2022年6月10日 星期五

CIS(CMOS Image Sensor, CMOS影像感測器)研究

[20240827] 采鈺吃蘋果,掌握Metalens關鍵技術

台積電將以3奈米操刀iPhone 16搭載的A18及A18 Pro系列處理器,目前也進入密集產出交貨階段。供應鏈透露,蘋果至少已下訂台積電單月逾5萬片3奈米產能。

台積電轉投資封測廠采鈺也搭上iPhone 16系列新機商機,拿下新機CMOS影像感測器(CIS)封裝大單[5]。3D影像市場將成為蘋果與非蘋陣營搶攻新焦點,其中,超穎透鏡(Metalens)是3D影像關鍵製程。3D影像規格升級關鍵,在於鏡頭規格從塑膠鏡頭升級到Metalens,代表屆時鏡頭硬體製造也將邁入全新製程[3.1]。

雖然iPhone 16前後鏡頭像素將維持與上一代規格相當,惟供應鏈指出,蘋果在新機後鏡頭塗層當中,將導入原子層沉積(ALD)技術,藉此大幅降低眩光的機會,為此亦變更CIS設計[5],如3D影像市場開始大幅擴增[3.1],采鈺將在相關CIS封裝扮演要角,產出量力拚年增20%,挹注下半年產能利用率衝上滿載[5]。

然而,其中Metalens的關鍵製程在於必須採用晶圓製造當中的深紫外光(DUV)微影、奈米等級的壓印微影等相關技術。

采鈺在光學特殊製程中早已是蘋果供應鏈一環,加上是台積電全力支援的子公司,具備半導體晶圓製造等級的微影、蝕刻等相關製程,並有8吋及12晶圓的光罩產線,可因應客戶在前段生產晶圓尺寸不同導入不同規格的生產流程,成為采鈺與蘋果在Metalens領域合作密切的關鍵[3.1]。

[20240802] 采鈺結合矽光子微結構製成,大幅提升手機、車用CIS等應用

台積電旗下子公司采鈺於2024年8月1日召開法說會,董事長關欣指出,采鈺不會缺席高成長的潛力市場,目前已著手開發應用於矽光子的微結構製程,如光耦合接收端與發射端的對準、光效能強化以及積體光路 (PIC) 晶片結構,都是公司長期布局方向。

事實上,采鈺專注在CMOS影像感測器及CIS微型光學元件二大產品,應用於手機、車用、安防,比重分別為78%、11%、9%,公司第一大客戶為豪威,佔營收比重約三成。

其CMOS影像感測器已成功量產至0.56µm像素尺寸、2億畫素規格,為目前全球最高畫素產品,未來手機邁向高畫素、輔助駕駛ADAS、自駕車Level 3以上的感測系統、AR/VR產品,都將帶動采鈺下一階段的營運成長。

針對新技術跟研發,關欣說,因應未來技術和市場的發展,采鈺聚焦四大重點,首先是持續投入發展 Meta lens 在 CIS 的應用,也就是奈米光柱製程 (Nano-light-pillar) 微結構,預期該技術是掌握次世代 CIS 技術發展的重要方向之一,藉由重新分配光擴大 RGB 收光範圍,提升感測效能,以因應 CIS 的畫素提升,增強進光量與影像品質。因此,采鈺推出 MetaLens 超透鏡技術取代傳統塑膠透鏡,應用於自駕車、AR/VR等。外傳,蘋果有意在2024年將超透鏡導入iPad,並在2025或2026年進一步導入iPhone,屆時采鈺將成為最大受惠者。

其中,采鈺最重要的利多,則是旗下龍潭廠meta lens業務後續將切入美系手機客戶,若以新機備貨量平均一年約8500萬支計算,大概會使用到九萬到十萬片的八吋產能,一年可以貢獻采鈺每股淨利至少2塊多。

再者,公司新型微結構也預計在2024年第四季進入量產,可替代前段結構,有效提升小像素尺寸 CIS 的光學效能;Meta Service 也持續進展,可提供市場薄型化、平面化的光學半導體製程優勢,目前 Meta Service 已應用於 3D 感測、飛時測距感測與影像感測器,終端應用為手機、車用與穿戴裝置。

另外,關欣看好,生成式 AI 風潮帶動資料中心高速運算和高速傳輸蓬勃發展,也帶動矽光子和光通訊需求,采鈺也不會缺席高潛力市場,將延伸既有的光學元件,如 Micro Lens、Meta Lens 等,開發應用於矽光子的微結構製程,包含光耦合接收端與發射端的對準、光效能的強化以及 PIC 晶片結構,都是公司長期布局方向。

最後,采鈺也布局次世代顯示技術,隨著 MicroOLED、MicroLED 微型應用進入半導體製程,公司也持續投入開發相應製程以及配色材料的解決方案,來增加進光量避免干擾,看好長期在 CIS 與 MOE 各種次世代技術的研發投入,將有助公司領先進入市場,開拓更多的應用和獲利來源,並與後進者拉開差距。

從整體手機 CIS 市況來看,關欣認為,手機 CIS 將往大尺寸高畫素升級。加上2023年下半年開始,陸續有不少新手機是5000萬畫素,5000萬畫素的新產品將自2024年起成為主流。主鏡頭 5000 萬畫素分布在各式各樣鏡頭,主鏡頭會往 1.6 um、比較大的 pixel size 來發展,可以有較大的進光量,也會因尺寸變大,公司晶圓需求增加。

變焦鏡頭來看,隨著變焦倍數一直增加,光學變焦大概僅能做到 3-5 倍,後續就需要仰賴數位變焦,透過更大像素的 CIS 滿足,因此未來在長焦鏡頭也將往 1 億畫素甚至是 2 億畫素發展,將是必然趨勢。

而這麼大的像素尺寸,就需要小尺寸的 Pixel,以免鏡頭太大顆,這部分也帶動 0.6um 或 0.7um 左右的 Pixel,剛好采鈺在這市場為獨佔,也樂觀看待相關發展。

競爭方面,關欣坦言,中國的確會自建相關產能,也了解客戶布局,但采鈺在產能規模、營運穩定與技術先進等領域,與新進對手有很大的距離。且隨著既有機台折舊隨時間演進,競爭優勢會更顯著,不怕競爭,儘管有些低階產品流失,但也會有成長部分,強調未來在 CIS 這塊競爭會更謹慎,也會持續投資,投資則會著重在「質」,如更先進技術。

而在車電方面,目前單一汽車內建影像感測器是三到四顆,但2025年會到六到七顆,若是LEVEL 3便是至少九顆起跳,畫素也將從800萬往1000萬提升,也因此,車電供應鏈恢復正常、需求也趨向穩定後,對采鈺更是有大大的加分效果 。外資與投信布局 短線漲幅近四成。


[20240521] Sony是蘋果主要CIS主要供應商,蘋果積極催促熊本廠提早量ISP

台積電熊本廠於2024年2月開幕,由台積電和日本大廠Sony、日本電裝(Denso合資,Sony是蘋果主要影像感測器(CIS)主要供應商。蘋果積極催促熊本廠提早量產數位影像處理器(ISP),熊本廠經過四個多月裝機,已大有進展,農曆春節前提早展開投片試產,以測試設備電性參數、改善產品缺點與密度、拉高生產良率等,現已展開投片試產,初期預計放量到3000片,年底前量產時程有望提早。

SONY於2024 Q1開始,針對3,200萬畫素以上的高階CIS產品進行調漲。三星將產能移往HBM、DDR5,排擠彩色濾光片(Color filter)供貨,且CIS大廠Sony最新季度財報顯示,由於影像感測器銷量增加,晶片部門的利潤成長18%,台廠感測器供應業者采鈺原相有望重回成長軌跡。此外,采鈺也將走出去年谷底,采鈺與Sony合作開發CIS的畫素層與邏輯層堆疊的彩色濾光膜製程,將有機會隨台積電與全球最大COMS感測廠SONY合資在日本熊本設立12吋晶圓廠動工後,雙方將有更深度合作,預計2024年第四季量產,年底月產能將達到5.5萬片SONY因後段產能不足,將釋大單給采鈺生產彩色濾光膜及微透鏡,亦有助於采鈺明年的營收動能。此外因采鈺擁有最先進的0.6微米畫素CIS製程技術,且與台積電的合作關係緊密,采鈺將是SONY委外釋單優選。

[20240314] SONY為三星手機改移CIS生產基地於南韓,采鈺利多受惠於CIS大廠豪威、格科微
Sony與三星系統LSI在CIS領域競爭越趨激烈,SONY正在推動將CIS後段製程轉移到南韓的方案,準備把日本製造的CIS用晶圓引進南韓,並於南韓當地製造成個別的CIS晶片。

SONY把日本CIS後段製程轉移到南韓,很可能是因為為滿足三星手機快速在地化支援,SONY為能積極配合客戶需求,打算在南韓進行後段製程。由於三星手機同時採用三星系統LSI事業部及SONY生產的CIS。這將加劇三星與SONY間的CIS競爭,雖然這將為三星系統LSI事業部帶來不小壓力,但鑑於SONY在CIS市場佔據約51.6%市佔率,若SONY開始於南韓進行CIS後段製程,亦有望為南韓當地業者帶來正面效果。

目前負責CIS事業的SONY子公司Sony Semiconductor Solutions,已與南韓半導體後段製程業者討論具體的合作方案,SONY向後段製程企業開出10級無塵室、晶圓重組服務等要求,而與SONY接洽的後段製程商包含LB Semicon、斗山Tesna、ALT、南韓日月光(ASE Korea)等。

此外,對台廠而言,AI智慧手機浪潮來襲,將搭載更高畫素規格,伴隨大陸強攻CIS國產化趨勢,在OPPO、vivo、小米等大陸非蘋品牌大廠助攻下,開始向供應鏈擴大拉貨。CIS大廠豪威格科微思特威開始大舉向台積電旗下光學封測廠采鈺下單,訂單能見度直達2024下半年2~3個季度,助攻采鈺擺脫去年營運低迷態勢。

采鈺在光學鍍膜影像感測器等領域專攻晶圓級微結構光學元件封裝代工,透過半導體製程技術讓CIS製程的晶圓微結構與微型光學元件整合,讓光學元件能更加薄型化,成為手機、AR裝置等終端客戶指定供應商。

采鈺2024年元月合併營收6.66億元,為同期新高,年增26.9%。采鈺本季合併營收有望優於去年2023年Q4。未來看好采鈺不論Meta或Google等大廠都可望朝AR領域前進,且蘋果也已經開始啟動新一代頭戴裝置研發。

[20231130] CIS掌聲再起,同欣電成為最大贏家,另外精材、京元電將受惠
全球CMOS影像感測器( CIS)二哥三星帶頭開出CIS漲價第一槍,漲價幅度高達25%至30%。台廠同欣電其CIS封測產能於IDM廠SONY三星之後,居全球第三大

同欣電勝麗分別是手機、車用CIS封測的龍頭廠商。2020年併購專攻車用市場的勝麗之後,掌握全球車用CIS客戶,包括安森美、SONY、豪威等,其中,安森美為特斯拉主要供應商,讓同欣電間接切入特斯拉供應鏈。

同欣電目前四大產品線當中,仍以CIS為重,比重超過五成,其他為混和積體電路22%、陶瓷基板16%及射頻模組5%,在這波CIS大漲價浪潮當中,同欣電將成為大贏家。

另外,台積電轉投資的精材,主要專注於8吋CIS CSP(晶圓級尺寸封裝),旗下CIS應用結構中,以車用占比最高、達六成。

三星的漲價使台灣最大、全球第三大CIS封測廠同欣電具備產能與母公司國巨集團奧援優勢,通吃手機與車用等領域大單成為贏家。

[20230626]CIS的異質整合設計之眼球設計
晶片中傳統的訊號以電子傳送,但是這只是內部的訊號傳遞形式,也可從外界汲取資訊,譬如以「光」再轉成「電」訊號,CIS 為最好例子,其後引領半導體製程創造性的變革。傳統CIS架構與CMOS的建構過程相彷,先做把接收到的光轉成電訊號的光二極體(photo diode),這算某種類型的CMOS。

但是光進來後先要穿越正面幾層滿布金屬線的縫隙,以及晶片的中層結構,才能抵達對光敏感的光二極體。光的吸收效率很差。從工程設計的角度來看,光經微鏡頭、濾光片後應該先抵達光二極體,直接讓它吸收,轉化成電訊號,然後經金屬連線把信號送出去,這才是合理的設計。之所以會變成如此彆扭的結構,乃因半導體CMOS製程在演化過程中,就是將CMOS先置於底部,再將線路逐漸長上去的。

無獨有偶,大部分的生物的眼睛也有如此因演化過程產生的工程謬誤。人類眼睛的盲點就是在光敏細胞的演化過程中,視神經先長到視網模前,這個演化的遺跡殘留到以後更複雜的眼球結構之中,視神經阻擋視網膜對光線的部分吸收,以致於接近視界的中心點兩側都有對影像無感的盲點。

CIS如此彆扭結構,其解決的方法為從晶片背面著手:光的進入孔道微鏡頭、濾光片從比較接近光二極體(視網膜)的方向進來,此為晶圓的背面,在光二極體處轉化成電信號後再由上層的金屬線路(視神經)送出去處理。這樣的結構不會讓光被金屬連線阻擋干擾,結構較合理。如此的CIS結構叫背面照明(BI;Back-side Illumination),而老一代的CIS則叫前面照明(FI:Front-side Illumination)。

光是一種訊號,比之於建築中的線路屬於弱電系統,現在晶片中的部分弱電線路也地下化,像是光纖或電纜。CIS的結構本來就由多種效能的晶片功能模組拼湊起來,至少包括像素陣列(pixel arrays)、類比線路(Analog to Digital Converters;ADC)、邏輯線路(Image Signal Processors;ISP)等組成,而這些模組在半導體製程看來就是異質(heterogeneous)。因此在異質整合(heterogeneous integration)的年代開始後,CIS的結構創新引領許多矽房地產變革的生發[4]。除此之外,CIS產業以SONY為業界主要領先者,觀察其以相機、音樂的背景實力發展,台灣目前沒有此種優勢。

[20230221]台灣CIS業者是否有產業規劃佈局
台灣國內是否有針對CIS做整體規劃呢?目前觀察國內最大的陶瓷基板供應商同欣電正逐步往CIS封裝發展前進,後續正看好車用市場對於CIS的大量需求[2]。因為現階段美國、歐盟、中國大陸等國家政策強力支持2035年之前禁售燃油車,因此,電動車技術與需求出現大躍進,加上各國交通安規的推動,ADAS被列為新款汽車標配,帶動車用CIS快速成長。

目前CIS晶片仍以SONY豪威(2019年被中資韋爾所併購)三星等晶片商為主,龍頭Sony以24.4億美元銷售額,市佔率高達51.6%。台灣若真正要發展CIS產業,不能只有在封裝上面布局,一定要在最前頭Design發展,這樣才有機會發展高利基的CIS產業。觀察目前所屬台廠的CIS IC Desgin公司為原相、晶相光等廠商。其中,晶相光為全球監控攝影機領域當中,CIS第三大供應商,市佔率高達16%,最大客戶就是全球安控龍頭海康威視,佔營收超過3成,合作關係相當緊密[3]。

[20220610]中國IC設計界韋爾半導體
除海思、紫光展銳外,中國IC設計界新星又出來一顆,是韋爾半導體,而且還一舉衝破世界排名,到達第九名!

整個中國IC界來看,晶圓代工領域已有中芯國際、華虹等躋身全球前十強,封測更有長電科技 、通富微電、天水華天等名列前十大。假以時日,肯定是越來越突出,台灣有幾十年的時間優勢,可是要小心這同文同種的吸睛效應,畢竟台灣多屬產業都已經日落化了!

另外值得一提聯發科,聯發科由第四名,被超微AMD併購賽靈思而被彎道超車,假使聯發科當初把慧榮買起來就不至於如此了,可惜了!


Key
  • CIS三大設計商:Sony、三星、豪威(2019年被中資韋爾所併購)
  • 台廠CIS封裝:同欣電、精材、京元電、采鈺
  • 同欣電CIS封測產能居IDM廠之後,居全球第三大
  • 全球前三大CIS封測廠:SONY、三星、同欣電(母公司國巨)
  • SONY正在推動將CIS後段製程轉移到南韓的方案,SONY接洽的後段製程商包含LB Semicon、斗山Tesna、ALT、南韓日月光(ASE Korea)
  • Sony市佔率高達51.6%(24.4億美元)
  • 台積電熊本廠於2024年2月開幕,由台積電和日本大廠Sony、DENSO合資,Sony是蘋果主要CIS主要供應商。蘋果積極催促熊本廠提早量產數位影像處理器(ISP),熊本廠經過四個多月裝機,農曆春節前提早展開投片試產,以測試設備電性參數、改善產品缺點與密度、拉高生產良率等,現已展開投片試產,初期預計放量到3000片,年底前量產時程有望提早
  • SONY於2024 Q1開始,針對3,200萬畫素以上的高階CIS產品進行調漲。CIS大廠Sony最新季度財報顯示,由於影像感測器銷量增加,晶片部門的利潤成長18%
  • 采鈺與Sony合作開發CIS的畫素層與邏輯層堆疊的彩色濾光膜製程,將有機會隨台積電熊本廠動工後,雙方將有更深度合作
  • 采鈺2024年5月合併營收達8.63億元,月成長23.5%,寫下近兩年來單月新高,較去年同期增加31.7%;前五月合併營收為36.7億元,年增27.2%,改寫歷史同期次高
  • 現階段美國、歐盟、中國大陸等國家政策強力支持2035年之前禁售燃油車

 Reference

[4][20230619]晶片的房地產開發—以及晶圓背面的利用
[2][20230221]同欣電 衝刺車用CIS

同欣電是國內最大陶瓷基板供應商,產品業務分為高頻無線通訊模組、混合積體電路、陶瓷基板及影像感測等四大區塊,觀察2022年各產品線和應用面,影像產品、混合模組與射頻模組,營收成長6-13%不等,抵銷陶瓷基板營收衰退20%的影響,而四項業務在去年的營收占比分別為54%、19%、5%與20%。

進一步來看,去年汽車應用相關營收年增21%至70億元,比重由2021年的42%攀升至50%。車用CIS封裝營收躍升34%,貢獻影像產品與整體營收的60%與33%,惟智慧型手機與工業應用相關營收各衰退23%與14%,主要受到CIS晶圓重組與一般照明用陶瓷基板需求疲弱。

現階段消費性電子需求持續疲弱,但美國、歐盟、中國大陸等國家政策強力支持2035年之前禁售燃油車,電動車技術出現大躍進,電動車、自駕車長期趨勢正向確立,加上各國交通安規的推動,ADAS被列為新款汽車標配,帶動車用CIS將出現三級跳的快速成長。

業界引用研調機構的數據,預期到2025年,車用CIS複合年增長率將逾三成,遠高於手機CIS,支撐台系車用CIS封測廠的中長期營運動能。同欣電積極強化車用布局,2023年車用CIS封裝營收持續成長,法人估有望達雙位數的增長,對智慧型手機、一般照明與醫療相關應用的營收,則持審慎看法。

[1][2022-06-10] 警訊 IC設計業紅潮勢力擴大
經濟日報/ 記者鐘惠玲/台北報導

大陸半導體能量再擴大。研調機構集邦科技公布今年首季全球前十大IC設計業者營收排行,大陸IC設計龍頭韋爾半導體(Will Semiconductor)首度進榜,名列第九,意味紅潮在IC設計業的勢力逐步進逼台廠。台灣則有聯發科(2454)、聯詠、瑞昱等三家入列。


韋爾總部位於上海,近年透過併購快速擴大營運規模,以2019年收購台積電大客戶、當時全球第三大CMOS影像感測器(CIS)供應商豪威(OmniVision)最知名。集邦統計,韋爾半導體設計及銷售收入約占總營收85.1%,主要產品為CMOS影像感測器、顯示驅動晶片、類比晶片等,首季營收7.4億美元,排名第九。

大陸傾官方之力扶植半導體產業,近年逐步獲得成效,晶圓代工領域已有中芯國際、華虹等躋身全球前十強,封測更有長電科技 、通富微電、天水華天等名列前十大。

在整個半導體產業鏈中,陸廠先前獨缺在IC設計業取得前十大地位,如今韋爾首度入列前十大IC設計廠,意味紅色供應鏈在全球半導體產業當中,從最上游IC設計到下游封測都已取得一定地位,也打破過往全球前十大IC設計廠多是美國、台灣廠商為主的狀況。不過,就產業細目來看,台灣藉由台積電、日月光,分別在晶圓代工、封測穩居龍頭地位。

集邦科技統計,今年首季全球前十大IC設計業者營收共計394.3億美元,年增44%,高通、輝達與博通蟬聯前三名。超微因併購賽靈思,超車聯發科、躍居第四。

集邦表示,高通首季營收95.5億美元,年增52%,穩居全球第一。輝達受益GPU在資料中心的擴大應用,營收占比超越遊戲應用,總營收79億美元,年成長53%。

博通在半導體解決方案的收入頗豐,包括網路晶片、寬頻通訊晶片、儲存與橋接晶片業務保持穩定銷售表現,首季營收達61.1億美元,年成長26%。

超微在賽靈思加入後,營收達58.9億美元,年增71%。即使不計賽靈思營收,因企業端、嵌入式暨半客製化部門銷售勁揚,超微本身營收也是創歷史新高的53.3億美元。

台廠方面,以聯發科排名第五,表現最佳,聯詠、瑞昱也進榜。聯發科天璣系列處理器出貨放量,加上產品組合優化有成,首季營收達50.1億美元,年成長32%。聯詠首季營收為12.8億美元,年增38%,排名第七。瑞昱首季營收10.4億美元,年成長27%,維持第八名。

其他排名方面,邁威爾(Marvell)居第六,首季營收14.1億美元,年增72%,增幅為前十大廠之最。思睿邏輯總部位於美國德州,有音訊、混合訊號兩大產品線,今年首季營收達4.9億美元,年成長達67%,位居第十。

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