CMOS 图像传感器(CIS)工艺发展历程：从前照式 CMOS(front-side-illuminated， FSI)到背照式 CMOS(back-side-illuminated, BSI)，再到堆栈式 CMOS(Stacked CMOS)。
——（1）FSI：早期传统方案，目前仅应用于入门款低像素产品，成本低廉。FSI 结 构下，当光线射入像素，经过片上透镜和彩色滤光片后，将先通过金属排线层（用于传输 信号），再由光电二极管接收。由于金属不透光且会反光，因此在金属排线层，光线会被 部分阻挡和反射，且反射可能串扰相邻像素，导致颜色失真。FSI 制造工艺简单，成本低、 良率高，对于较大的像素，FSI 性能仍可以满足要求；但随着智能手机像素尺寸不断变小， 对性能、工艺的要求也越来越高，FSI 逐渐被 BSI 取代。
——（2）BSI：高像素、小尺寸趋势下的主流工艺，成像质量更高。为改进 FSI 的缺 陷，BSI 将金属排线层放到光电二极管之后，使光线在几乎没有阻挡和干扰下照射到光电二极管，光线利用率极高，从而获得更好的成像质量。目前主流 CIS 均采用 BSI 工艺生产 （如豪威手机 CIS 中仅 20 余款产品采用 FSI 工艺，主要为 1MP-5MP 区间，其余均为 BSI 工艺）。从工艺上，FSI 工艺与传统的 CMOS 工艺流程类似，而 BSI 工艺技术难度更高， 需要在生产过程中翻转晶圆，磨薄光电二极管所在衬底后再制作光路层，是区别于传统 CMOS 流程的特殊工艺。目前 BSI 工艺成熟，是智能手机 CIS 追求高像素、小尺寸下的 主流工艺。
——（3）堆栈式：索尼开创并引领发展，是 BSI 的衍生产物，可针对模拟层和数字 层分别优化。堆栈式结构上层为 Pixel 像素层（像素尺寸亦指的是像素层的参数），实现光 电模数转换，下层为 ISP 图像处理层（数字层）。两层晶圆采用 TSV 或者 Cu-Cu 进行键合。 从发展趋势来看，（1）像素层：对于中低端机型，主摄像素尺寸仍在缩小，以满足对高像 素及成本控制（使芯片面积减小）的需求；高端机型主摄像素尺寸逐渐增大，以获取更好 的感光效果。工艺制程角度，我们认为对于 0.8μm 像素尺寸，传统 90/65/55nm 制程可 以满足生产需求，而对于 0.7μm 及以下产品，则需要更先进制程（如 40/28nm）进行生 产，其技术难点除了光学本身，更侧重于制造端的生产工艺。（2）数字层（图像信号处理 器 ISP）：一般采取比像素层更先进的制程，从而提供高算力。在堆栈式结构下，由于像素 层和数字层相互独立，因此像素部分可针对高画质优化（保留 BSI 的优势），电路部分可 针对高性能优化，实现更多摄影功能（例如硬件 HDR、慢动作拍摄等）。
索尼：2012 年首次发布堆栈式 CIS，持续引领行业发展。2012 年 8 月，索尼推出其 首款堆栈式 CIS IMX135（13MP 有效像素；1/3.06”英寸；1.12μm 像素尺寸），由 OPPO Find5 首发。此后索尼在堆栈式 CIS 领域不断创新，发布了 IMX 1/2/3 系列共十余款产品， 应用于苹果和安卓旗舰机型，包括主摄和副摄。2017 年 2 月，索尼宣布推出业内首个配 备 DRAM 的三层堆栈式 CIS，在传统双层结构中间新加入 DRAM 层（即单层像素层，双 层数字层），大幅提升了数据读取和处理的速度，能够捕获高速运动中物体的最小失真度 的静止图像，同时支持在全高清（1920 x 1080 像素）模式下拍摄 1000 帧/秒（约比传统 产品快 8 倍）的视频，实现超慢回放。
创新发布三层堆栈 CIS（官方命名为：双层晶体管像素堆栈式 CIS），2023 年首发搭 载于自家机型。2021 年 12 月，索尼在 IEEE 国际电子设备会议上首次发布双层晶体管像 素堆栈式 CIS。相比于传统的堆栈结构，双层晶体管像素堆栈将过去分布在像素芯片上、 将光转换成电信号的光电二极管与控制信号的像素晶体管层分离到不同的基片上，构建堆 栈结构。其主要优势有：1）扩大了光电二极管的容量，并将饱和信号量（满陷容量 Full-Well Capacity，FWC）提升至原来的约 2 倍，成功扩大了代表可成像的明暗差范围的动态范 围；2）将传输控制晶体管(TRG)以外的复位晶体管(RST)、选择晶体管(SEL)和放大晶体 管(AMP)等像素晶体管分布在没有光电二极管的基片层上，增加了放大晶体管的尺寸，使 得在拍摄夜景等昏暗场景时容易产生的噪点显著减少。根据 TechInsights，索尼 2023 年 5 月发布的 Xperia 1V 上首次确认使用了新 ExmorT 技术平台的第一款三层堆栈结构的 CIS （48 MP；11.37x7.69 mm；1.12μm）。
三层堆栈工艺：使用 3D 顺序工艺集成制造双层像素，增加 1 次键合，晶圆消耗量增 大。根据 TechInsights，从工程和制造的角度，双层晶体管像素设计需要纳米级的精度来 布置光电二极管和像素晶体管，因此索尼采用了 3D 顺序集成工艺，而不是传统的完整晶 圆键合工艺：首先形成第一层光电二极管和传输门(TG)，第二层进行晶圆键合和减薄，从 而形成第二层栅极氧化物并激活注入，最后形成深接触，蚀刻穿过第二层并接触第一层器 件。由于热氧化物生长和离子注入退火形成顶层晶体管所需的温度可能对晶圆键合产生不 利影响，索尼开发了新的晶圆键合介质薄膜，可以承受更高的后处理温度。从结构和工艺 上看，双层像素需要 1 次键合，像素层和数字层需要 1 次键合，因此三层堆栈需要 2 次键 合，消耗晶圆面积大幅增加；此外，三层堆栈工艺 CIS 良率显著低于成熟 CIS 产品，因 此也一定程度上增大了对晶圆的实际消耗量。
苹果：自 iPhone 4 开始采用索尼定制 CIS，升级路线和安卓端略有差异。2010 年之 前，苹果 iPhone 主要采用美光科技旗下 Aptina 和 OmniVision 的 CIS。2011 年 10 月， iPhone 4s首次搭载索尼定制BSI工艺CIS IMX145（8MP；1/3.2”；1.4μm），2013年iPhone 5s 首次搭载索尼定制堆栈式工艺 CIS IMX145-derived（IMX145 衍生款），此后堆栈式工 艺一直沿用至今。
CIS 升级趋势：苹果主推大底、大 pixel，安卓端曾主推高像素、小 pixel，目前高端 机型主摄升级方向逐渐靠拢苹果，技术路线逐渐趋同。在智能手机发展历程中，苹果和安 卓端的手机摄像头升级方向有明显不同，苹果不追求高像素，而追求更大的传感器尺寸和 像素尺寸，从而提升画质：1）像素方面，苹果在像素上升级较为缓慢，自 2015 年 iPhone 6s 首次搭载 12MP 摄像头后，直至 2021 年 iPhone 13 系列仍沿用 12MP，而安卓阵营中 高端主摄已经基本标配 48MP；2022 年 iPhone 14 Pro 系列才升级至 48MP，但基础款仍 配备 12MP。2）传感器尺寸方面，苹果自使用定制化索尼 CIS 后，几乎历代主摄传感器 尺寸均有所增大，从 iPhone 4s 的 1/3.2”提升到 iPhone 14 Pro 的 1/1.3"。3）像素尺寸方 面，苹果自 iPhone Xs 上开始扩大主摄像素尺寸（从 1.22μm 提升到 1.4μm），在此后机 型主摄中继续提升，至 2021 年 iPhone 13 Pro 像素尺寸提升至 1.9μm（2022 年 iPhone 14 Pro 由于主摄像素值大幅提升至 48MP，因此像素大小降至 1.22μm）。安卓方面，主流品 牌厂商此前主要采用高像素、小 pixel 方案（三星、韦尔股份为主要供应商），目前中高端 安卓手机主摄方案已从追求高像素的技术指标转变为成像质量，即采用大传感器尺寸、大 pixel 方案（主要采用索尼 IMX 系列），原高像素、小 pixel 方案凭借成本优势主要应用于 中低端机型。我们认为，安卓中高端、苹果主摄技术路线趋同，未来高端 CIS 升级有望仍 延续“大传感器尺寸、大 pixel”路线。
索尼 CIS 产能结构：像素层“自供+委外”，数字层“委外”；12 英寸晶圆年产能超 155 万片。由于数字层对制程要求高，因此索尼自有产能主要生产像素层，我们认为数字 层产能则委外代工；根据 Anue 钜亨网，2022 年为应对 iPhone 14 摄像头升级，索尼首次 将像素层交由台积电代工，从而形成像素层“自供+委外”，数字层“委外”的生产结构。 产能方面，根据索尼财报，2022 年公司 CIS 产能约 155.1 万片，平均月产能为 12.9 万片 （以 300mm 晶圆计算）；为了满足新增需求，根据日经亚洲，台积电位于熊本的晶圆厂有 望于 2024 年底投产，计划月产能 5.5 万片（以 300mm 晶圆计算），生产工艺为 22/28nm 和 12/16nm FinFET，其中索尼是该厂的主要客户之一。从营收结构来看，索尼图像传感 器业务营收的 82%来自于移动端，综合考虑移动端 CIS 规格、产品结构、ASP 等因素， 我们估算索尼晶圆产能中约 80%用于移动端，即全年约 124 万片晶圆用于智能手机 CIS 像素层的生产。
苹果占用索尼晶圆产能测算：目前索尼是苹果 iPhone 全系列 CIS 的独家供应商，供 应包括前摄和后摄在内的所有 CIS。我们对 2022 年全年苹果手机各机型搭载 CIS 对应晶 圆产能需求进行测算（下文测算暂时先考虑像素层的产能需求），过程如下：
——机型：主要包括 iPhone 13 和 14 系列，其他机型如 iPhone SE、iPhone 12 系列 也有一定的销量。
——出货量：根据 Omdia，2022 年全年苹果全球智能手机出货量为 2.31 亿台，我们 估算 14/14 Plus 出货量约 2500 万台，14 Pro/Pro Max 出货量约 5000 万台，13/13 Plus 出货量约 5500 万台，13 Pro/Pro Max 出货量约 8000 万台，其他机型出货量约 2000 万台；
——搭载 CIS 型号和 Diesize：基于 TechInsights 给出的 13 和 14 系列各机型 CIS 型 号和 Diesize，我们测算 14/14 Plus 中 3 颗 CIS的 Diesize 总和约 126 mm2，14 Pro/Pro Max 中 4颗 CIS的 Diesize总和约 185 mm2；13/13 Plus中 3颗 CIS的 Diesize总和约 103 mm2， 13 Pro/Pro Max 中 4 颗 CIS 的 Diesize 总和约 140mm2；
——良品率：我们假设稳定量产后良品率达 95%；
——晶圆实际使用面积：我们假设晶圆实际使用面积约占总面积的 90%；
经测算，2022 年苹果各机型搭载 CIS 需使用索尼约 51 万片等效 300mm 晶圆，占索 尼总晶圆产能约 41%，其中 iPhone 14 主摄 CIS晶圆需求量占当年苹果总需求的约 21%， 考虑到苹果客户单价相对安卓客户更高，从销售额角度苹果客户占比预计超 50%。
新机光学升级：iPhone 15 全系搭载 48MP 主摄，Pro Max 搭载潜望式长焦。根据苹 果官网，iPhone 15/15 Plus 后置主摄从 12MP 升级至 48MP；15 Pro/15 Pro Max 后置主 摄采用 48MP，长焦副摄采用四重反射棱镜设计，支持光学防抖和 3D sensor shift，可实 现 5x 光学变焦。工艺方面，根据 TrendForce 等多家权威机构信息，苹果 iPhone 15 系列 部分机型主摄 CIS 采用索尼三层堆栈方案（电路层 circuitry+像素晶体管 pixel transistor+ 光电二极管 photodiode）。
从出货量来看，根据产业链相关信息及前代 iPhone 机型数据，我们估算 23H2 iPhone 15/15 Plus 备货量约 3000 万台（占比 40%），iPhone 15 Pro/Pro Max 备货量约 5000 万 台（占比 60%）。我们将针对 15/15 Plus 是否采用三层堆叠方案进行分别假设：
（1）保守假设：iPhone 15/15 Plus 主摄 CIS 采用 48MP 三层堆栈方案，15 Pro/Pro Max 主摄 CIS 采用 48MP 双层堆栈方案，关键假设如下：
——良品率：由于三层堆栈工艺更复杂（增加一次键合），我们认为良率在 2023 年将 低于正常量产水平，我们假设 15/15 Plus 款搭载料号平均良品率为 80%，15 Pro/Pro Max搭载料号工艺成熟，假设良品率为 95%；
——Diesize：目前新机 CIS 具体参数尚未披露，我们暂且假设主摄传感器面积相对 于前一代无明显变化，即 15/15 Plus 主摄 CIS Diesize 约 63.4mm2，15 Pro/Pro Max 主 摄 CIS Diesize 约 96.6mm2；考虑堆栈工艺，估算 15/15 Plus 主摄 CIS 三层方案的 Diesize 总和约 126.8mm2，15 Pro/Pro Max 主摄 CIS 双层方案的 Diesize 总和约 96.6mm2；
——晶圆实际使用面积：假设 15/15 Plus CIS 晶圆实际使用面积约占总面积的 85%， 15 Pro/Pro Max CIS 晶圆实际使用面积约占总面积的 90%； 经测算，在保守假设下，iPhone 15 新机主摄使用索尼约 16 万片等效 300mm 晶圆， 相较前代新机增加约 5 万片，相对于 2022 年苹果整体晶圆需求（约 51 万片）提升约 10%。
（2）中性假设：iPhone 15/15 Plus 主摄 CIS 采用 48MP 双层堆栈方案，15 Pro/Pro Max 主摄 CIS 采用 48MP 三层堆栈方案，关键假设如下：
——良品率：由于三层堆栈工艺更复杂（增加一次键合），我们认为良率在 2023 年将 显著低于正常量产水平，假设 15 Pro/Pro Max 款搭载料号平均良品率为 80%，15/15 Plus 搭载料号工艺成熟，假设良品率为 95%；
——Diesize：目前新机 CIS 具体参数尚未披露，我们暂且假设主摄传感器面积相对 于前一代无明显变化，即 15/15 Plus 主摄 CIS Diesize 约 63.4mm2，15 Pro/Pro Max 主摄 CIS Diesize 约 96.6mm2；考虑堆栈工艺，估算 15/15 Plus 主摄 CIS 双层方案的 Diesize 总和约 63.4mm2，15 Pro/Pro Max 主摄 CIS 三层方案的 Diesize 总和约 193.2mm2；
——晶圆实际使用面积：假设 15/15 Plus CIS 晶圆实际使用面积约占总面积的 90%， 15 Pro/Pro Max CIS 晶圆实际使用面积约占总面积的 85%； 经测算，在中性假设下，iPhone 15 新机主摄使用索尼约 23 万片等效 300mm 晶圆， 相较前代新机增加约13万片，相对于2022年苹果整体晶圆需求（约51万片）提升约25%。
（3）乐观假设：iPhone 15 全系列主摄 CIS 采用 48MP 三层堆栈方案，测算如下：
——良品率：假设全系列搭载料号平均良品率为 80%；
——Diesize：目前新机 CIS 具体参数尚未披露，我们暂且假设主摄传感器面积相对 于前一代无明显变化，即 15/15 Plus 主摄 CIS Diesize 约 63.4mm2，15 Pro/Pro Max 主摄 CIS Diesize 约 96.6mm2；考虑堆栈工艺，估算 15/15 Plus 主摄 CIS 三层方案的 Diesize 总和约 126.8mm2，15 Pro/Pro Max 主摄 CIS 三层方案的 Diesize 总和约 193.2mm2；
——晶圆实际使用面积：假设 CIS 晶圆实际使用面积约占总面积的 85%； 经测算，在乐观假设下，iPhone 15 新机主摄使用索尼约 28 万片等效 300mm 晶圆， 相较前代机型增加约 17 万片，相对 2022 年苹果整体产能需求提升约 34%。
敏感性分析：针对前文列出的 3 种三层堆栈 CIS 搭载机型情景（保守假设下搭载于 15/15 Plus、中性假设下搭载于 15 Pro/15 Pro Max、乐观假设下搭载于 iPhone 15 全系列 4 款机型），我们对 CIS 良率进行不同假设（前文中假设为 80%），对 2022 年需求相对提 升百分比进行敏感性分析。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
