CIS（CMOS Image Sensor）是摄像头模组的核心元器件，在摄像头模组中的成本占比达到52%，是影响成像的最核心要素之一，受益于手机光学创新、自动驾驶渗透率提升、安防和ARVR市场高增长，我们预计2021-2025将以11.9%的CAGR增长至330亿美元。
摘要
我们总结CIS厂商最重要的三点竞争力：工艺能力、规模优势、全面的布局。我们认为虚拟IDM/Fab-Lite为CIS龙头未来发展的最佳模式，拥有fab厂或者与先进代工厂深入绑定的公司更有竞争力。CIS出货量大、行业规模壁垒较高，尤其是手机CIS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，因此我们认为行业不太可能短时间内出现形成威胁的新进入者。
手机光学创新趋缓，有望改变竞争格局。我们从量和价的角度看未来行业进入温和增长期。我们认为未来后置主摄市场格局有2个发展方向：1）3500元以上机型继续提升CIS参数，主打大底面、定制化；2）3500元以下机型，小像素点技术或在3年内到达极限，产品迭代放缓情况下，厂商成本优势将突显。我们认为中低端机型很有可能出现长周期的通用型后置主摄，比如在64MP，0.7微米的参数上构筑单一标准化、大规模的出货料号。
我们看好非手机市场保持高增速，认为具有全面布局能力的厂商拥有更好的技术积累、收入稳定性、未来成长空间。1）ADAS带来汽车CIS迭代速度加快。我们认为车载CIS尚处于快速变化阶段。2）安防技术介于手机和汽车之间，市场和格局相对分散，思特威、豪威、格科微均有布局。3）我们认为AR/VR市场增长潜力较大，先发优势明显。
风险
手机及汽车出货量不及预期，产品研发不及预期，上游代工涨价。
正文
CIS行业概览
成像原理，核心环节和市场规模
CIS（Cmos Image Sensor）是摄像头模组的核心元器件，在摄像头模组中的成本占比达到52%。摄像头模组一般由镜片、对焦马达、红外滤光片、基座、图像传感器、PCB/FPC等零部件组成，其中镜头，CIS，算法是影响成像的最核心要素。
CIS芯片由感光像素单元和逻辑处理单元组成，前者将光信号转化为电信号，后者将电信号转化为数字信号。按照光信号的转换过程：1）镜头利用透镜的折射原理汇聚光信号使其在CIS上清晰成像，镜片数量越多，成像质量越高，相应对设计制造的精度要求越高。2）CIS的光电二极管阵列将经过微透镜聚合、滤光片过滤的光信号转化为电信号，电信号经过放大器放大、CDS去除噪声后进一步通过ADC转化为数字信号输出。3）通过ISP的内置算法，经过镜头矫正、缺陷像素矫正、颜色插值、白平衡和色彩矫正等多个步骤，将CIS感光单元输出的拜尔格式原始图像转换为高质量图像，基于此可进一步根据对图像的实时计算实现自动曝光、自动对焦、防抖动等功能。
图表1：CIS成像结构和原理
资料来源：Yole，LUCID，智研咨询，中金公司研究部
市场规模：2020年为179.1亿美元，未来五年CAGR达11.9%
根据Frost&Sullivan数据，自2016至2020年，全球CIS出货量从41.4颗快速增长至77.2亿颗，主要得益于多摄手机的广泛普及和汽车电子、安防监控和其他新兴领域的快速发展，预计2021年至2025年CIS出货量将继续保持8.5%的CAGR，2025年预计可达116.4亿颗。与出货量增长趋势类似，2016-2020年全球CMOS图像传感器销售额从94.1亿美元增长至179.1亿美元，CAGR为17.5%，预计2021-2025将以11.9%的CAGR增长至330亿美元。
图表2：CIS市场规模预测
资料来源：Frost&Sullivan，中金公司研究部
产业链：下游主要为相机模组厂商，主要厂商采用IDM模式
CIS制造产业链主要细分为设计、代工和封装测试三个环节，最后由模组厂采购组装，整合入摄像头模组再出售给下游应用厂商。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、三星等龙头企业均采用IDM模式，而豪威、格科微等中国企业多采用Fabless模式。
图表3：CIS产业链
资料来源：万得资讯，彭博资讯，中金公司研究部
CIS竞争格局：（所有赛道）索尼为龙头，前三名市场份额稳定
市占率情况
从CIS行业竞争格局来看，行业集中度较高，索尼、三星、豪威为龙头厂商。截至2020年，索尼仍为CIS产业龙头，市场份额达到40%。三星和豪威分别占据22%、11%的市场份额。前三名市场份额稳定并深耕智能手机成像领域，在智能手机CIS市场中占到85%的份额。细分市场来看，索尼的产品线布局较为完善，覆盖智能手机、汽车、安防、工业等领域，三星凭借在智能手机市场的地位和品牌知名度，在智能手机市场占据较高的市场份额。豪威在智能手机、汽车、安防领域布局较早，并占据一定市场份额，安森美深耕汽车电子领域，思特威是安防领域龙头厂商。
图表4：全球CIS市场份额情况
资料来源：Strategy Analytics，Yole，TSR，Frost&Sullivan，中金公司研究部
图表5：主要CIS厂商情况对比
资料来源：万得资讯，Omdia，各公司官网，招股说明书，中金公司研究部
风险提示
手机及汽车出货量不及预期：全球手机和汽车出货量存在季节性波动，全年出货受到宏观经济环境以及疫情不确定性影响。若手机及汽车出货量低于预期，可能对市场空间及公司业绩产生影响。
产品研发不及预期：CIS市场规模增长一定程度受到光学创新驱动，若产品研发进展不及预期，或将导致市场景气度低于预期；国产CIS厂商的高端产品研发突破进展若低于预期也可能影响公司业绩增长。
上游代工涨价：国产CIS厂商主要采用Fabless或Fab-lite模式，若全球晶圆产能持续紧张导致上游代工涨价，或将对CIS设计厂商的短期利润产生影响。
CMOS图像传感器的发展趋势
我们认为，未来手机CIS将围绕提升画质、感光性能、信噪比，减少数据传输损失、画面扭曲等方向继续演进，从像素技术、对焦、快门、CFA、架构等多个角度进行技术创新，推动ASP不断提升。
图表6：CIS技术趋势演进
资料来源：各公司官网，中金公司研究部
感光层：核心竞争力体现在设计和工艺
FSI——BSI——堆栈BSI
传统CIS采用前照式（FSI）工艺，光线经过微透镜、滤光片之后，首先进入金属布线层，再进入感光区。FSI结构的光学路径较长，光线经过金属布线会吸收或损耗20%-70%的光线，限制了感光区的进光量和成像质量。我们看到目前5MP及以上像素的CIS产品基本采用BSI工艺。
BSI工艺显著增加感光量，目前已覆盖主流市场
2008年索尼推出背照式（BSI）工艺，将晶圆翻转，并在背部做滤光片及微透镜，使得电器组件与光线分离，避免了FSI金属布线层对光线的吸收和损耗，增加了单位像素获得的进光量，同时对入射光的角度容忍度更高，增加了感光量，提升拍摄效果。BSI结构存在以下2个难点：1）像素串扰问题：由于BSI晶圆经过翻转，入射光首先进入光电二极管附近的硅体材料，光线会漫射到临近像素，从而形成串扰。2）工艺难度和成本增加：BSI的工艺流程需要额外的晶圆粘片和减薄、背面处理及背面钝化等处理工艺，由于CFA和微透镜的处理需要在背面进行，晶圆翘曲和材料背面结构对准的困难加大，工艺难度和制造成本大大提高。
图表7：FSI与BSI工艺流程对比
资料来源：Yole，中金公司研究部
隔离技术为解决像素串扰问题的壁垒，厂商实现方式呈现差异化。三星ISOCELL技术树立相邻像素之间的物理屏障。索尼的DTI 深沟槽隔离技术设置Si-SiO2界面隔离墙，Si-SiO2组成类波导结构，将光线限制在硅中，实现光学隔离。豪威的PureCelPlus通过引入埋藏式滤光片阵列（BCFA）、深沟槽隔离（DTI）及复合金属网格（CMG）技术提高像素灵敏度，减少像素串扰。
双层堆栈式和多层堆栈趋势推动高端产品性能升级
2012年，索尼推出将感光像素单元和信号处理单元堆叠的堆栈式CMOS图像传感器，将逻辑电路放在原本CIS芯片的支撑衬底上。堆栈背照式的主要优势在于：1）像素层面积占比提升，缩小芯片尺寸；2）逻辑电路能使用更小制程，增加逻辑处理电路的晶体管数量，提高像素处理速度、集成更多功能，例如自动对焦、光学防抖等；3）避免“退火”热处理过程对逻辑处理电路的损伤。三层堆栈式：2017年索尼推出了三层堆栈式CIS产品IMX400。在双层堆栈中加入DRAM层，像素层输出信号传递到下层的逻辑电路，经过数字转换后的图像数据传输到中间的DRAM层暂时存储，大幅提升了读取速度，实现高速拍摄。
我们判断堆栈式更适合于中高端市场，主要由于消耗至少2块晶圆，成本较高，但逻辑层如果集成更多功能可能过热，对传感器形成干扰。我们观察到手机市场上16MP以下产品仍以非堆栈为主。
图表8：前照式与堆叠背照式方案结构对比
资料来源：索尼官网，中金公司研究部
彩色滤光片和微透镜工艺
彩色滤光片（color filter）
发展趋势#1：组合方式创新适用不同场景。一般而言，彩色滤光片最常用的组合方式为拜尔阵列，其他衍生排列方式还包括RYYB 、RGBC、RCCB、RCCC、MONO等。本质上，不同种类阵列是根据应用场景和需求在色彩真实度和信噪比之间的妥协。比如，用于自动驾驶的车载摄像头常采用RCCC阵列以实现高灵敏度的信号灯检测。
发展趋势#2：像素四合一排列改善暗光。2016年索尼推出了四合一Quad Bayer像素技术，三星2020年推出的一亿像素传感器ISOCELL Bright HM1中采用了Nonacell像素九合一技术，豪威也在2019年推出的OV32A产品中开始使用4-Cell像素四合一的彩色滤光设计。我们认为实现超高像素除了需要四合一像素排列以外，ISP算法能力也至关重要，头部厂商更具优势。
图表9：QUAD像素技术工作原理
资料来源：SK海力士官网，中金公司研究部
微透镜
在像素技术日益复杂的今天，OCL创新型解决方案成为改善对焦的重要途径。三星ISOCELL GW1采用的super PD对焦技术使用椭圆形微透镜覆盖两个对焦像素，比较左右相位以实现快速对焦。2019年索尼发布2x2 On-Chip Lens(OCL)解决方案，将相同颜色的四个像素共用一个OCL激光镜片，减少了对焦点之间的空隙，对焦面积能够覆盖整个屏幕，并且能够实现垂直、水平、斜向各个方向的相位检测，提高了对焦准确性，在低光照下也能获得稳定的对焦功能。
ISP：CIS只集成前端处理功能，后端厂商自研主打差异化
CIS逻辑层
历史上图像处理功能和平台芯片发展有关，也和手机创新周期相辅相成。我们判断低端/高端CIS逻辑层有不同发展趋势：1）低像素产品保持轻量级，逻辑层只保留必要的功能，其余功能外置，控制CIS成本和功耗。2）高端产品融合更多算法，更可能采用多层堆栈集成更复杂的性能。尤其是工业领域融合一定的边缘AI算力，像素层拍完画面后立即由AI处理器做运算，能够降低数据处理的时延，索尼和思特威为该领域的先行者。
图表10：ISP和套片的发展关系
资料来源：各公司官网，中金公司研究部
ISP芯片/SoC芯片
近年来外置自研ISP成为国内手机厂商自研芯片的切入口。ISP对提升图像质量起到关键作用，而使用内置ISP的手机厂商受到SoC迭代速度制约，SoC平台厂商话语权较强，往往难以实现产品的差异化需求，我们看到未来手机厂商在影像领域实现差异化竞争的趋势：1）大部分厂商自研ISP芯片，2）平台能力强的品牌厂商自研SoC集成ISP。
图表11：外置ISP与内置ISP架构对比
资料来源：OpenFPGA，中金公司研究部
历史复盘：传统CCD巨头、存储厂商、新兴CIS厂商同台竞技
导入期，CIS快速替代CCD（1993年-2005年）：三类玩家切入CIS领域：1）传统CCD巨头的能力圈延伸，如索尼、佳能；2）半导体公司的平台化拓展，包括美光、东芝等；3）以豪威为代表的新兴CIS厂商。快速成长期，CIS随着智能手机渗透率提升实现快速增长，索尼引领技术迭代（2006年-2017年）：1）智能手机渗透率快速提升驱动手机CIS需求的提升，技术迭代快速，索尼在设计、工艺上引领行业技术发展。2）并购是份额提升的另一重要手段，安森美通过三次并购确立头部厂商地位，索尼通过收购东芝CIS业务强化龙头地位。持续增长期，行业格局趋于稳定，集中度提升（2018年-至今）：1）需求端，手机出货量增长乏力，市场增长的主要驱动力转变为光学升级。2）供给端，下游对成本的考量提升，规模效应显著；既有技术路径方向明确，行业格局趋于稳定且向龙头集中。
图表12：CIS行业历史复盘
资料来源：TechInsight，Yole，各公司官网，中金公司研究部
通过复盘历史可以发现，曾有大量存储厂商切入CIS市场，其中美光、东芝等历史上通过分拆CIS业务退出，三星、海力士等存储厂商仍然在CIS市场占据一定份额。我们认为，大量存储厂商选择切入CIS的主要原因为：1）结构相似性。存储芯片的主要通过多个存储单元构成的矩阵实现数据的存储，通过读/写控制器实现数据的输入和输出，有多层堆叠技术，结构、工艺与CIS有相似性。2）CIS量产规模较大，有利于保证产能利用率。在存储价格周期性波动时，可以通过在存储和CIS产品中灵活调配产能，从而更好地平抑价格周期的影响。3）高端CIS往多层堆栈演进，结构中需要用到一层DRAM，为存储厂商优势产品。
我们认为历史上兼收并购不断、最终影响行业格局的关键因素有：1）随着光学升级节奏加快，部分存储厂商并未集中精力发展CIS业务，因此在光学创新能力和产品迭代速度上处于劣势。索尼则是通过多轮设计、工艺上的创新获得苹果订单。2）智能手机品牌头部集中化演进过程中，切入并深度绑定头部客户能强化技术优势并进一步形成规模。三星手机使得其CIS业务能更好理解下游需求，紧跟技术创新动态，订单确定性更高。3）CIS具有一定周期性，布局多个下游领域的CIS厂商能更好地平抑周期波动的影响，提高产能供给的稳定性和自身盈利能力。目前索尼、豪威在手机、汽车、安防领域市占率都位于前三，综合实力较强。4）由于CIS产能需要较长的建设和产能爬坡期，稳定且充足的产能供给能力成为切入品牌客户的先决条件，成熟的IDM模式和紧密合作的虚拟IDM模式成为更具竞争力的选择。
手机CIS：手机光学升级到哪了？
行业驱动力的四维拆解
#1量价：三摄渗透率持续提升，大像面、高像素趋势持续
近年来手机创新逐渐放缓，但影像升级依旧是形成差异化的主赛道，而CIS是决定拍摄效果的核心零部件之一。
从“量”来看，短期内厂商三摄/四摄方案出现一定分化，单机搭载颗数保持提升。我们观察到：1）小米、OPPO、Vivo等国产安卓品牌部分机型出现降规（四摄降三摄）趋势，但三摄及以上方案总体渗透率仍不断提升。我们认为主要是由于第四颗摄像头功能定位不清晰，因此国产安卓厂商追求性价比减少摄像头数量的堆叠，可能的替代方案是升级主摄的像素规格。2）苹果、三星、华为、荣耀等厂商积极推动四摄方案，我们认为主要是由于其定位高端，追求最高配置和成像效果。例如2021年1月三星的Galaxy S21 Ultra旗舰机型就采用了后置四摄的设计，主摄达到一亿像素规格，并配备两颗1000万像素的长焦镜头和一颗1200万像素的超广角镜头。3）总体数量保持提升。根据IDC数据，3Q20至2Q21,全球智能手机单机搭载镜头颗数从3.43颗逐季度提升至3.6颗，保持稳定上升态势。
图表13：主要品牌手机摄像头数量渗透趋势
资料来源：IDC，中金公司研究部
图表14：智能手机多摄渗透情况和平均单部智能手机摄像头数量
资料来源：IDC，中金公司研究部
从“质”来看，大像面、高像素仍为提升拍照性能的主要因素。1）大像面：由于同等条件下CIS像素层面积越大，成像质量越好，因此大像面逐渐成为旗舰机型追求的方向。近年来华为、苹果等厂商纷纷向索尼定制大尺寸CIS以提升手机摄像头的感光性能，推动CIS由1/3”等中尺寸向1/1.3”大尺寸发展，三星、OPPO、Vivo等厂商也纷纷跟进大像面策略。2）高像素：目前主流旗舰机型主摄像素为48/64MP，1亿/2亿像素经过迭代之后随着性能改善开始占领一部分市场。我们认为一亿以上像素的技术壁垒在于小像素点技术、多合一像素技术、demosaic算法等，短期来看我们认为擅长小像素点技术的三星、豪威有望引领一亿像素以上市场。
图表15：六大手机品牌厂商高像素（3200万及以上）镜头出货量及渗透率
资料来源：IDC,中金公司研究部
注：出货量及渗透率按照苹果、三星、华为、小米、OPPO、Vivo六大品牌厂商数据统计。2020年Q4高像素渗透率波动较大主要原因为苹果手机（主要采用12MP镜头）出货量大幅增长，而安卓系高像素镜头渗透率仍保持稳定。
图表16：旗舰机光学方案演进
资料来源：GsmArena，中金公司研究部
#2技术趋势：安卓系持续发力小像素点，豪威time-to-market领先
中低端（600美元以下）机型占据手机市场的主流。据IDC数据统计，2020年600美元以下中低端机型出货量占比达到64%，占49%的市场份额；按销售额口径，安卓系手机中，中低端机型占据73.7%市场份额。由于后置主摄是价值量最高的一颗CIS，我们认为，600美元以下的中低端机型后置主摄是CIS厂商聚焦的主要市场。
小像素点趋势为安卓厂商出于性价比考量的长期发展方向，豪威新品推出节奏领先。由于手机用户对像素升级的需求和感知度较为明显，因此高像素成为手机厂商的主打卖点之一，而中低端手机往往侧重性价比，因此安卓系厂商通过缩小像素点，在CIS面积不变的情况下提升像素点数量，从而控制成本。目前高像素领域主流的CIS 为0.7-0.8微米，2021年5月豪威在行业内率先发布0.61微米 6000万像素的传感器OV60A。
我们看到小像素点技术由于光学原理限制最小可演进到0.56微米，仍有2-3年的迭代空间，三星与豪威将追逐这一趋势，而索尼由于产线较为落后在小像素技术上暂时落后。我们认为高像素CIS领域的新进入者也将以小像素点产品为主要研发目标。像素尺寸缩小后CIS厂商必须解决进光量减少、像素点串扰、动态范围下降、滤光镜和微透镜光学结构缩小等问题，对隔离技术提出更高的要求。
我们看好小像素点方案凭借性价比优势在未来2-3年持续渗透更大市场空间：1）50MP及以下方案渗透1000元以下机型， 2）Magic3等为代表的多主摄旗舰机型，3）全面屏带来的前置摄像头升级空间。
图表17：各家手机CIS产品roadmap
资料来源：各公司官网，中金公司研究部
#3下游：安卓手机品牌份额提升，抢先推出高端产品弥补“华为空缺”
根据IDC数据显示，国产安卓品牌市场份额近年来不断提升，以小米、OPPO、Vivo为例，三家出货量市场份额由2019年的26%增长至2021年上半年的36%。华为出货量锐减，跌出全球前五，而小米出货量增长迅猛，目前已占到15%的市场份额。我们看好国产CIS厂商凭借更紧密的合作在国产替代背景下享受国产品牌出货增长红利。
图表18：七大手机品牌2019-2020出货量及市占率
资料来源：IDC，各公司官网，中金公司研究部
高端机型方面，自2020年Q2以来，以小米、OPPO、Vivo为首的安卓品牌厂商600美元以上高端机型出货量大幅提升。我们认为主要是由于华为高端机型受阻释放市场空间，国产安卓厂商不断推出高端机型弥补其空缺，但整体中国企业高端机市占率并没有获得大幅度增长。根据IDC数据，2019年至今国产品牌在600美元以上机型的市占率基本保持在12%-14%。索尼和三星仍为高端机主流品牌。
我们认为高端产品必须和下游品牌协同开发，索尼背靠苹果，三星背靠自有品牌获得高端产品研发迭代上的支持。我们认为随着国产高端机型的出货量的不断提升，本土CIS厂商有望凭借技术创新、更好的协同增加高端市场份额。例如小米10 Ultra主摄放弃了之前小米10系列使用的三星1.08亿产品HM1，转而使用豪威的OV48C传感器。高端市场对成本敏感度较低，我们更加看好具备设计和整体解决方案创新能力的厂商实现突破。
图表19：米OV高端机型（600美元以上）出货量及增速
资料来源：IDC，中金公司研究部
图表20：五大安卓品牌高端机型（600美元以上）市场份额
资料来源：IDC，中金公司研究部
#4上游：BSI产能的稳定供应成为厂商核心竞争力，制造端进入壁垒高
相比于数字芯片等产品，CIS往往毛利率较低，但出货规模较大。随着光学升级带来的需求上升造成供不应求，为应对短期产能趋紧、抵抗长期周期性波动，各大CIS厂商纷纷扩产。索尼2020年产能达到12.7万片/月，目前正新建日本长崎工厂，我们预计2021年底总产能达到14万片/月；三星目前自用产能约9万片，正将部分DRAM产能（11号线、13号线）转产至CIS，并向Global Foundries、 UMC扩产；豪威目前总产能约8万片，并计划加单台积电代工。国内厂商格科微通过锁定委外产能如武汉新芯、华虹以及建设BSI后道产线增加产能供应，我们预计2021年底产能达到约5万片/月（12寸约当产量）。
生产CIS所需要的BSI工艺流程复杂，产能掌握在索尼、三星等IDM厂商以及为数不多的代工厂手中。代工厂主要通过和CIS厂商合作开发切入代工产线，开发、扩产周期长，我们认为新进入者很难短期内获取充足产能形成规模。
竞争格局：光学升级趋缓，高像素市场格局有望改变
低像素市场产品形态稳定，但市场规模受到新机型定义的影响，长期看2MP,5MP有萎缩趋势，因此低像素供应商必须向上拓展高端产品。
高像素市场小像素点目前已演进到0.6微米，根据光学原理CIS像素点技术升级在未来2-3年接近极限。过去后置主摄几乎一年一升级从32MP到48MP再到64MP，虽然厂商积极研发1亿2亿像素产品，但我们认为出于性能和成本考量将仅有部分厂商的部分机型采用，64MP将留存更长期间。
因此，在光学升级趋缓的情况下，我们判断未来1-2年后，后置主摄产品方案可能出现分化：1）高端机型继续提升CIS参数、定制化，我们看好豪威在高端机型上追赶索尼和三星，2）中低端机型很有可能出现长周期的通用型产品，构筑单一标准化、大规模出货的市场。中低端机型产品价格更加敏感，我们看好格科微凭借在该产品上的成本优势突破高像素市场。
图表21：豪威/格科微/思特威的对比
资料来源：万得资讯，公司公告，中金公司研究部
文章来源
本文摘自：2021年12月22日已经发布的《光学系列深度#2：国产替代和全球领先并进，CIS芯片有望迎来新格局》
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彭 虎 SAC 执证编号：S0080521020001 SFC CE Ref：BRE806
本文转载自《中金点睛》
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