CIS封测产能集中在中国台湾，扩产态度较为谨慎。精材、胜丽、同欣电等厂商是主要CIS封测厂商，2019年底精材科技关闭12寸CIS封装线之后，全球主流的两条12寸封装线只有国内晶方科技和华天科技。前端晶圆制造产能大幅扩张，带动封测订单增长，产能短缺问题由晶圆制造传导至封装测试。封测厂的项目扩产计划实施周期均在3-5年，其次，封装测试机台制造厂商产能有限，无法满足大规模的订购。同时，高端测试机台价格昂贵，半导体市场变化快，封测厂商对待扩产态度较为谨慎。

中游：CIS成本高达52%

中游的摄像头模组产业链主要包括镜头、CIS、音圈马达、滤光片、模组封装等。CIS作为中游摄像头模组的核心组成部分，在摄像头模组中的成本占比高达52%，龙头毛利率为45-50%左右；光学镜头成本占比20%左右，龙头毛利率约为70%；音圈马达和滤光片成本占比在5%以下，龙头厂商毛利率在35%以上。模组封装成本占比约为20%左右，但由于技术门槛相对较低，竞争相对激烈，毛利率仅为10-12%左右。

摄像头模组行业市场参与企业数量较多，市场竞争激烈。摄像头模组行业与上游CIS芯片制造行业相比，技术壁垒较低，市场参与者较多，市场集中度比较分散。其中由于车载摄像头模组比手机摄像头模组对安全问题和稳定性要求较高，模组封装工艺更加复杂，市场主要以海外企业为主导，中国企业市场占有率较低。摄像头模组的主流封装工艺有四种，包括COB、CSP、FC和AA。AA工艺主要应用于新兴的双摄技术，主要用于高清像素（16M）摄像模组、车载模组等领域，由于其95%以上合格率和成本较低的优点，逐渐成为行业重点布局对象。

下游：手机占比最大，车载增长最快

从下游应用领域来看，CIS传感器广泛应用于智能手机、汽车电子、安防监控、医疗设备、工业控制等领域的摄像头领域。

·智能手机：摄像头
·汽车电子：车载摄像头
·安防监控：摄像头
·医疗设备：内窥镜
·工业制造：机器人视觉

手机镜头占比最大，车载摄像头增长最快。2022年我国光学镜头行业市场中手机和车载占比分别约65%、19%。其他细分领域市场占比总共约17%。手机镜头占比虽相较过去略微下降，但仍然为摄像头模组的主要收入来源，而车载镜头的贡献率增长幅度较大，预计未来五年内车用摄像头将是CIS市场增长的主要动力。

多摄像头及高画质需求拉动手机CIS需求

多摄普及带动CIS数量需求的增加。CIS作为手机摄像头的构成之一，是最关键的技术，并且占据手机摄像头成本的约52%。根据Frost&Sullivan统计，后置三摄及以上的多摄智能手机逐渐成为市场主流，预计至2024年，后置双摄及多摄智能手机渗透率合计将达到98.0%。与此同时，平均单部智能手机所搭载的摄像头数量也在逐年上升，自2015年的2.0颗上升至2019年的3.4颗，年均复合增长率达到14.3%，此后预计将以年均7.3%的增长率上升至2024年的4.9颗。在多摄方案下，通常采取高、中、低性能摄像头组合配置的方式，以实现不同拍摄功能的叠加与互补。通常，主流多摄智能手机往往采取前置1-3个摄像头、后置 2-5 个摄像头的配置。

CIS像素要求不断提升。高像素摄像头通常承担智能手机中主摄像头的功能，决定了手机拍照成像的清晰度与真实度。

目前，主流智能手机品牌旗舰机型的主摄像头像素水平已达到 4,800万至6,400万，甚至部分机型已采用了1亿像素的摄像头，终端用户对于更强拍照性能的追求推动CIS向着更高像素的方向不断发展。感光面积增加提出更高要求。为了满足市场对高像素不断提升的需求，增加感光元件面积成为了提升拍照性能的有效手段，由于摄像头模组尺寸有限，如何在控制 CMOS 图像传感器整体尺寸的前提下增加感光元件面积成为了核心技术要点之一，CIS供应商需要通过持续的设计优化与技术迭代，以满足下游客户对于产品尺寸与性能的双重要求。

摄像头功能走向多样化。为了进一步实现手机摄像头的智能化、专业化、小型化，眼动追踪、长波红外镜头等功能的问世使得提供相应定制化算法的CIS开拓了更为广阔的市场空间。