導語：11月1日，國內三大運營商正式上線5G商用套餐，超高速5G網絡也帶來了新的市場機會，5G手機銷量爆發式增長，三攝成為新近手機發布的標配，這直接帶動了市場對圖像傳感器零部件的需求。
近日，佔據圖像傳感器半壁江山的日本電子產品製造商索尼宣布將投資9億美元在長崎縣投資建設新工廠，以擴大CMOS圖像傳感器產能，競爭對手三星電子也在持續擴大投資和產能。
索尼公司認為，隨著下一代5G網絡變得更加廣泛，自動駕駛汽車和工廠自動化開始使用，CMOS圖像傳感器需求也會得到進一步提振。CMOS圖像傳感器市場似乎真的來到了市場紅利期。
那麼CMOS圖像傳感器（CIS）的基本概況、產業概況是怎麼樣的？有什麼樣的技術發展趨勢，又有哪些重點代表企業呢？
國家智能傳感器創新中心工程師在內部分享會上做了如下報告：
CIS基本概況
CIS行業市場規模和趨勢
2017年CMOS圖像傳感器市場規模為139億美元，Yole預計未來五年的複合年增長率（CAGR）為9.4%，到2023年CIS市場規模可能會超過230億美元。
由於自動駕駛、人工智慧、機器視覺等技術推動，未來汽車、安防、醫療、工業以及其他新興領域的份額會不斷增加。
CIS晶片產業鏈
CIS行業競爭格局
巨頭– Sony、Samsung、豪威
第二梯隊– ST、安森美、松下、SK海力士、格科微、思特威
高端應用–佳能、AMS、Teledyne、長光辰芯
索尼是無可爭議的CIS產業龍頭企業，包括市場和技術兩方面，份額超過了第2-5名的總和，而純國內企業只有格科微和思特威能上榜。
CIS晶圓代工行情
索尼等值12」晶圓年產量在92萬片左右，幾乎等於三星和臺積電兩家之和。
中芯國際和華力是國內兩家比較大的代工廠，合計超過了10%的市場出貨份額，另外還有武漢新芯以及新建的淮安德科瑪
CIS應用發展趨勢-短期
CIS應用發展趨勢-長期
CIS技術發展趨勢-手機
越來越大的傳感器尺寸
CIS尺寸對照相素質的影響至關重要，CIS尺寸越大，對進入攝像頭的光線信息捕捉的越多，對相片的還原效果就越好。手機CIS廠商都在儘可能的擴大CIS的感光面積以獲得更好的成像質量
CIS技術發展趨勢-汽車
質量- 車載CIS需要比工業級別要求更高的車載安全級別，尤其是對與前置ADAS的鏡頭安全等級要求更高
1）溫度要求：車載攝像頭溫度範圍在-40度-80度。
2）防磁抗震：汽車啟動時會產生極高的電磁脈衝，車載攝像頭必須具備極高的防磁抗震的可靠性。
3）較長的壽命：車載攝像頭的壽命至少要在8-10年以上才能滿足要求。
功能- 車載攝像頭要在複雜的運動路況環境下都都能保證採集到穩定的數據。
1）高動態：在較暗環境以及明暗差異較大下仍能實現識別，要求攝像頭CMOS具有高動態的特性。
2）中低像素：為降低晶片處理的負擔，攝像頭的像素並不需要非常高。200以下像素已經能滿足要求。
3）可視角度：對於環視和後視，一般採用135度以上的廣角鏡頭，前置攝像頭對視距要求更大，一般採用155度的範圍
事件導向CMOS圖像傳感器
CIS技術發展趨勢-安防
超低照度和超高紅外感應
在安防監控的領域，普遍需求更低的低照和超高的紅外感應的性能來做到現場監控及錄像回放時來實現更清晰的辨識人物和物體。
高信噪比
信噪比越高，傳輸圖像信號質量越高。
高動態範圍
高動態範圍是指在非常強烈的對比下讓攝像機看到影像。當強光源照射及陰影、逆光等同時存在時，明亮區域曝光過度呈白色，黑暗區域呈黑色，嚴重影響圖像質量。
高幀率
更高的幀率能有效的解決快速移動的物體攝像機拍攝時所引起的拖影現象，通常應用在道路監控等領域。
CIS技術發展趨勢-工業機器視覺
為了能夠捕捉移動物體的清晰圖像，全局快門技術已成為機器視覺市場的基本要求，其效率高低是關鍵的性能指標之一。
2018年Sony發布了全球首款全局快門背照式傳感器。在此之前，市場上的所有背照式傳感器均為捲簾快門，因而會在拍攝高速運動的物體時產生「果凍效應」造成物體嚴重變形，但擁有全局快門的傳感器則能夠通過讓傳感器上的單個像素點在同一時間捕捉到光線信號從而有效解決這一問題。
一般的CMOS感光器要實現全局快門必須在像素邊安插可以存儲電荷的繼電器，將電荷臨時存儲，統一進入另行的ADC中。存儲電荷的繼電器不能感光，將佔用光電二極體的有效感光面積，而導致感光器的靈敏度大幅下降。
SONY發布的產品採用了堆棧式結構，其每個像素的ADC結構並非和像素區在同層，而是分開在上下層（不用擔心ADC佔用感光區的有效面積），感光器的每個像素感光後，立即將同時曝光的模擬信號轉換成數字信息存儲在數字存儲器中，從而達到完全同步的曝光時間。 而同時其堆棧式的上下層結構也另邏輯數字處理電路完全不佔用有效的感光面積。
CIS技術發展趨勢-醫療
X光機市場上圖像傳感器將由非晶矽轉向CMOS
在醫療和生物用圖像傳感器市場上，X光機使用的大尺寸傳感器佔了大部分份額，在該領域的收益中佔到90％。
非晶矽技術適合以低輻射劑量進行大面積體表照射。但由於像素尺寸最小為100μm左右，因此解析度不足以用於一些特殊的用途。另外，讀取速度也有限，因此處理性能達不到手術中的螢光透視等實時攝像要求的水平。
隨著CMOS處理器的成本不斷下降，使用CMOS處理器的超薄平板探測器開始搶佔非晶矽平板探測器的份額。
單一光子檢測掀起癌症治療革命
由於照到CMOS傳感器上的單一光子能量已經能夠測量出來，現在完全可以處理光子所穿透的體組織的信息了。如果癌的實際尺寸和擴散程度能夠準確拍成圖像，這將掀起一場癌症治療革命。
3D成像對牙科有幫助
CMOS超薄面板還能以遠低於現有CT技術的輻射劑量實現 3D成像。這有助於檢查患者的牙齒咬合情況，還有助於簡化假牙的製作和安裝。
內窺鏡將走向「chip-to-tip」
柔性內窺鏡的主要趨勢是「chip-to-tip」。就是將很小的傳感器晶片移到內窺鏡頂端以減小內窺鏡尺寸，為傳遞電信號用細線代替光纖，為簡化插入操作而提高柔軟度。另外，低成本CMOS傳感器還有望實現一次性內窺鏡。這是因為，存在購買新的內窺鏡比消毒成本更低以及消毒不到位等情況。通過更好的設計，像素的靈敏度和信噪比將得到改善。
CIS行業重點企業
就目前而言，索尼是CMOS圖像傳感器市場的絕對領導者。
不過早在2010年，索尼的圖像傳感器業務還默默無聞，市場份額僅為7%排行第六。在索尼把圖像傳感器作為其重振集團的主要業務後開始有了跨越式的發展。
2012年，索尼開發出了堆棧式BSI晶片，業績突飛猛進，份額達到了21.4%。而在2013年，索尼在中國市場大獲成功，其中13M約有7成的佔有率，8M也有約3成的份額。
在那之後索尼幾乎壟斷了所有中高端手機品牌。在iPhone 4S後，蘋果就一直是索尼CMOS的大客戶。就連能夠自主生產感光元件，並且佔了15%市場份額的三星，在部分設備上也採用了索尼的CMOS。
目前索尼控制著半數以上智慧型手機圖像傳感器市場，無論是蘋果、三星、還是華為、OPPO等品牌的高端機型無一例外的選用了索尼圖像傳感器。
此外，在2015年底索尼以1.55億美元收購東芝的圖像傳感器業務。更增強了其市場和研發能力。
目前，索尼正從汽車、安防、工業等新應用場景中尋找增長點。接下來兩年，公司將把在日本新招聘的40%工程師分配給圖像傳感器等晶片業務。並計劃三年內向圖像傳感器業務投資6000億日元(約合54億美元)，佔據其所規劃資本支出的一半。
三星是最早將數位相機的傳感器和鏡頭移植到手機中的廠商之一，因此也自然而然成為手機圖像傳感器供應鏈中的成員。隨著手機拍照功能的普及和智慧型手機大潮的來臨，手機圖像傳感器的需求有了突飛猛進的增長，而三星始終是其中市場份額居於前列的供應商。
三星在2013年對外公布的ISOCELL技術是一個裡程碑式的事件。相比於BSI技術，ISOCELL技術能夠減少30%的像素串擾，在設計集成化方面，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。
BSI傳感器與ISOCELL傳感器拍攝畫質對比
2018年三星也緊隨索尼推出了自己的多層堆疊傳感器並應用在了S9上。
三星在2019年將加大圖像傳感器的產能，希望從索尼手中奪回一部分市場份額。其中，圖像傳感器的產能將會從每天4萬5千片提升至12萬片以上。為了達到這一目的，三星還將部分RAM產線轉換成CMOS圖像傳感器產線。
三星也正計劃進軍汽車圖像傳感器領域。
豪威科技成立於1995, 總部位於矽谷桑尼威爾。2000年在納斯達上市。豪威是最早進入手機CMOS傳感器的廠商之一。2016年由中信資本、北京清芯華創投資管理有限公司和金石投資有限公司組成的財團，以19億美元將豪威科技收購。交易完成後，豪威科技從納斯達克證券市場退市，成為北京豪威的下屬公司。2018年韋爾股份宣布將收購豪威科技以及北京思比科。
2003年拍照手機剛開始應用時，豪威的產品最具影響力。全球三分之一的手機攝像頭採用OV，在2011年之前，OV無疑是圖像傳感器市場的老大。
iPhone 4s之前豪威是蘋果攝像頭的供應商；自iPhone 4s開始變更供應商為索尼之後，OV位置調整到前置攝像頭。隨後手機業界也漸漸形成前置OV+後置索尼的模式。三星等廠商的崛起，OV市場份額出現了逐漸下降、日益式微。
但從技術研發層面來看，豪威科技這些年來進行大量前瞻性的研發，比如在強光照射或者黑夜星光等極端光環境下的圖像顯示。
合併完成後豪威和思比科將分割產品線，豪威主攻中高端市場，思比科深耕低端市場。
安森美半導體原為摩託羅拉(Motorola)旗下的半導體部門，於1999年獨立出來，總部位於美國亞利桑那州菲尼克。是全球第七大半導體公司。
安森美半導體在CMOS領域的實力主要源於它的三次併購：
2011年安森美半導體以3140萬美元完成收購賽普拉斯CMOS圖像傳感器業務部。
2014年安森美半導體以9500萬美元現金收購圖像傳感器設備製造商TRUESENSE Imaging。
2014年安森美半導體籤署以4億美元收購汽車及工業市場領先的高性能CMOS圖像傳感器供應商Aptina Imaging。
收購Aptina大幅擴充了安森美半導體的圖像傳感器業務，建立了在汽車及工業半導體市場快速增長的圖像傳感器領域的領先地位。
安森美半導體在汽車CMOS圖像傳感器領域的全球市場份額超過50%，而在先進駕駛輔助系統(ADAS)應用的全球市場份額更是約佔70%。
格科微電子有限公司創立於2003年，目前已成為中國第七大半導體設計公司。也是創新中心的一期股東。
2004年，格科微推出中國首顆0.25微米工藝10萬像素CMOS圖像傳感器。2004年3月，格科微完成 35 萬像素 VGA 晶片設計並在中芯國際 0.18u 生產線投片。2005當年賣出了1600 萬顆晶片，銷售額達到500萬美元，實現盈利。
2008年格科微直接轉向手機圖像傳感器領域研發，並在2008年推出成本低於競爭對手20%的新產品，當年銷售了3500萬顆晶片，獲得了2000多萬美元收入。當年格科在手機圖像傳感器市場的份額從國內第三變成第一，成為全球低端圖像傳感器最大的供應商。
2012年格科微出了6億顆晶片，全球的市場份額超過了25%，成了中國市場的老大。
格科微現已全面鋪開200萬像素以上BSI產品線，在國內廠商中處於領先地位。
2018年格科微投資26億在嘉善動工建設年產12億顆晶片的產線。年營收達到了28億元。
總結
CIS行業總體在高速發展，規模也很大，但是行業2-8現象較嚴重，索尼等巨頭佔據了行業裡大部分利潤份額，800萬像素以下產品已低於1美金一顆，中小企業產品利潤空間十分有限。
目前CIS行業總體技術路線是應用上替代CCD，產品上BSI替代FSI，同時堆棧式晶片也是行業公認的產品方向；未來在人工智慧等領域事件導向CIS可能會替代現有產品。
由於行業應用的增加以及定製化產品需求眾多，IDM是更適合CIS行業的企業形式，但是晶圓廠建設運營的成本極高，可能未來CIDM模式是更適合中小企業的運營模式。
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