自美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出固態(tài)成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速發(fā)展，成為傳感技術(shù)中的一個(gè)重要分支。
圖像傳感器近期更是成為市場(chǎng)上不容忽視的焦點(diǎn)，形成了半導(dǎo)體行業(yè)最炙手可熱的領(lǐng)域之一。目前CCD圖像傳感器和COMS圖像傳感器(CIS)是被普遍采用的兩種圖像傳感器。
CCD圖像傳感器是通過將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)由CCD感光片完成。CCD感光片由三部分組成，即鏡片，彩色濾鏡和感應(yīng)電路，大致的形狀和運(yùn)作方式已經(jīng)定型。
CMOS圖像傳感器(CIS)是模擬電路和數(shù)字電路的集成。主要由四個(gè)組件構(gòu)成：微透鏡、 彩色濾光片(CF)、光電二極管(PD)、像素設(shè)計(jì)。 CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。
據(jù)MarketsandMarkets稱，因CCD具有更高的分辨率和光敏性，因此傳統(tǒng)上占據(jù)了最大的市場(chǎng)份額。但就目前市場(chǎng)而言，CIS因其成本效益、快速處理速度和低功耗等特性而廣受大眾關(guān)注且認(rèn)為其最有發(fā)展?jié)摿Φ摹Ｒ蚱涑叽缧?、功率低、易集成、幀速率更快和制造成本更低等自身?yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)將占領(lǐng)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。
一、CIS行業(yè)整體情況
談到CIS市場(chǎng)就不能不提到龍頭—索尼，2018年索尼市占率達(dá)到51%，三星與豪威分列二、三位，市占率分別為20%、10%，前三名合計(jì)市場(chǎng)份額達(dá)到81%，市場(chǎng)份額集中度較高。細(xì)分市場(chǎng)來(lái)看，2018年智能手機(jī) CIS 龍頭仍為索尼，市占率達(dá)到 54%，得益于三星在全球智能手機(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)先地位，三星電子智能手機(jī)用 CIS 市占率達(dá)到 22%，豪威則市占率達(dá)到 11%。
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受益于ADAS及自動(dòng)駕駛的需求拉動(dòng)，汽車 CIS 市場(chǎng)趨勢(shì)也是不容小覷。大數(shù)據(jù)表明未來(lái) 5 年汽車 CIS 市場(chǎng)將保持20%的年均復(fù)合增速，市場(chǎng)規(guī)模有望從2019年9億美元快速成長(zhǎng)至 2023的19 億美元，增速高于其他 CIS 細(xì)分市場(chǎng)。而根據(jù)Yole 數(shù)據(jù)，2018年全球汽車搭載2顆及以上CIS的汽車滲透率僅為 34%，2021年該數(shù)值有望成長(zhǎng)至 60%，單車搭載的攝像頭顆數(shù)將快速提升。而目前汽車CIS市
場(chǎng)是由安森美作為主力軍的，2018 年在全球車用 CIS 領(lǐng)域的市占率達(dá)到 62%，而豪威在汽車CIS 市場(chǎng)緊隨其后，市占率為 20%。雖然索尼在全球 CIS 市場(chǎng)占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位，但由于汽車廠商對(duì) CIS 的要求不同于手機(jī)，耐高溫、防撞等可靠性指標(biāo)是主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)車廠的驗(yàn)證時(shí)間也較長(zhǎng)，在汽車領(lǐng)域安森美和豪威比索尼略有優(yōu)勢(shì)。
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安防市場(chǎng)市占率則較為分散，2018 年索尼、豪威、三星位居前三，SK 海力士、松下、格科微等廠商也具備一定競(jìng)爭(zhēng)力。
二、CIS市場(chǎng)需求量
2020年，隨著上游晶圓的產(chǎn)能愈發(fā)緊張，CIS芯片的供貨缺口也進(jìn)一步加大。根據(jù)市場(chǎng)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，CIS嚴(yán)重存在供應(yīng)不求：5M及以下的CIS出現(xiàn)了兩次大規(guī)模漲價(jià)，而漲價(jià)的廠商大都分布在我國(guó)大陸地區(qū)，其中，格科微的缺貨情況尤為明顯，為緩解壓力，格科微不得不在短期內(nèi)兩次上調(diào)產(chǎn)品價(jià)格，整體漲幅至今已接近40%。此外，思比科、比亞迪等多家CIS芯片廠商同樣有調(diào)價(jià)操作。CIS出現(xiàn)缺貨主要是需求爆發(fā)而產(chǎn)能不足，貿(mào)易戰(zhàn)下，多數(shù)晶圓廠的產(chǎn)能優(yōu)先提供給大客戶，小客戶的單被砍掉后相關(guān)芯片自然就缺貨了。而需求的快速增長(zhǎng)主要來(lái)源于多攝像頭在智能手機(jī)市場(chǎng)的普及率大幅度提升，并擴(kuò)散至中低端機(jī)型，造成市場(chǎng)對(duì)中低端CIS產(chǎn)品需求增加。除智能手機(jī)外，汽車電子、安防監(jiān)控等終端產(chǎn)品攝像頭數(shù)量成倍增加也是CIS市場(chǎng)的需求快速增長(zhǎng)的原因之一。
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根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)IC Insights統(tǒng)計(jì)，2019年CIS全球出貨量達(dá)到61億顆，銷售額估較2018年成長(zhǎng)9％、至155億美元，可望連續(xù)八年刷新紀(jì)錄，今年可望成長(zhǎng)4％、到161億美元，此趨勢(shì)將延續(xù)至2023年有望突破95億顆形式。目前CIS最大終端應(yīng)用在智能手機(jī)，但從成長(zhǎng)性來(lái)看，汽車領(lǐng)域爆發(fā)力最強(qiáng)，至2023年銷售額年復(fù)合成長(zhǎng)率（CAGR）估達(dá)到29.7％、上看32億美元；占整體CIS比重達(dá)15％。
三、CIS與CCD工作原理
有人就會(huì)疑惑CIS市場(chǎng)真的像這些數(shù)據(jù)表現(xiàn)的如此優(yōu)越嗎？那么我們就需要先去了解其基本工作原理：我們把接收到的光當(dāng)做密集的雨點(diǎn)，把像素點(diǎn)比作水桶。CCD上的“水桶”按列平行排布，每一列再逐列傳給轉(zhuǎn)移桶(信號(hào)讀取)，然后將數(shù)據(jù)一起打包放大輸出(數(shù)據(jù)傳輸)，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。而CIS上的“水桶”則是同時(shí)運(yùn)作接收“雨滴”，即同時(shí)接收并讀取光信號(hào)，并且每個(gè)像素點(diǎn)單獨(dú)配置了信號(hào)放大器，能直接將電信號(hào)直接傳輸給電路板。
四、CIS與CCD差異區(qū)別
所謂：“尺有所短，寸有所長(zhǎng)?！盋IS也是如此，CIS與CCD確實(shí)相比有很多突出的特點(diǎn)，如體積小、功耗低、成本低，但CIS仍然面臨一些不可以避免的問題，如散熱性、分辨率、靈敏度、信噪比等。
CIS與CCD光信號(hào)采集方式不同，CCD采取的是被動(dòng)式，而CIS則采用的是主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出。CIS在處理快速變化的影像時(shí)，電流會(huì)頻繁變化并且流量增大從而導(dǎo)致其過熱。這個(gè)問題也是CIS供應(yīng)商一直以來(lái)所考慮的，所以對(duì)IC封裝材料的選擇上更是精心篩選。而在一眾IC封裝材料中，陶瓷電路板因其自身的載流量大符合CIS電流量要求就已領(lǐng)先一步，再者陶瓷本身材質(zhì)散熱性好、與其匹配的熱膨脹系數(shù)的優(yōu)勢(shì)更是很好解決了CIS電路頻繁變化而導(dǎo)致的過熱的問題并且可以使其保持恒溫狀態(tài)。
由于CIS每個(gè)像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)備壓縮單一像素的感光區(qū)域的表面積，以致于CIS的靈敏度較低，CIS供應(yīng)商一直在為減小像素間距而努力。只有圖像傳感器的像素越多，分辨率也越高。但是，隨著像素間距尺寸與光的波長(zhǎng)越來(lái)越接近，像素縮小變得越來(lái)越困難。豪威科技（OmniVision）工藝工程負(fù)責(zé)人Lindsay Grant表示：“現(xiàn)在研發(fā)團(tuán)隊(duì)必須找到新方法來(lái)避免靈敏度降低和傳感器的串?dāng)_增加。”而另一種趨勢(shì)則是CMOS圖像傳感器的像素大小保持不變，改進(jìn)方向從減少像素尺寸轉(zhuǎn)向提高圖像質(zhì)量。不論是減小像素間距還是減少像素尺寸，都無(wú)疑是在說(shuō)明會(huì)對(duì)該集成電路精密度會(huì)越來(lái)越高，這就意味著該器件的集成度要高，運(yùn)行速度要快、性能要好，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中傳感器精密對(duì)于系統(tǒng)在布置時(shí)也意味著更加方便、性能更優(yōu)。但與此同時(shí)，對(duì)硬件的要求也就隨之提升，其中的核心就是傳感器芯片了，市場(chǎng)上的普通PCB遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足CIS的要求，而陶瓷電路板卻有著可進(jìn)行高密度組裝，線/間距(L/S)分辨率可以達(dá)到20μm優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集成化、微型化，達(dá)到CIS的要求。
CIS的信噪聲也是一直以來(lái)讓其供應(yīng)商大感頭疼的，相較于CIS而言,CCD芯片的襯底偏壓穩(wěn)定性更好且芯片上的電路更少，所以擁有更顯著的低噪優(yōu)勢(shì)，甚至達(dá)到無(wú)固定模式噪聲的水平。CIS成像器件集成度高，各光電元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大。 CIS器件集成度高也是其優(yōu)勢(shì)所在，所以從芯片的穩(wěn)定性上尋找方法更為合適。而陶瓷電路板采取DPC薄膜技術(shù)，利用磁控濺射的工藝將銅與陶瓷基板相結(jié)合起來(lái)，所以陶瓷電路板的金屬的結(jié)晶性能好，平整度好、線路不易脫落并具有可靠性穩(wěn)定的性能，能夠很好的減少CIS噪聲從而降低對(duì)于圖像質(zhì)量的影響。
陶瓷電路板除上述優(yōu)勢(shì)外，就其導(dǎo)電層可根據(jù)電路模塊需要設(shè)計(jì)任意電流，即銅層越厚，可以通過的電流越大，我們的厚度是可以在1μm～1mm內(nèi)任意定制，可以與CIS需求導(dǎo)電層高精準(zhǔn)匹配。斯利通陶瓷電路板更具有三維基板、三維布線，抗腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng)等獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，更有助于CIS的性能、特點(diǎn)鞏固加強(qiáng)。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查分析，陶瓷電路板早已在發(fā)達(dá)國(guó)家中廣泛應(yīng)用，陶瓷電路板以其絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)成為了世界級(jí)傳感器廠商的掌上明珠。
五、CIS未來(lái)可期
目前，CIS正朝著高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、高幀速、集成化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。不可否認(rèn)，CIS有著不可抗拒的廣闊的市場(chǎng)以及良好的發(fā)展前景。
未來(lái)新興市場(chǎng)對(duì)CIS的需求，同樣也是中國(guó)CIS廠商發(fā)展的新機(jī)會(huì)。
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