CIS(图像传感器)作为半导体产业相当重要的一个门类,向来备受瞩目。这个领域的高端市场基本是被国际巨擘把持的——而在格科微20周年,以及恰逢其上海临港工厂投产之际,格科微准备将CIS产品全面覆盖至高端市场。不过要做高端究竟需要什么呢......

可能很多人知道全球CIS(CMOS图像传感器)市场,索尼是头把交椅,次位是三星。这是基于CIS芯片营收所做的市场份额排序。

如果单纯从出货量的角度来看,CIS市场份额的全球第一是国内的格科微。在前不久格科微20周年庆典暨临港工厂投产仪式上,格科微董事长兼CEO赵立新在发言中说:“格科微虽然出货量已经全球第一,但销售额只占到5%。”

其中主要原因是过去格科微缺失高端产品——而在临港构建属于自己的fab厂,结合foundry代工达成的Fab-Lite模式转型,很大程度上就是为了走向高端。“格科微建厂的初心,就是打破高端传感器的制造壁垒,研发出能够与世界一流图像传感器公司一争高下的技术。”赵立新说。

在格科微的临港工厂投产以后,格科微事实上已经成为“芯片设计在张江,工艺研发和部分晶圆制造在临港,特色封测在嘉善的半导体全产业链集团”。借着本次投产仪式及同期的产品推介会,我们来谈谈格科微准备如何走向高端市场,以及实现销售额的进一步扩大。

 

走向高端,先谈格科微的两个技术

迈入高端市场的最直接表现,对用户而言,就是高端的产品与技术。这次的产品推介会上,格科微着重提到了多款面向手机的CIS新品,如5000万像素的GC50E0、GC50B2等。尤其是后者,这个是单像素尺寸1μm、5000万像素12bit色深1/1.56英寸的CIS,面向的就是旗舰与高端手机产品。

通过格科微当天给出的产品规划,可以看到其产品布局单像素尺寸下探到0.64μm,上至1.2μm;分辨率上探至1亿像素。

虽然就产品层面,格科微并未给出太多的信息,但产品表中出现的部分单芯片高像素CIS已经实现量产或通过客户验证,多少都能看出格科微在CIS领域具备了跻身高端的技术实力。过去这两年Yole Intelligence与TechInsights总结的手机CIS行业趋势,单像素尺寸变小、图像传感器尺寸做大是两个方向的趋势。

此外,格科微产品布局中多款产品用上了DAG HDR技术。前不久我们特别撰文谈到过属于格科微的这种单帧HDR技术——采访时格科微就提到会将DAG HDR技术应用到更多不同定位的CIS产品中。现在看来,DAG HDR的确进入到了格科微手机CIS的大部分产品序列。

简单来说,DAG(Dual Analog Gain)HDR是格科微自研的单帧HDR技术:基于单帧画面,针对画面暗部使用高模拟增益,让暗部更清晰、更有质感;针对亮部则使用低模拟增益,避免过曝;则单帧即可输出高动态范围的画面。此前格科微告诉我们,这种方案能够以更低的成本,带来近10dB的动态范围提升。这对于视频拍摄、静态照片拍摄,以及拍摄过程中取景框的画面预览,实现HDR效果都有价值。

这次推介会上,格科微主要在活动现场展示了手机预览画面的HDR效果,在面对高光比场景时,相较于竞品有着更好的高光压制及更多的暗部细节。我们也在现场将iPhone与格科微的参考设计方案做了对比,取景画面动态范围的差异还是一目了然的。毕竟DAG HDR是一种单帧HDR方案,相较时域多帧HDR,在这类场景下有优势。另外系统仍然可以在DAG的基础上,做时域多帧HDR来更进一步提升照片的宽容度,而且所需合成的帧数显著减少。

所以格科微在推介会上对于DAG HDR的宣传点放在了视频拍摄无运动伪影(单帧HDR的天然优势)、预览功耗降低40%(不需要多帧合成实时计算,系统功耗自然也就降低了)、静态照片拍摄只需要更少的多帧叠加。赵立新说:“我们定义2024年是图像传感器的高动态元年。”显然格科微的HDR技术是CIS产品走向高端的组成部分之一。

还有一个我们在现场看到的关键技术是“单芯片高像素集成技术”。这项技术是相对于市面上流行的堆栈CIS而言的。TechInsights这两年的报告都将多层堆叠视作CIS的技术方向。索尼此前宣传自家的堆栈式方案是不遗余力的。iPhone 5s时期,堆栈式CIS传感器声名鹊起。堆栈式CIS是把原本与像素处在同一平面的逻辑电路移到下层。

堆栈式CIS至少叠了像素层和逻辑层两层。一般我们认为堆栈工艺有利于像素做小,也一度是手机CIS做到1亿像素的基础。不过赵立新在演讲中提到,堆栈式CIS的问题是成本过高,尤其对于更低阶市场定位的产品而言。的确,索尼甚至在自家堆栈式方案中用上了hybrid bonding混合键合,还是挺奢侈的工艺。

而格科微的“单芯片”方案选择不用堆栈技术,仍然让逻辑与像素层放在一片die上。更重要的是相比于同规格的上下层堆叠方案,在实现相同性能的情况下,die size也只多了10%,晶圆面积利用率提高40%左右;成本具体低多少,格科微没有公布数字。这种单芯片高像素集成技术已经在3200万和5000万像素CIS产品上实现了量产,而且据说销量还非常不错。

赵立新在CEO交流会上大略谈到了单芯片方案实现的一部分技术,包括一种名为FPPI(Floating Poly Pixel Isolation,浮栅像素隔离)的像素隔离技术(应该是现在格科微GalaxyCell市场概念的技术基础)。具体到产品上,3200万像素的GC32E1是首个基于FPPI的0.7μm像素的CIS。据说格科微在FPPI专利技术研发上投入了10年时间。用赵立新的话来说,0.7μm FPPI像素研发延误了18个月,“因为真的太难了”。

格科微财报对FPPI是这么介绍的:“消除了STI隔离带来的侧壁Si/SiO2界面的各种界面态和陷阱复合中心等白点及暗电流来源,在高温下效果尤其明显。同时,该技术也避免了单纯靠PN结隔离带来的光学cross-talk加大和满阱容量下降等无法克服的缺点。”

“像素中间有个隔离,以前用的是STI(Shallow Trench Isolation,浅沟槽隔离),隔离边上有应力和缺陷,必须用高温退火。”赵立新说,“我们把STI换成了FPPI,用floating的多晶硅做隔离,就不需要做退火处理了,或者退火温度不需要那么高。”“FPPI是蛮关键的一个专利。”

实际上,堆栈式CIS单独做逻辑层的一部分原因也在于随着单像素尺寸变小,需要借助高温退火工艺来获得更好的光电性能——但逻辑层的器件是不耐高温的——这也是小像素,尤其<1μm的小像素难以用非堆栈技术的原因之一。格科微就是基于FPPI技术,解决了这个问题。

有关高像素单芯片集成技术另外值得一提的是,FPPI可能并非格科微实现单芯片或者说非堆栈技术的唯一难点。因为仅增加不到10%的面积,还要确保DAG HDR与12bit色深的实现,理论上应该需要电路设计上的其他工程努力,可能包括ADC、接口、数字电路等各组成部分的设计变化。未来若有机会,我们还可就单芯片技术实现与格科微做进一步的探讨。

 

跨越30亿美金大关

前面提到的这两个技术,当然并非格科微仅有的“黑科技”。比如我们在参观格科微临港工厂体验空间时看到的动芯片光学防抖技术、低光高灵敏度像素技术等;再比如赵立新也提及,堆栈式CIS的逻辑层固然可以用更先进的工艺达成更低的功耗,但格科微自己也在做新像素、低功耗电路设计研发——这也是临港fab厂着力在做的事情。

而且他还说格科微并不排斥堆栈式技术本身,“现在的这些功能,用非堆栈就能做得出来。但我们未来规划的一些产品,也需要用到堆栈。只不过堆的是其他功能。”另外赵立新也提到看好包括LOFIC(lateral overflow integration capacitor,一种在像素内能够藉由电容来收集溢出电子以获得高宽容度的技术方案)在内的一些技术,所以格科微的HDR技术未来还会持续迈进。

更多技术上的储备,都会推进格科微迈入高端市场,改变出货量与营收在整个行业的占比不均衡的现状。而实际上,格科微由Fabless转向Fab-Lite战略,很重要的一个原因也在于推动企业和产品走向高端。首先还是要谈一谈格科微Fab-Lite模式的一些已知信息。

所谓的Fab-Lite,通常是指外部foundry代工,与自家fab厂并行运作的生产模式。自行构建fab工厂的价值应当是无需赘言的,包括制造工艺与设计的更紧密配合,依托自家工厂自研技术与生产制造更加灵活和高效——起码流片很多时候不需要去foundry厂排队,能够更好地满足客户的定制化需求等等。

具体到格科微,临港工厂的投资规模在155亿元人民币。从产能角度来看,临港工厂明后年的晶圆产量预计在2-3万片/月,而外部foundry厂仍然承担7-8万片/月产能需求。“我定义临港工厂是个产能蓄水池,对格科微供应链,乃至整个半导体产业链起到调节作用。在产能紧张时开足马力、专注生产;在产能松动时专注研发、厚积薄发。”

在职能分配上,临港工厂“聚焦创新工艺的研发和有特色的定制化产品生产”。从研发的角度来看,临港工厂工艺开发着眼于“大步跨越”——专注于更具前瞻性的技术创新,涵盖汽车、安防、手机等高端、高毛利产品;而foundry厂则为“小步快跑”——关注主流工艺,强调高性价比。工艺技术上的一个例子,在于像素隔离FDTI(Frontside Deep Trench Isolation)会在临港工厂做布局,而主流BDTI(Backside Deep Trench Isolation)由foundry厂完成。

很显然格科微对临港工厂的预期,是要承担起自主、先进、高端工艺技术的先行的。这和索尼、三星这类CIS行业巨擘也是相似的发展思路;或者说这是以格科微为代表的中国CIS企业走向高端市场的必由之路。

但对半导体企业来说,工厂是重资产——尤其厂房、设备、材料等引入的CapEx先期成本投入是巨大的。赵立新也谈到有了工厂以后,财务压力变大——所以要“实现顺利转型,技术创新太关键了”。所以此前公司的经营目标是“突破核心技术,实现Fabless到Fab-Lite的顺利转型”。“我们说的核心技术是0.7μm小像素、高动态的传感器,这方面已经实现了突破。”短期内包括单芯片、FPPI、DAG HDR在内的技术应该会在2024年看到市场反馈。而技术创新是在格科微看来实现业绩长期增长的关键。

技术突破及走向高端是一部分,现阶段的行业环境对格科微也比较友好。一方面是包括消费电子在内的电子产业正面临周期性复苏,另一方面韩资企业正在退出CIS低端市场。格科微似乎更早就有这方面的市场预判,所以提前做了备货。

按照赵立新所说,是考虑到过去两年存储市场走低,令韩国企业不得不放弃利润更低的业务,“我们在一年多前就做出了市场预判。”“格科微2M, 5M, 8M, 13M, 16M的CIS产品竞争力在市场上还是最好的。”这可能意味着接下来格科微中端和入门产品的快速上量。

所以赵立新将市场描述为“格科微迎来成立20年来的最佳经营局面”:包括技术上单芯片高像素产品、DAG高动态产品量产上市,中低端市场则面临潜在空缺填补,且格科微“库存安全,供应链稳健”。

所以在Fab-Lite转型基本完成之后,到现阶段,格科微提出新的经营目标是“紧扣客户需求,推动核心技术产品化,跨越30亿美金大关”。30亿美金当然是个不小的目标。参考电子产业上一轮周期峰值的2021年,格科微年度营收突破了70亿元人民币,则基于大环境利好及市场对格科微的预期,30亿美金应当也不会太遥远。

 

不只是手机CIS走向高端

从格科微2023半年报来看,面向手机的CMOS图像传感器销售额占到公司总营收的44%;公司的另外两个主要产品是非手机CMOS图像传感器(25%)和DDIC(显示驱动芯片,30.41%)。这两部分不是本文要谈论的重点——其核心技术和手机CIS也有差异,但对于格科微未来达成30亿美金的营收目标同样是至关重要的。

这里我们列出其中一些关键数据和方向,也是格科微相关业务负责人在会上给出的。非手机CIS产品分成几个应用方向,包括IoT、车载精品、笔记本电脑、电视——格科微这几个业务的出货量也普遍是第一和第二的水平。

这其中实则也有反映走向高端的例子,比如在安防类市场,格科微逐步从低价走量,转向高品质产品的出货,“口碑也越来越好”。尤其格科微谈到车规级CIS产品很快就会推出,准备未来两年上量在车前装市场投放。这也是CIS产品进一步走向高端市场的佐证。

DDIC产品方面,格科微的产品布局覆盖从QQVGA、可穿戴设备到TDDI FHD的不同应用。业务负责人说格科微DDIC的年出货量也普遍超4亿颗——而且截至今年Q3的销售额数据显著看涨。虽然DDIC的市场规模不及CIS,但它在整个半导体行业中也是市场价值排第五、百亿美元级别的产品类别。

格科微对DDIC的市场预期是,未来着眼于AMOLED面板驱动。AMOLED面板的出货量虽然相比LCD液晶面板还远远不及,但销售额不低,毕竟AMOLED产品单价高。虽说发展方式同样会先从可穿戴设备做起,随后步入手机市场,这一样是走向高端的开端。

赵立新在谈公司的后续成长话题时,最后谈到持续提升CIS、LCD产品三大核心竞争力(1)技术支撑的品牌——而且在技术和成本上都要获得相比国际巨擘的优势;(2)独特的销售渠道——尤其表现在手机大客户的相对稳固,以及是否有能力拓展海外大客户;(3)折旧后的自有工厂——当折旧完成后,就能像索尼、三星那样,掌握关键的成本控制权。回顾前文提到的诸多策略细节,基本也都是这三点核心竞争力的反馈。那么30亿美金的营收大概就在“不远的将来”。

责编:Illumi
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