2022年CIS行业研究 CIS产业链、竞争格局分析

2022年CIS行业研究CIS产业链、竞争格局分析一、原理：光学成像CIS是光学镜头模组的重要组成部分光学镜头由镜片、滤光片、CIS、马达和保护盖板组成；根据证券之星官网、前瞻产业研究院援引ittbank，按照BOM成本划分，光学镜头模组中CIS占比超过50%，其次为镜头，占比20%，模组封装、音圈马达、红外滤光片则分别占到19%、6%、3%。因此CIS在镜头中价值量占比最大。CIS是高度集成的图像系统芯片CIS全称CMOSImageSensor，CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器是一个高度集成的图像系统芯片；当外界光线照射到CMOS图像传感器，传感器拥有的感光单元阵列会发生光电效应，光电效应使得阵列上的每个感光单元产生对应外界色彩和亮度的电荷信号，之后信号会被模拟-数字转换电路转换成数字图像信号，从而还原出现实的影像。CIS原理：光电信号数模转换CMOS图像传感器是模拟电路和数字电路的集成，主要由四个组件构成：微透镜、彩色滤光片（CF）、感光二极管（PD）、电路层。光通过具有球形表面的微透镜后聚拢穿过彩色滤光片，拆分成为红、蓝、绿色光进入感光二极管内并转化为电子，再经由像素电路转化为电压信号，最后通过逻辑电路输出成为图像数字信号。CIS分类：FSI、BSI、StackedCMOS图像传感器根据感光元件安装位臵，主要可分为：前照式结构(FSI)、背照式结构(BSI)，在背照式结构基础上还可以进一步改良，又被称为堆栈式结构(Stacked)。背照式CIS：晶圆工艺是在标准CIS逻辑电路晶圆基础上，通过晶圆键合、晶圆减薄等工序，将原本臵于彩色滤膜和光电二极管之间的金属布线移至芯片的另一侧，由此光线可由无阻挡的衬底背面直接进入光电二极管，可以显著改善量子效率的同时也提升了小尺寸像素设计的自由度。堆栈式CIS：能在处理电路得到更多的晶体管，拥有更快的速度，原来不容易实现的HDR、升格等，现在变得很常见。读出速度也变得更快。而且，由于将像素区域和处理电路区域堆叠，像素区域能做得更大。CIS主要参数及应用比较影响CMOS图像传感器的主要参数指标包括如下：像素总数和有效像素总数（个）、像素尺寸（μm）、光学尺寸（英寸）、帧率（fps）、信噪比（dB）、动态范围（dB）、感光度（V/lux*sec）、量子效率等。按照不同下游应用场景，对应产品的技术参数发展水平和要求也不同。二、产业链&技术迭代&历史图像传感器：CMOSvsCCD图像传感器大类主要分为CCD图像传感器（电荷耦合器件图像传感器）和CMOS图像传感器（互补金属氧化物半导体图像传感器）两大类。CCD和CMOS图像传感器的主要区别在于二者感光二极管的周边信号处理电路和对感光元件模拟信号的处理方式不同：CCD图像传感器：感光元件接受的模拟信号直接进行依次传递，在感光元件末端将所传递的模拟信号统一输出，并由专门的数模转换芯片及信号处理芯片进行放大、数模转化及后续数字信号处理，CCD图像传感器具有高解析度、低噪声等优点，但生产成本相对较高，主要用于专业相机、摄影机等设备。CMOS图像传感器：每个感光元件均能够直接集成放大电路和数模转换电路，无需进行依次传递和统一输出，再由图像处理电路对信号进行进一步处理，CMOS图像传感器具有成本低、功耗小等特点，且其整体性能随着产品技术的不断演进而持续提升。历史发展，技术迭代：CMOS占据主导从上世纪90年代开始，CMOS图像传感技术在业内得到重视并获得大量研发资源，CMOS图像传感器开始逐渐取代CCD图像传感器。如今，CMOS图像传感器已占据了市场的绝对主导地位，基本实现对CCD图像传感器的取代，而CCD仅在卫星、医疗等专业领域继续使用。CMOS传感器芯片主要优势CMOS图像传感器芯片主要优势可归纳为以下三个层面：成本层面：CMOS图像传感器芯片一般采用适合大规模生产的标准流程工艺，在批量生产时单位成本远低于CCD；尺寸层面：CMOS传感器能够将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块基板上，体积得到大幅缩减，使之非常适用于移动设备和各类小型化设备；功耗层面：CMOS传感器相比于CCD还保持着低功耗和低发热的优势。CIS产业链：Fabless、Fab-lite、IDM并存国内本土CMOS图像传感器设计厂商目前一般采取Fabless模式，包括思特威、韦尔股份（豪威科技）、格科微等。Fabless模式的优点集中在其轻资产、低运行费用和高灵活度，可以专注于芯片的设计和创研工作。在晶圆产能供应紧张的阶段，Fabless厂商能否获得上游晶圆代工厂的稳定供货至关重要。晶圆代工厂选择合作伙伴的标准也不仅仅停留在短期价格的层面。国内外的晶圆代工厂商都会更倾向于与有自主技术、有产品能力、并与下游行业客户绑定较深的优质Fabless厂商保持稳定的供应关系。CIS创新路径之像素技术竞赛依然是未来CIS竞争中一个关键的方面，推动着CIS向更小像素、3D集成技术和新颖像素设计方向发展。我们认为CIS创新路径围绕两个方面：像素点数量不断增加，像素尺寸不断缩小，分辨率以及清晰度持续提升。随着H.265编码技术的普及、4K甚至更高分辨率视频应用逐渐上量，加之人脸识别和物体识别等智能视频需求的兴起，都意味着未来市场对CMOS图像传感器能够支持更高分辨率和更高帧率的输出需求将越来越迫切。CIS创新路径之工艺CIS产业已经从FSI（前照式）技术工艺过渡到BSI（背照式）技术工艺，现在又转向堆栈式BSI技术工艺。在堆栈式BSI技术工艺中TSV（硅通孔）技术被用来连接传感器阵列和logicdie（逻辑芯片）。堆栈式BSI标准技术现在已经成为使用铜与铜连接的混合堆栈。最新CIS产品确实将混合连接间距缩小到像素间距，这为实现像素连接开辟了道路。三、竞争格局&市场空间CIS市场规模：千亿市场，快速成长根据思特威招股说明书援引Frost&Sullivan统计，自2016年至2020年，全球CMOS图像传感器出货量从41.4亿颗快速增长至77.2亿颗，期间年复合增长率达到16.9%。预计2021年至2025年，全球CMOS图像传感器的出货量将继续保持8.5%的年复合增长率，2025年预计可达116.4亿颗。全球CMOS图像传感器销售额从2016年的94.1亿美元快速增长至2020年的179.1亿美元，期间年复合增长率为17.5%。预计全球CMOS图像传感器销售额在2021年至2025年间将保持11.9%的年复合增长率，2025年全球销售额预计可达330.0亿美元。CIS销售额：新兴应用如汽车电子、医疗占比将持续提升根据格科微招股说明书援引Frost&Sullivan统计，2019年，全球智能手机及功能手机CMOS图像传感器销售额占据了全球73.0%的市场份额，平板电脑、笔记本电脑等消费终端CMOS图像传感器销售额占据了全球8.7%的市场份额。至2024年，新兴领域应用将推动CMOS图像传感器持续增长，但随着智能手机多摄趋势的不断发展，手机用CMOS图像传感器仍将保持其关键的市场地位。CIS行业竞争格局：一超多强，小而美全球CMOS图像传感器行业呈现寡头垄断态势。根据格科微招股说明书援引Frost&Sullivan统计，以出货量口径统计，2020年，市场份额排名前五的供应商合计占据了96.0%的市场份额。其中，格科微以20.4亿颗的出货量位列市场第一，占据29.7%的市场份额，豪威科技排市场第四，占据14.6%份额。以销售额口径统计，2020年，格科微以58.6亿元的销售额位居行业第四，市场占有率为4.7%，豪威科技排市场第三，占据11.3%份额。2022年CIS市场预测：龙头强者恒强，手机贡献71.4%根据韦尔股份21年报援引Counterpoint预测，受智能手机、汽车、工业和其他应用需求增长推动，2022年全球图像传感器（CIS）市场营收将达到219亿美元，同比增长7%，其中手机CIS市场将贡献71.4%的营收，前三大CIS供应商索尼、三星和豪威合计营收比例达到77%。四、下游应用多点开花CIS下游应用领域的不同技术特点智能手机：5G时代手机用户对智能手机的拍摄功能有很高的需求，智能手机拍摄功能，包括分辨率、清晰度、美观度和全场景适应能力，已成为智能手机的核心亮点，因此对图像传感器的超高像素的要求非常高。安防监控：安防摄像机需要在可见光不足、暴晒高温以及其他各类的苛刻环境条件下保持长时间正常工作，除常规参数达到基本要求外，其最重要的技术参数包括信噪比、HDR和量子效率，同时对耗电量、极端温度条件工作性能等也有较高的要求。CIS之智能手机：演变方向&技术变革除高像素、多摄、3D摄像等趋势外，智能手机摄像头还经历了大光圈、更快自动对焦、光学防抖等多种技术变革。整体上看，用户对拍摄体验优质化、多样化的需求对CMOS图像传感器的各方面性能提出了更为严格的要求，也推动了市场需求的不断增长。CIS之智能手机：多摄普及根据格科微招股书，从2000年单摄手机问世，到2011年双摄手机推出，再到2019年后臵四摄手机发布，单部手机的摄像头数量持续增加，2021年单部手机摄像头配臵数量可达到6个甚至更多。而摄像头数量与其中元器件数量成正比，因此直接带动了CMOS图像传感器需求的增加。CIS之智能手机：摄像头数量增长趋势明显根据格科微招股书援引Frost&Sullivan统计，全球智能手机后臵双摄及多摄（三摄及以上）的渗透率呈现持续上升趋势。后臵双摄智能手机自2015年初具规模以来，于2018年渗透率达到高峰，占据40.0%的份额。此后，后臵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，后臵双摄及多摄智能手机渗透率合计将达到98.0%。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。智能手机摄像头搭载数量的增加直接带动了CMOS图像传感器市场需求的上升，在智能手机市场进入存量时代后，多摄趋势为CMOS图像传感器市场注入了强大的发展动能，使其有望实现显著高于手机市场的增长速率。CIS之智能汽车：智能化浪潮下的需求提升在汽车智能化浪潮中，汽车上摄像头的数量和像素级别随着自动驾驶等级的提升不断提升，以实现更加精准的路况判断、信号识别及紧急状况判断。汽车厂商对图像传感器的需求从传统的倒车雷达影像、行车记录仪扩展到电子后视镜、360度全景成像、高级驾驶辅助系统（ADAS）、驾驶员监控（DMS）等系统。随着自动驾驶技术和安全技术的发展，更多的摄像头方案成为汽车标配，车用图像传感器数量也将从传统的两颗左右提升至十余颗。同时，伴随着更复杂的应用场景对像素要求的提升，车用图像传感器的单颗价值量也将有一定幅度的上涨。CIS之智慧安防：CIS在安防领域逐渐完成对CCD替代根据韦尔股份可转债募集说明书援引YoleDevelopment的数据显示，从2012年以来，CMOS图像传感器在安防领域逐渐完成对CCD的替代，2015年安防领域CMOS图像传感器市场规模超过CCD，并在后续年度呈逐年上升趋势。2016年，安防领域的CMOS图像传感器市场用量约为1亿颗，预计到2022年将增长至3.2亿颗。根据韦尔股份可转债募集说明书援引ICInsights的数据，2018年CMOS图像传感器在安防领域的市场规模为8.2亿美元，预计2023年将上升至20亿美元，年复合增长率19.5%。CIS之机器视觉：机器视觉应用场景比较丰富机器视觉领域，近年来人工智能的理论和技术日益成熟，深度学习能力不断提高，机器视觉的应用的领域越来越广泛。伴随着运算能力的提升和3D算法、深度学习能力的不断完善，机器视觉硬件方案的不断成熟，同时各类软件应用解决方案相继提出，使其在电子制造产业应用的广度和深度都在提高，并且随着智能化消费品的技术进步和随之带来的生活习惯和消费行为的变化，包括无人机、扫地机器人、智能门禁系统、智能翻译笔在内的新兴消费电子产品在人们日常生活中的渗透率也大幅提升，消费级的应用也成为了新的高速增长方向。机器视觉应用场景比较丰富，对性能参数要求的维度差异也比较大。如高速应用场景对快门速度要求很高，需要图像传感器具有很高的帧率以避免高速场景下的误判导致事故发生。而对于如扫地机器人中用于测距的CMOS图像传感器而言，由于有3D成像的需求，所以其对HDR、感光度等特殊参数有一定的要求。五、主要厂商韦尔股份：半导体设计平台化布局公司构建了图像传感器解决方案、触控与显示解决方案和模拟解决方案三大业务体系协同发展的半导体设计业务体系。产品已经广泛应用于消费电子、安防、汽车、医疗、AR/VR等领域，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、网络摄像头、安防设备、汽车、医疗成像、AR/VR头显设备等。格科微：聚焦CIS与DDI，走向Fab-Lite模式格科微是国内领先的CMOS图像传感器芯片、DDI显示芯片设计公司，公司量产的产品线主要覆盖QVGA（8万像素）至1300万像素的CMOS图像传感器和分辨率介于QQVGA到HD之间的LCD驱动芯片。思特威：CIS安防龙头，加速拓展汽车与手机思特