2024年CIS行业专题报告：影像技术路线分化，国产龙头加速赶超

CIS行业概况：预计2025年全球销售额330亿美元，汽车电子或为增长最快领域

CIS（CMOS图像传感器）：摄像头模组的核心元器件

CIS（CMOS Image Sensor，CMOS图像传感器）是一种光学传感器，能够将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号转换成数字信号。一个典型的摄像头模组主要由镜头组、图像传感器和PCB板等器件构成。作为当前图像传感器的主要种类，CIS在摄像头中起到“光-电-数字信号”转换的桥梁作用，是摄像头模组的核心元器件。CIS集成度较高，通常由像素阵列（光电二极管）、行/列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成。与CCD图像传感器相比，CIS具有成本低、能耗低、数据处理速度快等优点，更适合应用于手机摄像、智能车载、安防监控等领域。

CIS结构：前照式（FSI）、背照式（BSI）、堆栈式（Stacked）

CIS根据感光元件安装位置，主要可分为前照式结构（FSI）、背照式结构（BSI） 和堆栈式结构（Stacked）。

前照式结构（FSI）：采用自上而下的五层结构，分别是透镜层、滤光片层、线 路层、感光元件层和基板层。当光从正面入射，采用FSI结构的CMOS图像传感器需 要光线经过线路层的开口，方可到达感光元件层然后进行光电转换。FSI的主要优 点是其工艺条件相对较易实现、制造成本相对较低，但若要实现优良的性能则需要 较高的设计能力。

背照式结构（BSI）：将感光元件层的位置更换至线路层上方，感光层仅保留感 光元件的部分逻辑电路。采用背照式结构，光线可以从背面入射直接到达感光元件 层，电路布线阻挡和反射等因素带来的光线损耗大幅减少。与FSI相比，BSI的感光 效果显著提升，但设计和工艺难度均较大且成本较高。

堆栈式结构（Stacked）：在BSI的基础上，上层仅保留感光元件而将感光元件 周围的逻辑电路移至感光元件下层，再将两层芯片叠在一起，芯片的整体面积被极 大地缩减，同时可有效抑制电路噪声从而获取更优质的感光效果。

采用堆栈式结构的CMOS图像传感器可在同尺寸规格下将像素层在感知单元中的面积占 比从传统方案中的近60%提升到近90%，图像质量大大优化。同理，为达到同样图像质 量，堆栈式CMOS图像传感器相较于其他类别CMOS图像传感器所需要的芯片物理尺寸则 可大幅下降。

CIS应用场景：智能手机、安防监控、汽车电子、机器视觉

智能手机：CIS全球最大的应用市场；要求CIS在保持良好摄影效果的同时缩小芯片尺寸和降低能耗，对CIS的设计和制造技术有较高要求。汽车电子：近年来已经大规模地被安装在智能车载行车记录、前视及倒车影像、360°环视影像、防碰撞系统之内；要求CIS在稳定性和寿命上通过车规级标准，且要保证高感光能力、高动态范围、LED闪烁抑制等功能。安防监控：CIS市场增长较快的新兴行业领域之一；对于CMOS图像传感器在低照度光线环境成像、高动态范围HDR、高清/超高清成像、智能识别等成像性能方面提出了更高的要求。 机器视觉：包括传统工业领域与新兴视觉领域，近年来高速增长的新兴视觉领域对CIS在高清、高帧率和无畸变性能上提出了较高要求。

CIS市场规模：预计到2025年达330亿美元

预计2021-2025年全球CIS销售额CAGR达11.9%，汽车电子成为增长最快领域。近年来随着背照式和堆栈式技术的不断推进，CIS从智能手机市场逐渐向汽车电子、安防监控和机器视觉等诸多细分市场覆盖。据Frost&Sullivan数据，全球CMOS图像传感器销售额从2016年的94.1亿美元快速增长至2020年的179.1亿美元，CAGR为17.5%。预计全球CIS销售额在2021-2025年间将保持11.9%的年复合增长率，2025年全球销售额预计可达330.0亿美元。同时，Forst&Sullivan预测到2025年，汽车电子和安防监控将成为增长最快的两大领域，相较2020年市场份额预计分别上升4.8pct和1.2pct。

CIS技术路线：索尼、三星、豪威影像技术竞相发展，国产CIS龙头有望加速赶超

CIS技术发展方向：高像素、高帧率、高成像效果

当前CIS技术主要存在高像素、高帧率、高成像效果三个发展方向，涉及的参数指标有像素尺寸、光学尺寸、总像素数、帧率、感光元件架构、信噪比、动态范围、灵敏度、量子效率等。

索尼CIS发展历程

索尼于1970年开始推进图像传感器的研发，在1978年推出首个CCD图像传感器产品“ICX008”并运用到大型喷气式飞机的CCD彩色相机中。1989年，兼具高功能和小型化的摄像机“CCD-TR55”创下热销记录，至此确立了索尼在图像传感器领域的领先地位。 由于CMOS图像传感器信号传输效率高、低电压、低耗电等特点，索尼判断CIS在未来是必要的选择，于1996年开始推进CIS的开发。2002年，索尼启动了背照式CIS的研发项目。2004年，索尼确定了将研发重心从CCD转向CMOS图像传感器的方针，加快了对CIS的开发与投资。2009年，索尼成功实现背照式CIS的量产化，并向市场推出了搭载有该背照式CMOS图像传感器的高清手持数码摄像机“HDR-XR520V”、“HDR-XR500V”，其明亮、噪点少而且优质的影像，在业界备受瞩目。 索尼堆栈式CIS的开发始于2008年，并在2010年通过实证演示。2012年1月，索尼首款堆栈式CIS宣布开发成功，并于同年10月开始出货。2015年，索尼推出了Cu-Cu连接技术，让兼具小型和强大功能的堆栈式CMOS图像传感器更加小巧、功能更强大，且生产效率显著提升。 索尼于2017年成功开发了三层堆栈技术CIS，于2021年开发了双层晶体管像素堆叠式技术CIS，标志着索尼CIS技术的不断进步。

索尼CIS技术：堆栈式结构

当前索尼生产的图像传感器90%以上都采用堆栈式结构。与背照式结构（BSI）相比，堆栈式结构的最大特点在于其根据信号的转换流程将图像传感器分为两个部分：即光-电信号转换的像素区和电-数字信号转换并进行信息处理的逻辑电路区。索尼在堆栈式结构上创造出了性能更好、成本更低的理想产品，同时也推动着堆栈式结构技术不断进步。

堆栈式结构：图像传感器的性能很大程度上取决于处理电路的 晶体管数量。在背照式结构（BSI）中，由于像素区和电路区处于 同一块硅基板上，处理电路的晶体管数量受到了像素区的限制。 堆栈式结构实现了像素区和电路区的分离，因此电路区可以采用 更小的制程制造，在同等面积下容纳更多的晶体管，进而提升图 像传感器的性能；同时像素区所占的面积也得到了扩大，可以在 旧电路区上种植更多的像素，为索尼未来的小型高像素路线奠定 了基础。

索尼CIS技术：双层晶体管像素堆叠

图像传感器的动态范围（Dynamic Range）受到单像素满阱容量（Full-Well Capacity）制约。在传统堆栈式结构中，光电二极管和像素晶体管位于同一个像素层上，而像素晶体管不参与感光，因此光电二极管的容量有限。双层晶体管像素堆叠利用了堆栈技术，将光电二极管和像素晶体管分离到不同的基片上，扩大了光电二极管的容量，将单像素满阱容量提升至传统结构的2倍，成功扩大了动态范围。同时，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独立的基片层上。因此可以增加放大晶体管的尺寸，使在昏暗场景时容易产生的噪点显著减少。 凭借双层晶体管像素堆叠技术，使用者在拍摄明暗差较大的逆光场景时不需要增加图像传感器尺寸也能抑制过度曝光或暗部模糊等问题，实现接近肉眼和噪点少的高品质成像效果。

韦尔股份：国产CIS龙头，智能手机及汽车市场推动业绩高增

全球知名的提供先进数字成像解决方案的芯片设计公司。公司半导体产品设计业务主要由图像传感器解决方案、显示解决方案和模拟解决方案三大业务体系构成，产品已经广泛应用于消费电子和工业应用领域，包括智能手机、汽车电子、安全监控设备、平板电脑、笔记本电脑、医疗成像、AR/VR等领域。 2024年上半年营收同比增长36.5%，归母净利润同比增长792.8%。公司1H24营业收入120.91亿元(YoY 36.50%)，收入增长主要由于公司在高端智能手机市场的产品导入及汽车市场自动驾驶应用的持续渗透；归母净利润13.67亿元(YoY 792.79%)，扣非归母净利润13.72亿元(较上年同期-0.79亿元扭亏)。1H24实现毛利率29.14%(YoY 8.21pct)，产品毛利率逐步恢复主要由于公司积极推进产品结构优化及供应链结构优化。

半导体设计销售业务增长41%，代理销售业务增长13%。1H24半导体设计销售业务收入104.18亿元(YoY 41.14%)，占比86.31%；其中图像传感器解决方案收入93.12亿元(YoY 49.90%)，占比77.15%；显示解决方案收入4.72亿元(YoY -28.57%)，占比3.91%；模拟解决方案收入6.34亿元(YoY24.67%)，占比5.25%。半导体代理销售业务收入16.33亿元(YoY 13.40%)，占比13.53%。公司通过紧跟市场，充分了解市场动向及客户需求，同时通过不同业务板块间的协同发展及资源整合，助力公司更为全面稳健的开拓市场。

图像传感器解决方案高增受益于智能手机及汽车市场增长。1H24公司图像传感器解决方案收入来源于智能手机市场约48.68亿元(YoY 78.51%)，公司推出高端图像传感器OV50H被广泛应用于国内主流高端智能手机后置主摄传感器方案中，正在逐步替代海外竞争对手同品类产品，不同像素尺寸的5000万像素产品在智能手机主摄应用领域份额显著提升。来源于汽车市场约29.14亿元(YoY 53.06%)，公司凭借先进紧凑的汽车CIS解决方案覆盖了广泛的汽车应用，CIS产品优秀的性能亦助力公司获得更多新设计方案的导入。

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编辑：火腿肠