[原创] CIS产能的诱惑
2019-12-26
14:00:03
来源: 半导体行业观察
5年前，几大手机品牌的旗舰产品还都是前后共两个摄像头，目前，华为、苹果的旗舰机型已经拥有4~5个摄像头，而这种趋势有愈演愈烈之势，估计用不了几年，总共有7~8个摄像头的手机将布满大街小巷。
这种爆发式的增长，对于CIS（CMOS图像传感器）的需求大增，短时间内，产能难以跟上应用需求，使得CIS成为2019年最为炙手可热的芯片品类。
与此同时，汽车和安防市场发展迅速，这两个应用领域对于CIS的需求量也非常可观。
据中商产业研究院预测， 全球车载摄像头出货量将从2014年的2800万个增加到2020年的8270万个。如今，多数国家都在制定相应法规，强制新车使用一些特殊的ADAS技术，而车载摄像头在汽车智能化中应用广泛，高端汽车的各种辅助设备配备的摄像头可多达8个。Mcnex公司预测，未来，汽车上的摄像头将可能达到12个。而随着无人驾驶技术的发展， L3以上智能驾驶车型对摄像头的需求将进一步增加。
至于安防，据芯谋研究预测， 2017年全球安防领域CIS出货量达到1.84亿个，预计2022年将达到3.05亿个，年复合增长率将达到11.95%。IC Insight的数据显示，2018年安防领域CIS市场规模为8.2亿美元，预计2023年将上升至20亿美元，年复合增长率达19.5%。
在这样的需求背景下，今年，随着上游晶圆的产能愈发紧张，CIS芯片的供货缺口也进一步加大。5M及以下的CIS出现了两次大规模涨价，而涨价的厂商大都分布在我国大陆地区，其中，格科微的缺货情况尤为明显，为缓解压力，格科微不得不在短期内两次上调产品价格，整体涨幅至今已接近40%。此外，思比科、比亚迪等多家CIS芯片厂商同样有调价操作。
产能吃紧
目前，在全球三大CIS厂商中，索尼和三星是IDM、它们的产品主要由自家工厂生产，而北京豪威（OmniVision）是Fabless，其CIS主要交给晶圆代工厂生产，台积电很大一部分CIS产能都是用来接单豪威的，另外，华力微电子和中芯国际也有豪威的订单。
除了这三家之外，SK海力士、安森美和意法半导体市占率紧随其后，这三家都是IDM。
工艺方面，高像素的CIS芯片主流制程为55nm（12英寸晶圆），而低像素芯片通常在8英寸晶圆上进行制造。Yole的数据显示，2017年全球CIS产能折合12英寸晶圆为242.2万片，月产能约为20万片，其中，索尼产能占比38%，全部为自用；三星产能占比20%，包含自用与代工；台积电、中芯国际与华力微电子产能合计占比29%，全部为代工。中芯国际、华力微电子的CIS晶圆产能规模分别位列全球第四、第五。这五家的产能合计占比达87%。
作为全球CIS的霸主，在今年如此火爆的行情下，索尼自家的产能已经应接不暇，一个月之前，该公司决定将旗下高端CIS交由台积电代工，这是索尼首度外放高端芯片订单。据悉，为了这笔大单，台积电已经订购了设备，并做好相关生产验证作业。据悉，双方预定于2020年一月正式签约。
此次，索尼放出的CIS订单，将在台积电南科14a厂导入40nm制程生产，台积电购置的新设备将于明年第2季度装机，8月试产，初期月产能2万片，并于2021年第1季度量产，后续很可能会扩大产能，索尼更高端的CIS芯片有望导入台积电的28nm制程。
除了交由台积电代工之外，索尼也在日本国内积极扩产，据悉，该公司计划在未来3年内投资7000亿日元，用于扩建新厂房。
在这样的市场需求下，已并购富士通半导体12英寸晶圆厂的联电，也占据着地利，可直接打进索尼供应链。
此外，传闻力晶旗下的力积电也拿下了豪威的大单，包下每月破万片晶圆产能。
2018年12月，三星电子设备解决方案部门通过重组，在系统LSI部门下建立了一个“传感器业务团队”，负责LSI事业部内的CIS产品规划和销售，工艺研发由设备解决方案部门的代工部门完成。
早些年，三星的CIS在市场上不具备与索尼直接竞争的实力，但自从2013年推出ISOCELL技术之后，开始奋起直追。三星CIS芯片在2017年的市场占有率已经达到25.4%，和索尼当时28.3%的市占率差距已经很小。但从销售额看，索尼CIS的全球市占率高达52.2%，遥遥领先于三星的19.1%。因此，三星的CIS想要追上索尼，还需要不断努力。
近几年，三星一直在CIS技术上寻求突破，并于2018年6月推出了ISOCELL Plus技术。在推出新技术的同时，三星也在提升CIS生产能力，2017年，三星就开始扩充12英寸CIS产能，并于2017年开始改造12英寸DRAM产线FAB 11，用于生产CIS，2018年底完成改造；同时对FAB 13进行改造，据悉，FAB 11和FAB 13的原有产能为每月7万片，原计划于2019年底全部转为CIS产能。
三星原本拥有1条CIS芯片专用产线，名称为S4-Line，该公司现有CIS产能约为4.5万片/月，随着FAB 11和FAB 13线转为CIS专用线，三星的产能将扩充到12万片/月，目标是超过索尼每月10万片的产能。
三星启动转线计划充分说明CIS芯片市场的火爆程度，且在未来几年仍将持续下去。此外，转线计划是在2018年底开始的，当时DRAM已经进入降价周期，通过将DRAM产线转为CIS芯片专用线，三星还能够规避存储降价带来的不利影响。
在中国大陆，中芯国际和华力微电子也是重要的CIS晶圆代工力量。
华力微电子方面，65/55nm是该公司最成熟的技术平台，华力微电子的55nm技术平台CIS芯片在应用、像素、架构、工艺等方面均做了全面布局，目前只有UTS贴片部分还在计划中，其他都已可量产或在研发中。
据悉，华力微电子在进行小线宽超深结设计技术、小像素设计、全像素相位检测自动对焦，以及3D垂直栅像素电路设计等技术开发工作，目前，华力微电子的CIS白色像素可小于100DPPM，1.0微米小像素设计可做到8000以上的电容，噪声和暗电流也有大幅改善。
产能方面，华力微电子一期（华虹五厂）现月产能3.5万片，其中55nm的CIS、LP/ULP产能占比较大，目前，CIS月产能约为1.5万片，预计2020年可达2万片，此外，于10月建成投产的康桥基地二期生产线（华虹六厂）首批月产能也可达1万片，未来将达到4万片，届时华力微电子整体产能将达到8万片。这为其CIS芯片代工业务的拓展提供了坚实的基础和保证。
未来产能
IHS Markit的报告显示，2018年，索尼、三星和豪威的CIS芯片供应能力分别为10.0、5.0、 和3.9万片/月。预计到2020年，这三家厂商的单年产能扩张速度为1万片/月，整体年产能扩张速度约16%，其中，2020年三星产能将增长1.5万片/月，增幅略高于行业水平，这主要是因为该公司将部分DRAM产品线转产CIS芯片。
硅片供给吃紧
全球CIS芯片供不应求的另外一个因素，就是硅片，特别是8英寸晶圆供应不足。
CIS芯片的产能受8英寸晶圆制造产能制约而难以迅速跟随扩产。因此，无论是新建自身晶圆制造产线（索尼），或由其他产品线转为CIS产线（三星），还是向代工厂追加产能（豪威），都难以在短时间内完成。
那么，8英寸晶圆供应量为何一直难以满足市场需求呢？主要有以下几方面的原因。
首先，自然是包括CIS在内的多种芯片紧俏，市场需求旺盛，而这些芯片大都采用8英寸晶圆生产，而全球的8英寸晶圆产量在短时间内又很难大幅提升，从而导致供需紧张。
其次，设备供给不足也是一个重要因素。由于多数8英寸晶圆代工建厂时间较早，运行时间大多长达10年以上，部分设备太老旧或者难以修复，同时，由于当前12英寸晶圆代工厂资本支出规模巨大，部分厂商停止了8英寸晶圆产线，使得相关设备供应商缺乏研发和生产相关设备的积极性。
目前，8英寸晶圆代工产线设备主要来自二手市场，多来自从8英寸向12英寸升级的内存厂商，如三星和海力士，而旧设备市场资源有限，已经呈现出逐渐枯竭的态势，其中，蚀刻机、光刻机、测量设备最为抢手。
当然，除了以上提到的，还有其它一些原因，共同导致了市场8英寸晶圆供应量的紧张。这些都间接影响着CIS芯片的产能。
ToF更加疯狂
目前，3D感测在智能手机中的应用越来越被重视，也是一大发展趋势，不只是旗舰机型，也在向中低端手机渗透。目前，主要有三种技术可以实现3D感测，分别为双目立体成像、结构光和ToF，目前已经比较成熟的方案是结构光和ToF。其中，ToF凭借性价比高的优势，是今后几年手机上的重要应用技术。
特别是随着AR/VR的发展，ToF有望成为智能手机摄像头的下一个风口。
2019年，3D感测手机大多集中在旗舰机型，结构光以苹果为代表，自iPhoneX后的机型都已经搭载结构光功能，而华为搭载ToF的机型数量最多。Yole的预测数据显示，全球3D成像和传感器的市场规模在2016–2022年的CAGR为38％，2017年市场规模18.3亿美元，2022年将超过90亿美元。其中，消费电子是增速最快的应用市场，2016–2022年的CAGR高达160％。
ToF的3D感知为主动感知，相应的3D摄像头含有红外传感器、红外光源、光学组件、光学镜头，以及CMOS图像传感器。
因此，未来的手机上除了还会继续增加摄像头之外，还需要有ToF，这就又多了一个CIS的需求源。使得未来的CIS市场被无限看好。
结语
正是因为如此，索尼公司董事兼半导体子公司社长清水照士于本周表示，即使索尼已作出大笔投资扩产，但估计等到该公司日本长崎新工厂于 2021 年 4 月开始投产时，CIS芯片市场仍是供不应求，不会有供给过剩的疑虑。
清水照士还提到，在以5G手机为主的市场需求上，CIS的产能无法跟上需求速度，索尼是一边向客户道歉一边进行生产。与去年情况相同，就算在日本的过年期间也会24小时进行赶工。
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