嚴(yán)格的工藝及性能要求為車載CIS的價(jià)值增量提供支撐,。一方面，車載CIS在工作溫度,、使用壽命上需滿足更高的硬性指標(biāo),；另一方面，車載CIS所面臨的復(fù)雜工作環(huán)境對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍及高感光能力提出要求,，使得車載CIS傾向于更大的像素,，在增加單芯片尺寸的同時(shí)價(jià)格也大幅提升,。車載CIS還需具備LED閃爍抑制,、應(yīng)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)等功能以規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步推升車載CIS的價(jià)格,。同時(shí),，由于車載攝像頭的核心訴求是實(shí)現(xiàn)行駛安全，800萬(wàn)像素已經(jīng)可以支持4K的超高清視頻流,，車載CIS不以高像素作為追求,。

完整的ADAS至少包括8顆攝像頭。出于自動(dòng)駕駛功能性的考慮,，我們提出完整的ADAS至少包括：2顆前視攝像頭以滿足測(cè)距需要,、4顆環(huán)視/側(cè)視攝像頭以感知周圍環(huán)境,、1顆后視攝像頭以輔助泊車,、1顆內(nèi)視攝像頭以監(jiān)測(cè)駕駛員狀態(tài),。目前,，前視/后視攝像頭在行車記錄和倒車影像功能的帶動(dòng)下滲透率較高,，單車攝像頭數(shù)量大多在1-2個(gè)，我們認(rèn)為汽車智能化趨勢(shì)將帶動(dòng)單車攝像頭數(shù)量及滲透率提升,。單車攝像頭數(shù)量的提升也對(duì)車載CIS提出低功耗的要求,。

WLCSP+TSV工藝在車載CIS領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊,。WLCSP在成本/尺寸/重量上具備優(yōu)勢(shì)，1）在晶圓上進(jìn)行封測(cè)再切割為芯片,，去除了打線和填膠程序，使得芯片體積小,、重量輕,；2）無需打金線/使用基板/底部填充介電材料等降低生產(chǎn)成本,，且單芯片成本隨單晶圓尺寸的增大和切割芯片數(shù)量的增加而下降。TSV通過在硅片上打孔并填充導(dǎo)電材料,，實(shí)現(xiàn)不同硅片間的電氣互連，有助于構(gòu)建三維CIS產(chǎn)品結(jié)構(gòu),，減小元器件尺寸,，也更容易滿足車規(guī)要求。我們認(rèn)為單車搭載攝像頭數(shù)量的增長(zhǎng)將推動(dòng)車載CIS小型化,，看好基于TSV工藝的WLCSP技術(shù)在車載CIS領(lǐng)域的性能優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景,。

汽車智能化發(fā)展不及預(yù)期,，自動(dòng)駕駛政策開放不及預(yù)期,。

隨著5G,、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的普及,，汽車逐步由單純的代步工具發(fā)展為集出行、辦公,、娛樂于一體的“車輪上的互聯(lián)空間”,。ADAS（advanced driver assistance system，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）作為智能駕駛的基礎(chǔ),，通過安裝在車上的各類傳感器收集數(shù)據(jù)以進(jìn)行AI訓(xùn)練,，同時(shí)感知環(huán)境以實(shí)現(xiàn)智能駕駛,。

車載攝像頭是ADAS主要的視覺傳感器,，其“視覺感知”過程始于鏡頭采集圖像,，而后攝像頭內(nèi)部的感光組件及控制組件會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行處理,，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),。車載攝像頭憑借豐富信息量及其衍生的應(yīng)用價(jià)值,、高性價(jià)優(yōu)勢(shì)成為ADAS的主流選擇,。

圖表1：ADAS各類傳感器對(duì)比

資料來源：SystemPlus，Livox官網(wǎng),，頭豹研究院,，CSDN,，中金公司研究部

多攝像頭是豐富ADAS功能的必要基礎(chǔ)設(shè)施,，包括前置攝像頭、環(huán)視攝像頭、側(cè)視攝像頭、后視攝像頭及內(nèi)視攝像頭，不同位置攝像頭所支持的ADAS功能各異，對(duì)其技術(shù)要求也存在差異。同時(shí),，由于汽車作為出行工具的特殊性,，相比于傳統(tǒng)工業(yè)攝像頭和消費(fèi)級(jí)攝像頭，車載攝像頭所面對(duì)的工作環(huán)境更加復(fù)雜多變,，需要在惡劣的條件下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，在安全性,、功耗,、尺寸等方面也有更高的要求。

圖表2：車載攝像頭類型

資料來源：Onsemi,，中金公司研究部

作為將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的關(guān)鍵器件,，圖像傳感器對(duì)成像品質(zhì)有舉足輕重的作為,，是車載攝像頭模組的核心,。根據(jù)我們?cè)凇?span in_class='weixin_a_tag'>車載攝像頭：揚(yáng)帆汽車智能化浪潮,，部署迎來量速齊升》中的測(cè)算，由于控制功能的中央集成化,，攝像頭作為單一傳感器不再需要配備MCU/處理SoC/存儲(chǔ)器等元件，而圖像傳感器,、光學(xué)部件（鏡頭組）,、模組封裝等環(huán)節(jié)仍是攝像頭實(shí)現(xiàn)采集功能的必備要素，我們測(cè)算在剝離計(jì)算功能的方案下,，圖像傳感器在鏡頭模組中的成本占比約50%。

圖表3：車載攝像頭成本結(jié)構(gòu)拆分

注：成本參考時(shí)點(diǎn)為2020年底
資料來源：SystemPlus,，公司官網(wǎng),，貿(mào)澤電子，Mobileye公告,，中金公司研究部

CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）是目前主流的車載攝像頭感光元件方案,，CIS（CMOS image sensor）為搭載CMOS芯片的圖像傳感器,，位于鏡頭和圖像信號(hào)處理器之間，本質(zhì)是感光電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的集成,，在完成光電轉(zhuǎn)化之后,，在芯片上實(shí)現(xiàn)電信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后輸出經(jīng)處理的數(shù)字電信號(hào)用于后續(xù)加工成像,。

圖表4：CIS構(gòu)成及工作原理

資料來源：頭豹研究院,，中金公司研究部

從技術(shù)上看，為提升感光能力,，CIS的感光電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)持續(xù)優(yōu)化，目前背照式（BSI）和堆棧式（Stacked）技術(shù)成為主流,。在傳統(tǒng)前照式（FSI）結(jié)構(gòu)下,，感光濾鏡和光電二極管之間存在多層電路結(jié)構(gòu)，阻隔部分光線進(jìn)入感光層,；BSI則將金屬連線轉(zhuǎn)移至光電二極管的背面,，提升CIS的感光能力；堆棧式結(jié)構(gòu)在BSI的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改良,，將信號(hào)處理電路放置于另一張硅片上,，疊放于像素區(qū)下方，增大了感光元件的面積,。目前背照式CIS應(yīng)用廣泛,，堆棧式CIS也不斷普及，未來多層堆疊和混合堆疊等新興技術(shù)有望進(jìn)一步發(fā)展,。

圖表5：CIS結(jié)構(gòu)演變及相關(guān)技術(shù)路徑

資料來源：SONY,，頭豹研究院，中金公司研究部

從競(jìng)爭(zhēng)格局上看,，目前車載CIS市場(chǎng)由安森美主導(dǎo),，2019年市場(chǎng)份額占比達(dá)60%；豪威科技市場(chǎng)份額快速提升,，2019年市占率達(dá)29%,，同比提升9pct。隨著汽車智能化趨勢(shì)確立,，豪威科技快速發(fā)展,，2020年導(dǎo)入Mobileye等重要客戶，同時(shí)受益于國(guó)內(nèi)造車勢(shì)力的崛起,，在中國(guó)市場(chǎng)的份額快速提升,，我們認(rèn)為2021年豪威科技有望在車載CIS領(lǐng)域成為全球第一。CIS領(lǐng)域龍頭索尼目前在車載領(lǐng)域的市場(chǎng)份額相對(duì)較低,，由于車載產(chǎn)品的驗(yàn)證周期較長(zhǎng)（3至5年）,，我們認(rèn)為索尼目前在汽車領(lǐng)域仍然落后于安森美和豪威。

圖表6：2020年不同應(yīng)用領(lǐng)域CIS收入占比

資料來源：Yole，中金公司研究部

圖表7：2018-2019年全球車載CIS市場(chǎng)份額分布

資料來源：頭豹研究院,，中金公司研究部

汽車智能化發(fā)展不及預(yù)期,。ADAS是汽車智能化的重要載體，我們預(yù)計(jì)一套完整的ADAS系統(tǒng)至少包括8顆攝像頭,，如果未來ADAS滲透率較低,，車載攝像頭的市場(chǎng)空間將不達(dá)預(yù)期。

自動(dòng)駕駛政策開放不及預(yù)期,。自動(dòng)駕駛的安全一直是監(jiān)管者關(guān)心的問題,，如果相關(guān)法規(guī)嚴(yán)格程度超出預(yù)期，對(duì)自動(dòng)駕駛相關(guān)路測(cè)試驗(yàn),、上路資格限制較多,，可能會(huì)影響汽車智能化進(jìn)程。

車載CIS與手機(jī)CIS雖然基本原理相同，但由于汽車和手機(jī)所面對(duì)的環(huán)境復(fù)雜度,、安全性要求,、成像效果需求不同，兩者在性能要求上存在較大差異,。在應(yīng)用場(chǎng)景上,，手機(jī)所處的環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定溫和，主要用于拍攝照片或視頻,，而車載CIS需要滿足在復(fù)雜動(dòng)態(tài)的環(huán)境下進(jìn)行低延時(shí)的路況信息收集和處理的需求,，主要目的是獲取周邊環(huán)境數(shù)據(jù)；從性能要求看,，車載設(shè)備的核心訴求是安全性,、穩(wěn)定性及相較于手機(jī)攝像頭更長(zhǎng)的使用壽命。

圖表8：車載CIS與手機(jī)CIS對(duì)比

資料來源：豪威官網(wǎng),，中金公司研究部

以豪威車規(guī)級(jí)與消費(fèi)級(jí)的CIS產(chǎn)品為例,，一方面車載CIS在工作溫度、使用壽命等方面的硬性指標(biāo)使得車載CIS有更高的工藝要求,，同時(shí),，車載攝像頭在復(fù)雜工作環(huán)境下保持高成像質(zhì)量的需求也使得車載CIS傾向于更大的像素及光學(xué)尺寸，導(dǎo)致車載CIS單片芯片尺寸大幅增加,，價(jià)格也大幅高于手機(jī)CIS,。

? 車規(guī)CIS的工作環(huán)境更加復(fù)雜，需要在更廣的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,。與手機(jī)等消費(fèi)產(chǎn)品不同,，汽車行駛環(huán)境復(fù)雜多變,，車載設(shè)備需要在高低溫、強(qiáng)振動(dòng),、高濕熱等復(fù)雜工況下穩(wěn)定工作,，CIS作為車載攝像頭的核心部件，需要滿足車規(guī)硬性要求,。AEC-Q100對(duì)車規(guī)級(jí)元器件的工作溫度范圍做出了明確要求,，豪威車規(guī)級(jí)CIS產(chǎn)品OX08B40的工作溫度為-40℃至125℃，通過了AEC-Q100等級(jí)2的認(rèn)證,。

? 汽車更換周期長(zhǎng),，相應(yīng)要求車載CIS擁有更長(zhǎng)的使用壽命。汽車作為大宗耐用消費(fèi)品,，其使用壽命通常長(zhǎng)于消費(fèi)電子產(chǎn)品,，根據(jù)我國(guó)《機(jī)動(dòng)車強(qiáng)制報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》，私家車報(bào)廢行駛里程為60萬(wàn)公里,，不同車型的報(bào)廢年限規(guī)定為8年及以上。我們認(rèn)為,，車載元器件的產(chǎn)品壽命需要與汽車生命周期匹配,。根據(jù)芯海科技的公司公告,，汽車器件的產(chǎn)品壽命一般要求在15年以上,，對(duì)車載CIS的工藝提供更高的要求。

? 車載CIS需滿足HDR及高感光能力的需求,，大尺寸像素成為必然選擇,。以豪威車規(guī)級(jí)與消費(fèi)級(jí)CIS產(chǎn)品為例，車規(guī)級(jí)CIS普遍比手機(jī)CIS擁有更大的像素尺寸,，即單個(gè)像素的面積更大,，大像素主要為了1）滿足HDR (high-dynamic range，高動(dòng)態(tài)范圍)的需求,，即成像時(shí)能同時(shí)看清場(chǎng)景中較暗和較亮的部分,，大像素通過在單個(gè)像素上容納更多的電子，可以有效地保留圖像信息,，從而實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍,；2）在低光照下依然保證較高的成像清晰度，大像素能解決昏暗環(huán)境疊加短曝光時(shí)間給車載攝像頭帶來的挑戰(zhàn),。由于車載攝像頭在動(dòng)態(tài)環(huán)境下工作,，為避免成像運(yùn)動(dòng)模糊只能減少曝光時(shí)間，車載CIS需要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)光子進(jìn)行捕捉,，當(dāng)外界光線較暗時(shí),，大像素能更有效地捕捉到少量光子，使車載攝像頭在低光照下保持高靈敏度和信噪比，避免在昏暗環(huán)境無法識(shí)別周圍環(huán)境信息,。

圖表9：車載CIS的車規(guī)級(jí)認(rèn)證/標(biāo)準(zhǔn)

資料來源：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織,，AEC，中金公司研究部

圖表10：大像素是車載CIS低光照條件的解決方案

資料來源：華為官網(wǎng),，中金公司研究部

動(dòng)態(tài)范圍(dynamic range, DR)是圖像傳感器能夠同時(shí)捕捉同一場(chǎng)景中亮處與暗處的能力。在現(xiàn)實(shí)中,，強(qiáng)光源的照射使高亮度區(qū)域及陰影,、逆光等相對(duì)亮度較低的區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)在同一場(chǎng)景中，若傳感器的動(dòng)態(tài)范圍較小,，攝像機(jī)輸出的圖像會(huì)出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色,，或黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)丟失,。針對(duì)以上問題的解決方案是HDR,，即提高傳感器動(dòng)態(tài)范圍以保證攝像頭可以在任何光線下真實(shí)清晰成像。

由于安全性的考慮,，高動(dòng)態(tài)范圍對(duì)車載CIS的重要性遠(yuǎn)超消費(fèi)級(jí)CIS,。汽車行駛時(shí)需要面對(duì)光線快速變化的場(chǎng)景，車載CIS動(dòng)態(tài)范圍過小會(huì)帶來無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)亮/暗處人車物的風(fēng)險(xiǎn),，影響行車安全性,。以進(jìn)入地下車庫(kù)為例，汽車經(jīng)歷短時(shí)間內(nèi)從亮處到暗處的轉(zhuǎn)變,，場(chǎng)景明暗對(duì)比度高,，HDR能確保車載攝像頭實(shí)時(shí)探測(cè)是否有行人或其他車輛經(jīng)過，實(shí)現(xiàn)安全駕駛提醒,。目前車載CIS HDR最高可達(dá)140dB,，如豪威科技的OX08B40/OX08B4C產(chǎn)品，提供高于人眼104dB的動(dòng)態(tài)范圍,，為自動(dòng)駕駛提供更有效的安全保障,。

圖表11：HDR保障車輛在任何光照下的視覺質(zhì)量

資料來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察，中金公司研究部

傳統(tǒng)HDR的解決方包括時(shí)間復(fù)用和空間復(fù)用兩大類,，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偽影及分辨率下降,。時(shí)間復(fù)用是指采用相同的像素列陣多次曝光并合成圖像，但由于多次曝光之間存在時(shí)間差,，合成的圖像會(huì)存在運(yùn)動(dòng)偽影,。空間復(fù)用是將像素陣列分解為多個(gè)同時(shí)進(jìn)行曝光,，可以有效減少運(yùn)動(dòng)偽影,，但犧牲了部分分辨率,，可能存在邊緣偽影。

圖表12：部分HDR技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)

資料來源：Omnivision,，中金公司研究部

CIS動(dòng)態(tài)范圍限制的本質(zhì)是像素在曝光過程中捕捉和容納光子的能力存在上限,。一方面，昏暗環(huán)境下光子數(shù)量較少,，像素可能無法在曝光時(shí)間內(nèi)接收足夠的光子,，導(dǎo)致昏暗部分信息丟失；另一方面,，高亮度下光子數(shù)量較多,，而像素容納光子的能力有限，導(dǎo)致部分光子從滿載像素中溢出到周圍像素,，使未滿載的像素吸收了多余的光子,，丟失真實(shí)的顏色信息。

大像素具備更高的感光能力及光子容納能力,，可以有效拓寬CIS的動(dòng)態(tài)范圍。在低亮度條件下，大像素更大的感光面能捕獲到更多的光子,，使其在相同曝光時(shí)間下獲得更多圖像信息,；同時(shí),，大像素可以容納更多的電子,，避免由于過曝導(dǎo)致圖片亮處細(xì)節(jié)丟失,，由此實(shí)現(xiàn)在單次曝光過程中獲取高動(dòng)態(tài)范圍的圖像信息,，以減免傳統(tǒng)HDR技術(shù)中因時(shí)間延遲造成的偽影,，實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度場(chǎng)景下的優(yōu)質(zhì)成像,。

圖表13：大像素能容納更多光線（以紅色濾鏡下的像素為例）

資料來源：CSDN，中金公司研究部

大像素的要求使得相同分辨率的車載CIS的成本高于手機(jī)CIS,。分辨率一定的情況下，單個(gè)像素越大,，CIS芯片面積越大，則單片晶圓能夠制作的芯片數(shù)量減少，單位芯片成本提升。同時(shí)，在相同分辨率下,，大像素導(dǎo)致的更大芯片面積增加了芯片遇到瑕疵的概率，較低的成品率提高了大像素CIS的成本,。

LED閃爍是指攝像頭拍攝到的LED燈圖像忽明忽暗的閃爍現(xiàn)象,，其本質(zhì)是攝像頭曝光采樣周期不同于LED燈的脈沖周期導(dǎo)致的。LED燈的驅(qū)動(dòng)通常采用脈沖調(diào)制的方式,，在每個(gè)脈沖周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次亮暗交替,，驅(qū)動(dòng)頻率往往高于90Hz（即脈沖周期小于11ms）以保證人眼不會(huì)察覺到光線閃爍,。如果攝像頭的曝光時(shí)間較短，則曝光時(shí)間可能在某一幀中對(duì)應(yīng)LED燈通電期，卻在下一幀中對(duì)應(yīng)LED燈關(guān)滅期,，最終形成LED閃爍,。

圖表14：LED閃爍成因

資料來源：IEEE,，中金公司研究部

LED閃爍會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)駕駛的系統(tǒng)誤判，導(dǎo)致潛在的安全風(fēng)險(xiǎn),。在傳統(tǒng)車輛駕駛中,，視覺的延遲效應(yīng)和適應(yīng)性使得人眼難以察覺LED的明暗變化，不會(huì)影響車輛駕駛,。而自動(dòng)駕駛依賴于車載攝像頭提供的準(zhǔn)確圖像數(shù)據(jù),，隨后通過AI算法判斷路況、信號(hào)標(biāo)識(shí)等并做出駕駛操作決策,。LED閃爍會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常檢測(cè)電子路標(biāo)與交通信號(hào)燈,，或無法區(qū)分轉(zhuǎn)向燈與車尾燈，影響自動(dòng)駕駛的安全性,。因此,，車載CIS必須抑制LED閃爍效果來適應(yīng)當(dāng)前以LED信號(hào)燈為主的道路信號(hào)體系。

圖表15：LED閃爍抑制前后效果

資料來源：SONY,，思特威科技,，中金公司研究部

實(shí)現(xiàn)LFM（LED flicker mitigation，LED閃爍抑制）的基本思路是優(yōu)化曝光時(shí)間點(diǎn)或時(shí)長(zhǎng),，使圖像傳感器在每幀中捕獲至少一次LED工作狀態(tài),。目前主流LFM方案有四種技術(shù)路徑，包括時(shí)間多路傳輸,、空間多路復(fù)用,、較大的全井產(chǎn)能和列陣攝像機(jī)。

? 時(shí)間多路傳輸：該路徑代表技術(shù)為斬波曝光,，其原理是把每幀正常曝光的時(shí)間分散到11ms（90Hz LED的脈沖周期）內(nèi)執(zhí)行,，通過多次短暫曝光的效果累加實(shí)現(xiàn)正常曝光的總時(shí)長(zhǎng),，以增加傳感器捕捉到LED工作狀態(tài)的概率。斬波曝光緩解了LED閃爍問題,，但由于單次曝光時(shí)間短,，最后成像亮度會(huì)略低于正常LED,。

? 空間多路復(fù)用：代表技術(shù)為分離像素技術(shù),，即每個(gè)像素由大小兩個(gè)光電二極管構(gòu)成，其中大光電二極管敏感度高,，曝光時(shí)間正常,，保證圖像整體質(zhì)量；小光電二極管敏感度低,，曝光時(shí)間長(zhǎng),，確保對(duì)LED脈沖的捕捉，從而減少LED閃爍,。該方案能夠有效實(shí)現(xiàn)LFM,，但要求更大更復(fù)雜的像素結(jié)構(gòu)，同時(shí)雙重光電二極管導(dǎo)致的復(fù)雜讀數(shù)等問題使其技術(shù)和工藝門檻較高,。

? 較大的全阱容量：代表技術(shù)為L(zhǎng)OFIC（Lateral overflow integration capacitor,，橫向溢出集合電容），即通過提高像素的全阱容量（最大電子容納量）使得傳感器能夠在一定程度上延長(zhǎng)曝光時(shí)間去捕獲LED信號(hào),，且不發(fā)生過曝導(dǎo)致成像細(xì)節(jié)丟失,。

? 陣列攝像機(jī)：其基本原理是通過一個(gè)低敏感度的攝像頭探測(cè)LED，隨后將不同攝像頭的圖像融合成為最終圖像,。陣列攝像機(jī)當(dāng)下還面臨許多挑戰(zhàn)：1）光學(xué)校準(zhǔn)難以在車載攝像頭極大的溫度動(dòng)態(tài)范圍中保持穩(wěn)定,；2）高靈敏度和低靈敏度圖像融合技術(shù)門檻較高，算法復(fù)雜,。

汽車動(dòng)態(tài)行駛環(huán)境決定了車載CIS的曝光時(shí)間必須短。CIS在曝光的過程中不斷收集外界圖像信息,，若被拍攝的物體在曝光時(shí)間內(nèi)相對(duì)攝像機(jī)移動(dòng),，則多個(gè)像素上都會(huì)捕捉到該物體的信息，導(dǎo)致成像的“運(yùn)動(dòng)模糊”,。曝光時(shí)間越長(zhǎng),，儲(chǔ)存有運(yùn)動(dòng)物體光線信息的像素就越多，成像也就越模糊,，CIS必須減少曝光時(shí)間以實(shí)現(xiàn)單曝光周期內(nèi)物體的相對(duì)靜止,，從而得到清晰的圖像,。高速運(yùn)動(dòng)疊加夜間行車要求，車載CIS需要在短曝光的前提下保持低光照靈敏度,，大像素對(duì)于車載CIS必不可少,。

圖表16：不同曝光時(shí)間下夜間車輛成像

資料來源：CSDN，中金公司研究部

車載攝像頭數(shù)量及性能的提升對(duì)車載CIS提出低功耗要求,。ADAS建立在準(zhǔn)確識(shí)別行車環(huán)境和道路狀況的基礎(chǔ)上，隨著ADAS向高水平自動(dòng)駕駛發(fā)展,，單車車載攝像頭數(shù)量及性能持續(xù)提升,，根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，單車搭載攝像頭數(shù)量將從2018年的1.7顆提升至2023年的3顆,，對(duì)應(yīng)著電動(dòng)車?yán)m(xù)航下降或內(nèi)燃機(jī)的油耗上升,，根據(jù)ROHM，目前4顆2M的攝像頭模塊對(duì)應(yīng)功耗約為1,850mW,。隨著單車攝像頭數(shù)量的大幅增加,，車載CIS需要追求更低功耗。

低功耗可以提升車載CIS工作的穩(wěn)定性,。功耗與零部件溫度成正相關(guān)關(guān)系,，低功耗可以避免CIS芯片過熱，影響正常感光功能,。同時(shí),，高溫下電子更加活躍，給成像帶來更多的噪聲,，影響圖片質(zhì)量,。且在面對(duì)高功耗的情況下，車企會(huì)引入更多主動(dòng)散熱設(shè)備,，提升整車設(shè)計(jì)復(fù)雜度及整體功耗,。

圖表17：車載CIS和消費(fèi)級(jí)CIS對(duì)比

資料來源：CSDN,，IEEE，SONY,，Omnivision,，芯海科技公司公告,，中金公司研究部

車載攝像頭的核心訴求是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的行駛安全,，高像素對(duì)視頻攝像的增益較小。車載攝像頭的目的是在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境及車輛狀態(tài)的正確感知和探測(cè),，在成像清晰度能夠滿足感知,、探測(cè)的需求后,，更高的清晰度在提升成本的同時(shí),，所帶來的實(shí)用價(jià)值較低,。

同時(shí)，車載攝像頭應(yīng)用于視頻拍攝,，800萬(wàn)像素已經(jīng)可以支持4K的超高清視頻流,，而對(duì)于只需要做環(huán)境感知而不需要測(cè)距的攝像頭來說，720P（約100萬(wàn)像素）或1080P（約200萬(wàn)像素）的車載CIS已經(jīng)能夠滿足需求,。以特斯拉AutoPilot HW2.0為例,，其后置攝像頭采用的是豪威科技720P的CIS傳感器，其余攝像頭為Aptina（安森美子公司）的720P,。我們認(rèn)為,，如手機(jī)64M攝像頭的高像素對(duì)于車載攝像頭的實(shí)際增益較小。

圖表18：不同分辨率視頻流的像素要求

資料來源：中國(guó)移動(dòng)通信設(shè)計(jì)院,，中金公司研究部

由于行車記錄儀和倒車影像較為普及,，后視攝像頭及前視攝像頭的滲透率較高,，單車攝像頭裝配大多在1-2個(gè)（1個(gè)前視搭配行車記錄儀，1個(gè)后視輔助倒車）,；環(huán)視和內(nèi)置攝像頭滲透率較低,，未來有望隨著L2/L3及更高等級(jí)的自動(dòng)駕駛的普及而提升,。

我們認(rèn)為，汽車智能化水平的提升將推動(dòng)前視和后視攝像頭數(shù)量增加以實(shí)現(xiàn)更多功能,，同時(shí)加速環(huán)視和內(nèi)視攝像頭的單車裝配滲透率提升,，一套ADAS系統(tǒng)至少需要8顆攝像頭來實(shí)現(xiàn)完整的功能（2個(gè)前視，1個(gè)后視,，4個(gè)環(huán)視,，1個(gè)內(nèi)視）。

? 前視攝像頭：2顆起以滿足測(cè)距需要,。如果采用單顆攝像頭進(jìn)行測(cè)距,，需要將實(shí)時(shí)圖像與模型數(shù)據(jù)庫(kù)樣本比對(duì)，結(jié)果不精確且需要龐大數(shù)據(jù)庫(kù)支撐,。2顆攝像頭可以通過對(duì)多幅圖像視差（不同位置攝像頭對(duì)同一位置物體呈現(xiàn)圖像的差異）的計(jì)算進(jìn)行測(cè)距,，定位測(cè)距更為準(zhǔn)確。前視攝像頭能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有FCW（前向碰撞預(yù)警）,、LDW（車道偏離預(yù)警）,、PCW（行人防碰撞預(yù)警）,、TSR（交通標(biāo)志識(shí)別）,、LKA（車道保持輔助）,、ADB（自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈）、ACC（自動(dòng)巡航控制）等,。

? 周邊感知：4顆側(cè)視或環(huán)視,，用于獲取全面的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)。其中,，2顆側(cè)方前視監(jiān)測(cè)突然從前方并道的車輛,，在進(jìn)入視野受限的交叉路口時(shí)提供安全保障；2顆側(cè)方后視監(jiān)測(cè)車輛后方盲區(qū),，確保車輛自身變道和匯入主路時(shí)的安全,。

? 后視：至少1顆用于獲取車后方情況，可實(shí)現(xiàn)輔助泊車,、倒車影像等功能,。

? 內(nèi)視：車內(nèi)至少1顆對(duì)駕駛員進(jìn)行監(jiān)視（DMS），確保駕駛員身份和避免疲勞或分神駕駛,；未來數(shù)量有望進(jìn)一步增加,，功能拓展至乘客監(jiān)視（OMS）。

圖表19：理想ADAS系統(tǒng)的8顆攝像頭布局

資料來源：頭豹研究院,，中金公司研究部

特斯拉Model 3搭載了Autopilot 2.0系統(tǒng),，是自動(dòng)駕駛多攝像頭的代表例子之一。為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的道路環(huán)境識(shí)別,，Autopilot 2.0系統(tǒng)包含8個(gè)攝像頭,、1個(gè)毫米波雷達(dá)和12個(gè)超聲波傳感器,。通過1個(gè)前視三目攝像頭（主視、長(zhǎng)焦,、廣角）,、2個(gè)側(cè)方前視攝像頭、2個(gè)側(cè)方后視攝像頭和一個(gè)后視攝像頭,，該系統(tǒng)可以覆蓋360度可視范圍,，對(duì)周圍環(huán)境監(jiān)控最遠(yuǎn)可達(dá)250米，有效地提升了自動(dòng)駕駛的安全系數(shù),。

圖表20：特斯拉Autopilot 2.0攝像頭布局

資料來源：Tesla官網(wǎng),，中金公司研究部

WLCSP（Wafer level chip size package,，晶圓級(jí)芯片尺寸封裝）是指采用WLP（Wafer level package,，晶圓級(jí)封裝）技術(shù)并滿足CSP（Chip size package，芯片尺寸封裝）標(biāo)準(zhǔn)的新型封裝技術(shù),。

? CSP指封裝尺寸和芯片核心尺寸基本相同的封裝技術(shù),，一般標(biāo)準(zhǔn)為封裝面積小于或等于芯片面積的1.2倍,；滿足該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)有效提高了電路的集成化,，減少了電子器件的體積和重量。

? WLP是指直接在晶圓上進(jìn)行大多數(shù)或全部的封裝工作,，隨后在切割成單一芯片,，傳統(tǒng)封裝技術(shù)則應(yīng)用于已經(jīng)加工切割后的芯片。

WLCSP較傳統(tǒng)封裝技術(shù)擁有產(chǎn)品體積更小,、重量更輕,、制造成本更低的優(yōu)勢(shì)。

? WLCSP直接在整片晶圓上進(jìn)行封裝和測(cè)試,，而后切割為單一芯片,，省略了打線和填膠程序，使得封裝后的芯片尺寸與裸芯片基本一致,。根據(jù)晶方科技,，與傳統(tǒng)封裝技術(shù)QFP（四邊引線扁平封裝）和BGA（球柵陣列封裝）相比，應(yīng)用WLCSP的產(chǎn)品在尺寸上比QFP和BGA產(chǎn)品分別小75%和50%,、重量上分別輕85%和40%,。

? 從成本來看，WLCSP技術(shù)優(yōu)化了封裝產(chǎn)業(yè)鏈且具有成本優(yōu)勢(shì),。傳統(tǒng)封裝涉及基板廠,、封裝廠、測(cè)試廠,，而WLCSP將這些環(huán)節(jié)整合為一體,，提升了生產(chǎn)效率,，WLCSP能減少封裝前合格芯片的測(cè)試環(huán)節(jié)，且無需打金線,、無需使用基板,、無需底部填充介電材料等，能夠有效降低生產(chǎn)成本,。同時(shí),，傳統(tǒng)封裝按照芯片個(gè)數(shù)來計(jì)算成本，WLCSP的封裝成本則按照晶圓數(shù)計(jì)算,，單顆芯片的封裝成本隨晶圓尺寸增大和單片晶圓切割芯片數(shù)量增加而降低,。

圖表21：晶圓級(jí)芯片尺寸封裝與傳統(tǒng)封裝的區(qū)別

資料來源：晶方科技招股說明書，中金公司研究部

TSV（Through silicon via,，硅通孔）工藝是3D集成電路中堆疊芯片實(shí)現(xiàn)互連的一種先進(jìn)解決方案,。其本質(zhì)是在硅片上打孔，隨后在孔內(nèi)填充導(dǎo)電材料,，實(shí)現(xiàn)不同硅片間的電氣互連,，主要優(yōu)勢(shì)在于可以通過垂直互連（即“通孔”）縮短堆疊芯片的互連線長(zhǎng)度、減少信號(hào)延遲,、降低電容和電感,，從而實(shí)現(xiàn)芯片間的低功耗和高速通訊，增加帶寬和促進(jìn)器件集成的小型化,。

圖表22：常見3D集成電路封裝技術(shù)

資料來源：晶方科技招股說明書,，SK Hynix官網(wǎng)，中金公司研究部

堆疊式CIS是未來發(fā)展方向,，而TSV工藝有助于構(gòu)建三維CIS產(chǎn)品,。我們認(rèn)為隨著單車車載攝像頭數(shù)量的增長(zhǎng)，車載CIS將呈現(xiàn)小型化的趨勢(shì),。電子產(chǎn)品小型化促使CIS從背照式向堆疊式演變的路徑,，后者使用有邏輯電路的襯底替代了背照式CIS所用的支撐襯底，通過分離像素區(qū)域和電路區(qū)域,，在增大感光元件面積的同時(shí)縮小了芯片的二維尺寸,，并賦能更復(fù)雜的多功能電路。TSV工藝實(shí)現(xiàn)多層硅片之間的連通,，使得雙重甚至多重堆疊式結(jié)構(gòu)能夠正常運(yùn)作,，推動(dòng)CIS在垂直空間的不斷創(chuàng)新發(fā)展。

以SONY CIS芯片為例,，SONY在2012年推出應(yīng)用二堆疊（像素層+電路層）的Exmor RS系列芯片后,，于2017年推出業(yè)界內(nèi)首個(gè)三堆疊CIS，在像素層和電路層之間額外加入DRAM層，用于緩存,、讀取和處理圖像信息,。

圖表23：三堆疊CIS結(jié)構(gòu)

資料來源：SONY，ISSCC Forum,，中金公司研究部

TSV工藝的WLCSP封裝流程可以分為前期準(zhǔn)備,、通孔形成、通孔處理,、后期優(yōu)化和最終切割五個(gè)部分,。前期準(zhǔn)備指將CIS晶圓與玻璃晶圓鍵合并減薄，形成三維堆疊晶圓的初始形態(tài),。通孔形成即通過光刻和離子蝕刻在非傳感器的位置制作溝槽錐形TSV,，為硅片垂直方向的連通提供通道。通孔處理涉及絕緣層/阻擋層/種子層的沉積及通孔填充,，目的是保證電子能夠穩(wěn)定流通且不隨意擴(kuò)散,，影響半導(dǎo)體的介電性能。后期優(yōu)化流程包含在晶圓上添加球柵陣列（BGA）作為引腳,、增加重布線層（RDL）實(shí)現(xiàn)電信號(hào)在BGA和焊盤之間的流通,、封裝晶圓外層保護(hù)等，確保芯片能穩(wěn)定長(zhǎng)效地工作,。上述流程之后,，封裝好的晶圓經(jīng)過切割即得到CIS芯片。

圖表24：CIS的WLSCP工藝流程

資料來源：Development of reliable, high performance WLCSP for BSI CMOS image sensor for automotive application,，學(xué)術(shù)期刊Sensors,，中金公司研究部

采用TSV工藝的WLCSP封裝CIS芯片在性能、成本等方面具有優(yōu)勢(shì),。上海交大、華天科技和廈門大學(xué)的研究員在2020年以5.8mm*5.2mm尺寸的65nm節(jié)點(diǎn)的背照式CIS芯片為基礎(chǔ),，采用TSV和WLCSP工藝開發(fā)出尺寸為5.82mm*5.22mm,、厚度為850μm的封裝芯片，產(chǎn)品像素達(dá)1.4M,、動(dòng)態(tài)范圍超過120dB,，在小批量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)98%的平均良率，且通過AEC-Q100的二級(jí)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),。采用TSV工藝的WLCSP封裝產(chǎn)品性能優(yōu)異,，且更容易實(shí)現(xiàn)3D CIS結(jié)構(gòu)，減小元器件尺寸,，也更容易滿足車規(guī)要求,。當(dāng)量足夠大的時(shí)候，平均到單片芯片的成本更低,。我們看好TSV的WLCSP工藝在車載CIS領(lǐng)域的性能優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景,。

本文摘自：2021年12月10日已經(jīng)發(fā)布的《汽車傳感器：車載攝像迎風(fēng)口,，六問六答尋真章》

陳 昊 SAC 執(zhí)業(yè)證書編號(hào)：S0080520120009 SFC CE Ref：BQS925

朱鏡榆 SAC 執(zhí)業(yè)證書編號(hào)：S0080121070370

彭 虎 SAC 執(zhí)業(yè)證書編號(hào)：S0080521020001SFC CE Ref：BRE806