CIS芯片市場風云再起:三星計劃挑戰(zhàn)索尼地位
圖像傳感器分為CCD傳感器和CIS傳感器兩大類別,CCD傳感器主要應用于單反相機、工業(yè)應用等場景。CIS傳感器由于體積更小、成本更低等優(yōu)勢廣泛的應用于手機、汽車、安防、醫(yī)療等場景。
本文引用地址:http://2s4d.com/article/202101/422048.htmCIS芯片市場
在全球手機市場增長放緩的背景下,手機攝像頭出貨逆勢增長屢創(chuàng)新高。隨著5G商業(yè)應用的到來,5G手機也必將迎來新一次換機潮流,相信攝像頭也將迎來新一輪爆發(fā)。根據(jù)調(diào)查研究,在軟硬件配置和操作體驗兩大維度中,攝像頭像素和拍照效果分別成為消費者選擇智能手機的第一要素。
智能手機發(fā)展的下半場,各廠商不約而同的選擇在拍照功能上進行角逐 ——— 2016年為雙攝像頭爆發(fā)的元年,2019年則成為手機三攝像頭普及的大年。三攝配置在提升場景化適應能力上有著質(zhì)的飛躍,面對遠距離拍攝場景,傳統(tǒng)的單個攝像頭方案拍照呈現(xiàn)效果較差,主攝+長焦鏡頭相互配合能夠明顯改善用戶體驗。
某些CIS器件用于記錄可見光線,其他一些則屬于紅外(IR) 或近紅外(NIR)相機元件,記錄可見光的設(shè)備可提供識別周圍環(huán)境和物體的視頻流。而紅外CIS就包括最近越來越流行的面部識別相機,它們可以利用結(jié)構(gòu)光在黑暗條件下識別人臉。
在目前的智能手機應用中,攝像頭模組占據(jù)了整個BOM成本的榜首位置。而在攝像頭模組中,CIS芯片又占據(jù)了成本的大頭,占比高達52%,屬于最貴的組件。(當然,CIS成本也要根據(jù)元器件的成像效果、像素、尺寸的不同,數(shù)據(jù)上會有一定差異。)作為攝像頭模組中最昂貴的零部件,CIS芯片的市場前景巨大。
CIS主要應用于圖像和視頻采集場所,集成于攝像頭模組之中。也就是說,所有需要圖像采集的設(shè)備,都需要用到CIS芯片。典型的如手機攝像頭、安防攝像頭、汽車ADAS的視覺輔助攝像頭、醫(yī)療行業(yè)的X-Ray以及內(nèi)窺鏡、甚至于指紋識別的圖像識別芯片等等,都需要用到CIS芯片。
從目前的CIS行業(yè)應用來看,手機領(lǐng)域的CIS應用占據(jù)了半壁江山,特別是手機逐步由單攝、雙攝,演進到三攝、四攝,以及TOF面部識別、屏下指紋等新的功能,都刺激了CIS芯片的需求;同時,隨著對攝像頭圖像精度要求的提升,分辨率和像素大幅躍進,手機攝像頭演進到了億級像素,對CIS芯片的性能要求也不斷提升。
其次為單反、汽車、工業(yè)、安防、電腦、醫(yī)療等領(lǐng)域應用廣泛,隨著下游行業(yè)快速發(fā)展壯大,全球CIS市場需求持續(xù)增長行業(yè)發(fā)展勢頭強勁。
未來幾年,隨著車聯(lián)網(wǎng)、智能汽車、機器人的應用普及,在車體或機器人的四周加裝4-8個CIS實現(xiàn)360度全景成像、線路檢測、障礙物檢測、防撞、自動駕駛等功能的應用市場將快速發(fā)展。到2022年,汽車攝像頭用量將超過3.7億顆。預計到2021年,汽車在CIS芯片的市場占比將從目前不足5%提升至14%。
安防CIS芯片用量在2016年為1億顆,到2022年預計將增長至3.2億顆以上,復合增速達21%。安防領(lǐng)域攝像頭目前1080P已經(jīng)成為主流,逐步向2K/4K發(fā)展,人臉識別及物體識別的需求興起,高分辨率成為發(fā)展的必然趨勢。
在手機多攝、車載、安防三駕馬車的拉動下,CIS將保持高速增長態(tài)勢,根據(jù)Yole Developpement的預測,2016至2022年間,CIS市場規(guī)模年復合增長率高達10.5%。
CIS芯片原理
CIS是CMOS圖像傳感器英文名稱CMOS Image Sensor的縮寫,具有尺寸小、敏感度高、高度集成、功耗較低、成像速度快、成本較低等優(yōu)點。
CIS由感光單元陣列和輔助控制電路構(gòu)成,傳感器感知的是外部物體的亮度和色彩信號,主要應用于圖像和視頻采集場所,集成于攝像頭模組之中。CIS芯片在攝像頭中的作用,就類似于眼睛視網(wǎng)膜的作用,用于感知外界的光刺激信號。
上圖中RGB紅綠藍的示意圖,就是CMOS圖像傳感器的位置。CIS芯片通過其上面的感光單元(感光二極管,Photodiode)接受光信號,每個感光單元對應一個像素單元。
CIS將接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號,電信號的強度體現(xiàn)了不同光照的強度,以此原理,最終構(gòu)成一幅色彩斑斕的畫面。
CIS的分辨率等于CIS的面積除以單個像素點的面積,手機內(nèi)部空間是有限的,要想提升CIS的分辨率,一方面是提升CIS尺寸,另一方面是縮小每個像素的尺寸,這也是頂級旗艦機型的攝像頭配置追求的兩大方向。
隨著CIS尺寸的增大和每個像素尺寸的縮小,手機后置主攝的分辨率也在不斷變大,從開始的2M、5M、8M到12M、13M、16M、20M再到24M、32M、48M、64M。三星S20 Ultra甚至采用了108M的CIS,分辨率超過一億像素。
CIS芯片供應緊張
根據(jù)TSR的統(tǒng)計數(shù)據(jù),2019年全球CIS的市場規(guī)模為159億美元,其中,銷售額口徑,索尼的市場占有率為 48%,排在行業(yè)第一,牢牢把握高端市場;三星市占率為 21%;豪威科技市占率7%;安森美、佳能等分列第四第五位。(其中豪威被國內(nèi)的韋爾股份收購)
CIS產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋CIS芯片設(shè)計、制造和下游攝像頭模組三個主要環(huán)節(jié)。根據(jù)CIS芯片的設(shè)計制造模式不同,同其他芯片類似,可分為IDM、Fabless、Fab-lite三種主要模式。
· IDM模式是指從設(shè)計到制造到封裝一體化的模式,由提供芯片產(chǎn)品的公司獨立完成,代表公司為索尼、三星、海力士等;
· Fabless模式是指純芯片設(shè)計模式,不參與芯片制造和封裝,代表公司為豪威、 格科微、思比科等;
· Fab-lite模式是指IDM+Fabless綜合,最核心或最擅長的芯片品類采用IDM模式,非核心或者競爭力稍差的芯片品類采用Fabless模式,交給Foundry廠商來代工生產(chǎn)。代表公司為意法、安森美等。
高端CIS價值量高,是各大CIS廠商業(yè)務(wù)重點。高端、高分辨率 CIS,對廠商設(shè)計能力、制造能力要求很高,具有很高技術(shù)壁壘,目前只有索尼、三星、豪威具有48M以上CIS設(shè)計能力。
如今晶圓產(chǎn)能緊張,造成CIS芯片行業(yè)頻頻出現(xiàn)缺貨、漲價的局面?;仡?019年,受益于手機、汽車、安防監(jiān)控等多領(lǐng)域需求同時爆發(fā),CIS芯片供不應求,產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠商先后出現(xiàn)兩次大規(guī)模價格調(diào)整,漲幅一度逼近40%。
而今雖有疫情、中美貿(mào)易問題等多方負面因素影響,卻依舊沒能打破這一局面,尤其當8英寸晶圓產(chǎn)能缺口進一步擴大后,CIS芯片缺貨、漲價的聲音更是不絕于耳:近幾年,除了CIS芯片外,各類中低端芯片的產(chǎn)品需求量增長迅速,這也是8寸晶圓頻頻告急的重要原因之一。
為解決缺貨問題,也有聲音指出可用12英寸晶圓進行替代。然而芯片廠處于對產(chǎn)品利潤的考慮,中低端像素的CIS基本都是采用性價比更高的8英寸晶圓。這也表示在8英寸晶圓的新產(chǎn)能釋放前,中低端CIS芯片或許在長時間內(nèi)都處于缺貨的狀態(tài)。
晶圓緊缺導致制造成本增加,于芯片廠來說基本屬于不可抗因素,另外在產(chǎn)能非常緊張的情況下,比漲價更讓大客戶在意的是能否按時交貨。
三星計劃挑戰(zhàn)索尼地位
在進入到2010年后,由于CMOS成像技術(shù)不斷提升,消費型數(shù)字相機以及數(shù)字中片幅產(chǎn)品都廣泛采用CMOS,這些新的應用開始推動CIS的增長,領(lǐng)先的CMOS圖像傳感器供應商之間的激烈競爭再次上升。在這十年當中,受惠于智能手機的風潮,CIS領(lǐng)域再次發(fā)生了翻天覆地的變化。
這也讓索尼有了發(fā)展的機會。在這2010中,索尼宣布計劃投入400億日元,為“Exmor”和“Exmor R”CMOS圖像傳感器擴增產(chǎn)量。這兩款產(chǎn)品為索尼搶占CMOS圖像傳感器市場打下了良好的基礎(chǔ)。
相比于以往的CIS產(chǎn)品,前照式Exmor最大的變化是內(nèi)置了ADC,該設(shè)計有效地減少了噪聲,降低了功耗,引領(lǐng)了行業(yè)將ADC集成到CMOS圖像傳感器中的風潮。Exmor R則是背照式CIS,這也是世界上第一個可量產(chǎn)的背照式傳感器。它極大地提升了夜拍效果,而后iPhone 4S采用了索尼的這種產(chǎn)品。
2011年中,除了蘋果以外,還有大量高端旗艦手機轉(zhuǎn)投索尼的懷抱,從2011年后索尼傳感器就一路高歌猛進。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,在2011年中,索尼CMOS圖像傳感器銷售中排名第三。
2012年中,索尼在圖像傳感器上實現(xiàn)了一次技術(shù)飛躍,其推出的第一個堆疊式CMOS圖像傳感器能夠?qū)深w芯片堆疊在一起,采用這種方式讓智能手機制造商可以生產(chǎn)出比此前設(shè)備更薄的機型。而后,索尼在CIS領(lǐng)域中的市場份額不斷提升,甚至在2014年開始出現(xiàn)了供不應求的情況。
2015年,索尼以1.55億美元收購東芝圖像傳感器業(yè)務(wù),至此,索尼在CIS的霸主地位就成型了。
三星在CIS領(lǐng)域也在這十年當中得到了快速發(fā)展。2013年,三星所發(fā)布了具有里程碑意義的ISOCELL技術(shù)。相比于BSI技術(shù),ISOCELL技術(shù)能夠減少30%的像素串擾,在設(shè)計集成化方面,ISOCELL還能夠進一步縮小相機模塊,讓手機和平板電腦變得更加輕薄。
近些年來,三星為了減輕對存儲產(chǎn)品的依賴,也開始將CIS視為突破點。在CIS領(lǐng)域,三星也開始試圖挑戰(zhàn)索尼的地位,并開始向安防、汽車等多個領(lǐng)域發(fā)力。為了加強其在CIS領(lǐng)域的競爭力,三星電子在圖像傳感器市場采用了兩項策略,包括采用更先進制程技術(shù),以及更具競爭力的定價策略。
在所有傳感器中,CIS器件的重要性日益突顯。隨著消費者手中的智能手機開始配備越來越多的攝像頭,這個曾經(jīng)用來“錦上添花”的功能如今已經(jīng)成為了各類手機營銷中的主要賣點。舉例來說,在2017年iPhone X發(fā)布會上,蘋果只用了大約10%的時間來介紹其相機功能;而兩年后的iPhone 11發(fā)布會,全場有近一半(49%)的時間都在介紹其相機功能如何強大。
不論是低、中、高端的CIS芯片,今年的需求很難出現(xiàn)爆發(fā)性增長。作為行業(yè)龍頭,有消息稱,索尼由于手機市場需求減少,下調(diào)了CIS在2020財年的銷量額預期。據(jù)其預測,2020財年(2020年4月-2021年3月),CIS銷量額將同比下降11.8%。
在CIS傳感器市場上,三星的最新份額在21.4%,索尼則占據(jù)了44.2的份額,依然是第一,但三星的份額在提升,索尼的份額實際上在下降,三星一直希望能夠挑戰(zhàn)索尼,特別是當前智能手機攝像頭越來越多,像素數(shù)也在大幅增長。
三星近年來首發(fā)了1億像素CIS傳感器,目前已經(jīng)得到了市場認可,訂單正在不斷增加中,三星計劃將一條內(nèi)存生產(chǎn)線轉(zhuǎn)產(chǎn)CIS芯片。據(jù)韓國經(jīng)濟引述業(yè)界消息表示,三星電子將于2021年將一座DRAM廠轉(zhuǎn)換成用以生產(chǎn)CIS,預計屆時CIS產(chǎn)量將較目前提升約20%,威脅龍頭Sony市場地位。
目前三星的CIS傳感器芯片產(chǎn)能是每月10萬晶圓,每年營收大概是42.6億美元,內(nèi)存生產(chǎn)線轉(zhuǎn)產(chǎn)之后會提升到每月12-13萬片晶圓的水平,與索尼每月13.7萬晶圓的產(chǎn)能差距大幅縮小。目前1.08億像素以上的CIS訂單增加,2020年第三季度三星CIS市占率約21%,落后Sony的44%市占率,擴大生產(chǎn)有助于追趕落后差距。
對于三星緊追其后,Sony決定投資9億多美元于日本長崎縣工廠旁興建CIS新廠。日媒報導指出,Sony日本有4間工廠生產(chǎn)手機用CIS。原本Sony規(guī)劃2021年3月前提升月產(chǎn)量至13萬片,不過之后又將月產(chǎn)量目標提高到13.8萬片,且期望2025年CIS全球市占率一舉提升至60%。
另一方面,美國強力制裁華為使近期華為手機市占率大幅滑落,獨家供貨商Sony連帶受到影響。反觀三星CIS客戶像是小米等,最近反因此受惠市占率上升。
在CIS領(lǐng)域中,除了索尼和三星外,也有一些國產(chǎn)廠商在這十年內(nèi)得到了快速發(fā)展,包括格科微、比亞迪微電子、思特威等企業(yè)。國內(nèi)CIS企業(yè)的發(fā)展,得益于近些年來中國市場對智能手機和安防方面的需求。尤其是在一些細分領(lǐng)域市場中,這些國內(nèi)CIS企業(yè)也取得了令人矚目的成績。
2013-2019年全球CIS出貨量年均復合增長率為15.2%,銷售額年均復合增長率為13.1%,均呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢;2019年全球CIS出貨量達到60.9億顆,銷售額達到154.7億美元。預計到2024年,全球CIS出貨量將達到100萬顆以上,銷售額將達到230億美元以上。
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