汽车摄像头作为“自动驾驶之眼”，已经成为汽车智能驾驶方案中主要的传感器。CIS是摄像头的核心部件，由于所面对的环境复杂度/安全性要求/成像效果需求不同，车载与消费级CIS在工艺和性能等方面区别较大，也导致了两者的价格差异，而WLCSP+TSV工艺特性与车载CIS需求的契合度高，应用前景广阔。我们重申对车载CIS产业链的看好，提示投资人持续关注汽车智能化带来的投资机会。
摘要
严格的工艺及性能要求为车载CIS的价值增量提供支撑。一方面，车载CIS在工作温度、使用寿命上需满足更高的硬性指标；另一方面，车载CIS所面临的复杂工作环境对高动态范围及高感光能力提出要求，使得车载CIS倾向于更大的像素，在增加单芯片尺寸的同时价格也大幅提升。车载CIS还需具备LED闪烁抑制、应对高速运动等功能以规避安全风险，进一步推升车载CIS的价格。同时，由于车载摄像头的核心诉求是实现行驶安全，800万像素已经可以支持4K的超高清视频流，车载CIS不以高像素作为追求。
完整的ADAS至少包括8颗摄像头。出于自动驾驶功能性的考虑，我们提出完整的ADAS至少包括：2颗前视摄像头以满足测距需要、4颗环视/侧视摄像头以感知周围环境、1颗后视摄像头以辅助泊车、1颗内视摄像头以监测驾驶员状态。目前，前视/后视摄像头在行车记录和倒车影像功能的带动下渗透率较高，单车摄像头数量大多在1-2个，我们认为汽车智能化趋势将带动单车摄像头数量及渗透率提升。单车摄像头数量的提升也对车载CIS提出低功耗的要求。
WLCSP+TSV工艺在车载CIS领域的应用前景广阔。WLCSP在成本/尺寸/重量上具备优势，1）在晶圆上进行封测再切割为芯片，去除了打线和填胶程序，使得芯片体积小、重量轻；2）无需打金线/使用基板/底部填充介电材料等降低生产成本，且单芯片成本随单晶圆尺寸的增大和切割芯片数量的增加而下降。TSV通过在硅片上打孔并填充导电材料，实现不同硅片间的电气互连，有助于构建三维CIS产品结构，减小元器件尺寸，也更容易满足车规要求。我们认为单车搭载摄像头数量的增长将推动车载CIS小型化，看好基于TSV工艺的WLCSP技术在车载CIS领域的性能优势及应用前景。
风险
汽车智能化发展不及预期，自动驾驶政策开放不及预期。
车载摄像头是ADAS主要传感器，CIS为核心部件
自动驾驶之眼：车载摄像头是ADAS主要的视觉传感器
随着5G、人工智能、物联网等技术的普及，汽车逐步由单纯的代步工具发展为集出行、办公、娱乐于一体的“车轮上的互联空间”。ADAS（advanced driver assistance system，高级驾驶辅助系统）作为智能驾驶的基础，通过安装在车上的各类传感器收集数据以进行AI训练，同时感知环境以实现智能驾驶。
车载摄像头是ADAS主要的视觉传感器，其“视觉感知”过程始于镜头采集图像，而后摄像头内部的感光组件及控制组件会对图像进行处理，并将其转化为数字信号。车载摄像头凭借丰富信息量及其衍生的应用价值、高性价优势成为ADAS的主流选择。
图表1：ADAS各类传感器对比
资料来源：SystemPlus，Livox官网，头豹研究院，CSDN，中金公司研究部
多摄像头是丰富ADAS功能的必要基础设施，包括前置摄像头、环视摄像头、侧视摄像头、后视摄像头及内视摄像头，不同位置摄像头所支持的ADAS功能各异，对其技术要求也存在差异。同时，由于汽车作为出行工具的特殊性，相比于传统工业摄像头和消费级摄像头，车载摄像头所面对的工作环境更加复杂多变，需要在恶劣的条件下保持稳定的工作状态，在安全性、功耗、尺寸等方面也有更高的要求。
图表2：车载摄像头类型
资料来源：Onsemi，中金公司研究部
CMOS图像传感器是车载摄像头的核心
作为将光信号转化为电信号的关键器件，图像传感器对成像品质有举足轻重的作为，是车载摄像头模组的核心。根据我们在《车载摄像头：扬帆汽车智能化浪潮，部署迎来量速齐升》中的测算，由于控制功能的中央集成化，摄像头作为单一传感器不再需要配备MCU/处理SoC/存储器等元件，而图像传感器、光学部件（镜头组）、模组封装等环节仍是摄像头实现采集功能的必备要素，我们测算在剥离计算功能的方案下，图像传感器在镜头模组中的成本占比约50%。
图表3：车载摄像头成本结构拆分
注：成本参考时点为2020年底
资料来源：SystemPlus，公司官网，贸泽电子，Mobileye公告，中金公司研究部
CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）是目前主流的车载摄像头感光元件方案，CIS（CMOS image sensor）为搭载CMOS芯片的图像传感器，位于镜头和图像信号处理器之间，本质是感光电路和信号转换电路的集成，在完成光电转化之后，在芯片上实现电信号向数字信号的转换，最后输出经处理的数字电信号用于后续加工成像。
图表4：CIS构成及工作原理
注：成本参考时点为2020年底
资料来源：SystemPlus，公司官网，贸泽电子，Mobileye公告，中金公司研究部
CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）是目前主流的车载摄像头感光元件方案，CIS（CMOS image sensor）为搭载CMOS芯片的图像传感器，位于镜头和图像信号处理器之间，本质是感光电路和信号转换电路的集成，在完成光电转化之后，在芯片上实现电信号向数字信号的转换，最后输出经处理的数字电信号用于后续加工成像。
图表4：CIS构成及工作原理
资料来源：头豹研究院，中金公司研究部
从技术上看，为提升感光能力，CIS的感光电路结构设计持续优化，目前背照式（BSI）和堆栈式（Stacked）技术成为主流。在传统前照式（FSI）结构下，感光滤镜和光电二极管之间存在多层电路结构，阻隔部分光线进入感光层；BSI则将金属连线转移至光电二极管的背面，提升CIS的感光能力；堆栈式结构在BSI的基础上进一步改良，将信号处理电路放置于另一张硅片上，叠放于像素区下方，增大了感光元件的面积。目前背照式CIS应用广泛，堆栈式CIS也不断普及，未来多层堆叠和混合堆叠等新兴技术有望进一步发展。
图表5：CIS结构演变及相关技术路径
资料来源：SONY，头豹研究院，中金公司研究部
从竞争格局上看，目前车载CIS市场由安森美主导，2019年市场份额占比达60%；豪威科技市场份额快速提升，2019年市占率达29%，同比提升9pct。随着汽车智能化趋势确立，豪威科技快速发展，2020年导入Mobileye等重要客户，同时受益于国内造车势力的崛起，在中国市场的份额快速提升，我们认为2021年豪威科技有望在车载CIS领域成为全球第一。CIS领域龙头索尼目前在车载领域的市场份额相对较低，由于车载产品的验证周期较长（3至5年），我们认为索尼目前在汽车领域仍然落后于安森美和豪威。
图表6：2020年不同应用领域CIS收入占比
资料来源：Yole，中金公司研究部
图表7：2018-2019年全球车载CIS市场份额分布
资料来源：头豹研究院，中金公司研究部
风险
汽车智能化发展不及预期。ADAS是汽车智能化的重要载体，我们预计一套完整的ADAS系统至少包括8颗摄像头，如果未来ADAS渗透率较低，车载摄像头的市场空间将不达预期。
自动驾驶政策开放不及预期。自动驾驶的安全一直是监管者关心的问题，如果相关法规严格程度超出预期，对自动驾驶相关路测试验、上路资格限制较多，可能会影响汽车智能化进程。
与消费级CIS相比，车载CIS的价值增量在何处？
车载CIS与手机CIS虽然基本原理相同，但由于汽车和手机所面对的环境复杂度、安全性要求、成像效果需求不同，两者在性能要求上存在较大差异。在应用场景上，手机所处的环境相对稳定温和，主要用于拍摄照片或视频，而车载CIS需要满足在复杂动态的环境下进行低延时的路况信息收集和处理的需求，主要目的是获取周边环境数据；从性能要求看，车载设备的核心诉求是安全性、稳定性及相较于手机摄像头更长的使用寿命。
图表8：车载CIS与手机CIS对比
资料来源：Yole，中金公司研究部
图表7：2018-2019年全球车载CIS市场份额分布
资料来源：头豹研究院，中金公司研究部
风险
汽车智能化发展不及预期。ADAS是汽车智能化的重要载体，我们预计一套完整的ADAS系统至少包括8颗摄像头，如果未来ADAS渗透率较低，车载摄像头的市场空间将不达预期。
自动驾驶政策开放不及预期。自动驾驶的安全一直是监管者关心的问题，如果相关法规严格程度超出预期，对自动驾驶相关路测试验、上路资格限制较多，可能会影响汽车智能化进程。
与消费级CIS相比，车载CIS的价值增量在何处？
车载CIS与手机CIS虽然基本原理相同，但由于汽车和手机所面对的环境复杂度、安全性要求、成像效果需求不同，两者在性能要求上存在较大差异。在应用场景上，手机所处的环境相对稳定温和，主要用于拍摄照片或视频，而车载CIS需要满足在复杂动态的环境下进行低延时的路况信息收集和处理的需求，主要目的是获取周边环境数据；从性能要求看，车载设备的核心诉求是安全性、稳定性及相较于手机摄像头更长的使用寿命。
图表8：车载CIS与手机CIS对比
资料来源：豪威官网，中金公司研究部
以豪威车规级与消费级的CIS产品为例，一方面车载CIS在工作温度、使用寿命等方面的硬性指标使得车载CIS有更高的工艺要求，同时，车载摄像头在复杂工作环境下保持高成像质量的需求也使得车载CIS倾向于更大的像素及光学尺寸，导致车载CIS单片芯片尺寸大幅增加，价格也大幅高于手机CIS。
► 车规CIS的工作环境更加复杂，需要在更广的温度范围内稳定工作。与手机等消费产品不同，汽车行驶环境复杂多变，车载设备需要在高低温、强振动、高湿热等复杂工况下稳定工作，CIS作为车载摄像头的核心部件，需要满足车规硬性要求。AEC-Q100对车规级元器件的工作温度范围做出了明确要求，豪威车规级CIS产品OX08B40的工作温度为-40℃至125℃，通过了AEC-Q100等级2的认证。
► 汽车更换周期长，相应要求车载CIS拥有更长的使用寿命。汽车作为大宗耐用消费品，其使用寿命通常长于消费电子产品，根据我国《机动车强制报废标准规定》，私家车报废行驶里程为60万公里，不同车型的报废年限规定为8年及以上。我们认为，车载元器件的产品寿命需要与汽车生命周期匹配。根据芯海科技的公司公告，汽车器件的产品寿命一般要求在15年以上，对车载CIS的工艺提供更高的要求。
► 车载CIS需满足HDR及高感光能力的需求，大尺寸像素成为必然选择。以豪威车规级与消费级CIS产品为例，车规级CIS普遍比手机CIS拥有更大的像素尺寸，即单个像素的面积更大，大像素主要为了1）满足HDR (high-dynamic range，高动态范围)的需求，即成像时能同时看清场景中较暗和较亮的部分，大像素通过在单个像素上容纳更多的电子，可以有效地保留图像信息，从而实现高动态范围；2）在低光照下依然保证较高的成像清晰度，大像素能解决昏暗环境叠加短曝光时间给车载摄像头带来的挑战。由于车载摄像头在动态环境下工作，为避免成像运动模糊只能减少曝光时间，车载CIS需要在短时间内对光子进行捕捉，当外界光线较暗时，大像素能更有效地捕捉到少量光子，使车载摄像头在低光照下保持高灵敏度和信噪比，避免在昏暗环境无法识别周围环境信息。
图表9：车载CIS的车规级认证/标准
资料来源：国际标准化组织，AEC，中金公司研究部
图表10：大像素是车载CIS低光照条件的解决方案
资料来源：华为官网，中金公司研究部
为什么车载CIS要求大像素？
车载CIS需要高动态范围(HDR)
动态范围(dynamic range, DR)是图像传感器能够同时捕捉同一场景中亮处与暗处的能力。在现实中，强光源的照射使高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域经常出现在同一场景中，若传感器的动态范围较小，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，或黑暗区域因曝光不足成为黑色，导致图像细节丢失。针对以上问题的解决方案是HDR，即提高传感器动态范围以保证摄像头可以在任何光线下真实清晰成像。
由于安全性的考虑，高动态范围对车载CIS的重要性远超消费级CIS。汽车行驶时需要面对光线快速变化的场景，车载CIS动态范围过小会带来无法及时发现亮/暗处人车物的风险，影响行车安全性。以进入地下车库为例，汽车经历短时间内从亮处到暗处的转变，场景明暗对比度高，HDR能确保车载摄像头实时探测是否有行人或其他车辆经过，实现安全驾驶提醒。目前车载CIS HDR最高可达140dB，如豪威科技的OX08B40/OX08B4C产品，提供高于人眼104dB的动态范围，为自动驾驶提供更有效的安全保障。
图表11：HDR保障车辆在任何光照下的视觉质量
资料来源：半导体行业观察，中金公司研究部
大像素是车载CIS实现HDR所必须的
传统HDR的解决方包括时间复用和空间复用两大类，会导致运动伪影及分辨率下降。时间复用是指采用相同的像素列阵多次曝光并合成图像，但由于多次曝光之间存在时间差，合成的图像会存在运动伪影。空间复用是将像素阵列分解为多个同时进行曝光，可以有效减少运动伪影，但牺牲了部分分辨率，可能存在边缘伪影。
图表12：部分HDR技术及其优缺点
资料来源：Omnivision，中金公司研究部
CIS动态范围限制的本质是像素在曝光过程中捕捉和容纳光子的能力存在上限。一方面，昏暗环境下光子数量较少，像素可能无法在曝光时间内接收足够的光子，导致昏暗部分信息丢失；另一方面，高亮度下光子数量较多，而像素容纳光子的能力有限，导致部分光子从满载像素中溢出到周围像素，使未满载的像素吸收了多余的光子，丢失真实的颜色信息。
大像素具备更高的感光能力及光子容纳能力，可以有效拓宽CIS的动态范围。在低亮度条件下，大像素更大的感光面能捕获到更多的光子，使其在相同曝光时间下获得更多图像信息；同时，大像素可以容纳更多的电子，避免由于过曝导致图片亮处细节丢失，由此实现在单次曝光过程中获取高动态范围的图像信息，以减免传统HDR技术中因时间延迟造成的伪影，实现高对比度场景下的优质成像。
图表13：大像素能容纳更多光线（以红色滤镜下的像素为例）
资料来源：CSDN，中金公司研究部
大像素的要求使得相同分辨率的车载CIS的成本高于手机CIS。分辨率一定的情况下，单个像素越大，CIS芯片面积越大，则单片晶圆能够制作的芯片数量减少，单位芯片成本提升。同时，在相同分辨率下，大像素导致的更大芯片面积增加了芯片遇到瑕疵的概率，较低的成品率提高了大像素CIS的成本。
相比于消费级CIS，车载CIS有什么其他特殊需求？
汽车安全性要求高，LED闪烁抑制为必备功能
LED闪烁是指摄像头拍摄到的LED灯图像忽明忽暗的闪烁现象，其本质是摄像头曝光采样周期不同于LED灯的脉冲周期导致的。LED灯的驱动通常采用脉冲调制的方式，在每个脉冲周期内实现一次亮暗交替，驱动频率往往高于90Hz（即脉冲周期小于11ms）以保证人眼不会察觉到光线闪烁。如果摄像头的曝光时间较短，则曝光时间可能在某一帧中对应LED灯通电期，却在下一帧中对应LED灯关灭期，最终形成LED闪烁。
图表14：LED闪烁成因
资料来源：国际标准化组织，AEC，中金公司研究部
图表10：大像素是车载CIS低光照条件的解决方案
资料来源：华为官网，中金公司研究部
为什么车载CIS要求大像素？
车载CIS需要高动态范围(HDR)
动态范围(dynamic range, DR)是图像传感器能够同时捕捉同一场景中亮处与暗处的能力。在现实中，强光源的照射使高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域经常出现在同一场景中，若传感器的动态范围较小，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，或黑暗区域因曝光不足成为黑色，导致图像细节丢失。针对以上问题的解决方案是HDR，即提高传感器动态范围以保证摄像头可以在任何光线下真实清晰成像。
由于安全性的考虑，高动态范围对车载CIS的重要性远超消费级CIS。汽车行驶时需要面对光线快速变化的场景，车载CIS动态范围过小会带来无法及时发现亮/暗处人车物的风险，影响行车安全性。以进入地下车库为例，汽车经历短时间内从亮处到暗处的转变，场景明暗对比度高，HDR能确保车载摄像头实时探测是否有行人或其他车辆经过，实现安全驾驶提醒。目前车载CIS HDR最高可达140dB，如豪威科技的OX08B40/OX08B4C产品，提供高于人眼104dB的动态范围，为自动驾驶提供更有效的安全保障。
图表11：HDR保障车辆在任何光照下的视觉质量
资料来源：半导体行业观察，中金公司研究部
大像素是车载CIS实现HDR所必须的
传统HDR的解决方包括时间复用和空间复用两大类，会导致运动伪影及分辨率下降。时间复用是指采用相同的像素列阵多次曝光并合成图像，但由于多次曝光之间存在时间差，合成的图像会存在运动伪影。空间复用是将像素阵列分解为多个同时进行曝光，可以有效减少运动伪影，但牺牲了部分分辨率，可能存在边缘伪影。
图表12：部分HDR技术及其优缺点
资料来源：Omnivision，中金公司研究部
CIS动态范围限制的本质是像素在曝光过程中捕捉和容纳光子的能力存在上限。一方面，昏暗环境下光子数量较少，像素可能无法在曝光时间内接收足够的光子，导致昏暗部分信息丢失；另一方面，高亮度下光子数量较多，而像素容纳光子的能力有限，导致部分光子从满载像素中溢出到周围像素，使未满载的像素吸收了多余的光子，丢失真实的颜色信息。
大像素具备更高的感光能力及光子容纳能力，可以有效拓宽CIS的动态范围。在低亮度条件下，大像素更大的感光面能捕获到更多的光子，使其在相同曝光时间下获得更多图像信息；同时，大像素可以容纳更多的电子，避免由于过曝导致图片亮处细节丢失，由此实现在单次曝光过程中获取高动态范围的图像信息，以减免传统HDR技术中因时间延迟造成的伪影，实现高对比度场景下的优质成像。
图表13：大像素能容纳更多光线（以红色滤镜下的像素为例）
资料来源：CSDN，中金公司研究部
大像素的要求使得相同分辨率的车载CIS的成本高于手机CIS。分辨率一定的情况下，单个像素越大，CIS芯片面积越大，则单片晶圆能够制作的芯片数量减少，单位芯片成本提升。同时，在相同分辨率下，大像素导致的更大芯片面积增加了芯片遇到瑕疵的概率，较低的成品率提高了大像素CIS的成本。
相比于消费级CIS，车载CIS有什么其他特殊需求？
汽车安全性要求高，LED闪烁抑制为必备功能
LED闪烁是指摄像头拍摄到的LED灯图像忽明忽暗的闪烁现象，其本质是摄像头曝光采样周期不同于LED灯的脉冲周期导致的。LED灯的驱动通常采用脉冲调制的方式，在每个脉冲周期内实现一次亮暗交替，驱动频率往往高于90Hz（即脉冲周期小于11ms）以保证人眼不会察觉到光线闪烁。如果摄像头的曝光时间较短，则曝光时间可能在某一帧中对应LED灯通电期，却在下一帧中对应LED灯关灭期，最终形成LED闪烁。
图表14：LED闪烁成因
资料来源：IEEE，中金公司研究部
LED闪烁会导致自动驾驶的系统误判，导致潜在的安全风险。在传统车辆驾驶中，视觉的延迟效应和适应性使得人眼难以察觉LED的明暗变化，不会影响车辆驾驶。而自动驾驶依赖于车载摄像头提供的准确图像数据，随后通过AI算法判断路况、信号标识等并做出驾驶操作决策。LED闪烁会导致系统无法正常检测电子路标与交通信号灯，或无法区分转向灯与车尾灯，影响自动驾驶的安全性。因此，车载CIS必须抑制LED闪烁效果来适应当前以LED信号灯为主的道路信号体系。
图表15：LED闪烁抑制前后效果
资料来源：SONY，思特威科技，中金公司研究部
实现LFM（LED flicker mitigation，LED闪烁抑制）的基本思路是优化曝光时间点或时长，使图像传感器在每帧中捕获至少一次LED工作状态。目前主流LFM方案有四种技术路径，包括时间多路传输、空间多路复用、较大的全井产能和列阵摄像机。
► 时间多路传输：该路径代表技术为斩波曝光，其原理是把每帧正常曝光的时间分散到11ms（90Hz LED的脉冲周期）内执行，通过多次短暂曝光的效果累加实现正常曝光的总时长，以增加传感器捕捉到LED工作状态的概率。斩波曝光缓解了LED闪烁问题，但由于单次曝光时间短，最后成像亮度会略低于正常LED。
► 空间多路复用：代表技术为分离像素技术，即每个像素由大小两个光电二极管构成，其中大光电二极管敏感度高，曝光时间正常，保证图像整体质量；小光电二极管敏感度低，曝光时间长，确保对LED脉冲的捕捉，从而减少LED闪烁。该方案能够有效实现LFM，但要求更大更复杂的像素结构，同时双重光电二极管导致的复杂读数等问题使其技术和工艺门槛较高。
► 较大的全阱容量：代表技术为LOFIC（Lateral overflow integration capacitor，横向溢出集合电容），即通过提高像素的全阱容量（最大电子容纳量）使得传感器能够在一定程度上延长曝光时间去捕获LED信号，且不发生过曝导致成像细节丢失。
► 阵列摄像机：其基本原理是通过一个低敏感度的摄像头探测LED，随后将不同摄像头的图像融合成为最终图像。阵列摄像机当下还面临许多挑战：1）光学校准难以在车载摄像头极大的温度动态范围中保持稳定；2）高灵敏度和低灵敏度图像融合技术门槛较高，算法复杂。
为应对常见行车场景，车载CIS需在短曝光的情况下实现低光照灵敏度
汽车动态行驶环境决定了车载CIS的曝光时间必须短。CIS在曝光的过程中不断收集外界图像信息，若被拍摄的物体在曝光时间内相对摄像机移动，则多个像素上都会捕捉到该物体的信息，导致成像的“运动模糊”。曝光时间越长，储存有运动物体光线信息的像素就越多，成像也就越模糊，CIS必须减少曝光时间以实现单曝光周期内物体的相对静止，从而得到清晰的图像。高速运动叠加夜间行车要求，车载CIS需要在短曝光的前提下保持低光照灵敏度，大像素对于车载CIS必不可少。
图表16：不同曝光时间下夜间车辆成像
资料来源：CSDN，中金公司研究部
单车摄像头数量提升，车载CIS需满足低功耗要求
车载摄像头数量及性能的提升对车载CIS提出低功耗要求。ADAS建立在准确识别行车环境和道路状况的基础上，随着ADAS向高水平自动驾驶发展，单车车载摄像头数量及性能持续提升，根据Yole的预测，单车搭载摄像头数量将从2018年的1.7颗提升至2023年的3颗，对应着电动车续航下降或内燃机的油耗上升，根据ROHM，目前4颗2M的摄像头模块对应功耗约为1,850mW。随着单车摄像头数量的大幅增加，车载CIS需要追求更低功耗。
低功耗可以提升车载CIS工作的稳定性。功耗与零部件温度成正相关关系，低功耗可以避免CIS芯片过热，影响正常感光功能。同时，高温下电子更加活跃，给成像带来更多的噪声，影响图片质量。且在面对高功耗的情况下，车企会引入更多主动散热设备，提升整车设计复杂度及整体功耗。
图表17：车载CIS和消费级CIS对比
资料来源：CSDN，IEEE，SONY，Omnivision，芯海科技公司公告，中金公司研究部
为什么车载CIS不追求高像素？
车载摄像头的核心诉求是实现自动驾驶的行驶安全，高像素对视频摄像的增益较小。车载摄像头的目的是在复杂环境下实现对周围环境及车辆状态的正确感知和探测，在成像清晰度能够满足感知、探测的需求后，更高的清晰度在提升成本的同时，所带来的实用价值较低。
同时，车载摄像头应用于视频拍摄，800万像素已经可以支持4K的超高清视频流，而对于只需要做环境感知而不需要测距的摄像头来说，720P（约100万像素）或1080P（约200万像素）的车载CIS已经能够满足需求。以特斯拉AutoPilot HW2.0为例，其后置摄像头采用的是豪威科技720P的CIS传感器，其余摄像头为Aptina（安森美子公司）的720P。我们认为，如手机64M摄像头的高像素对于车载摄像头的实际增益较小。
图表18：不同分辨率视频流的像素要求
资料来源：CSDN，中金公司研究部
单车摄像头数量提升，车载CIS需满足低功耗要求
车载摄像头数量及性能的提升对车载CIS提出低功耗要求。ADAS建立在准确识别行车环境和道路状况的基础上，随着ADAS向高水平自动驾驶发展，单车车载摄像头数量及性能持续提升，根据Yole的预测，单车搭载摄像头数量将从2018年的1.7颗提升至2023年的3颗，对应着电动车续航下降或内燃机的油耗上升，根据ROHM，目前4颗2M的摄像头模块对应功耗约为1,850mW。随着单车摄像头数量的大幅增加，车载CIS需要追求更低功耗。
低功耗可以提升车载CIS工作的稳定性。功耗与零部件温度成正相关关系，低功耗可以避免CIS芯片过热，影响正常感光功能。同时，高温下电子更加活跃，给成像带来更多的噪声，影响图片质量。且在面对高功耗的情况下，车企会引入更多主动散热设备，提升整车设计复杂度及整体功耗。
图表17：车载CIS和消费级CIS对比
资料来源：CSDN，IEEE，SONY，Omnivision，芯海科技公司公告，中金公司研究部
为什么车载CIS不追求高像素？
车载摄像头的核心诉求是实现自动驾驶的行驶安全，高像素对视频摄像的增益较小。车载摄像头的目的是在复杂环境下实现对周围环境及车辆状态的正确感知和探测，在成像清晰度能够满足感知、探测的需求后，更高的清晰度在提升成本的同时，所带来的实用价值较低。
同时，车载摄像头应用于视频拍摄，800万像素已经可以支持4K的超高清视频流，而对于只需要做环境感知而不需要测距的摄像头来说，720P（约100万像素）或1080P（约200万像素）的车载CIS已经能够满足需求。以特斯拉AutoPilot HW2.0为例，其后置摄像头采用的是豪威科技720P的CIS传感器，其余摄像头为Aptina（安森美子公司）的720P。我们认为，如手机64M摄像头的高像素对于车载摄像头的实际增益较小。
图表18：不同分辨率视频流的像素要求
资料来源：中国移动通信设计院，中金公司研究部
为实现智能化驾驶，单车至少需要多少颗摄像头？
由于行车记录仪和倒车影像较为普及，后视摄像头及前视摄像头的渗透率较高，单车摄像头装配大多在1-2个（1个前视搭配行车记录仪，1个后视辅助倒车）；环视和内置摄像头渗透率较低，未来有望随着L2/L3及更高等级的自动驾驶的普及而提升。
我们认为，汽车智能化水平的提升将推动前视和后视摄像头数量增加以实现更多功能，同时加速环视和内视摄像头的单车装配渗透率提升，一套ADAS系统至少需要8颗摄像头来实现完整的功能（2个前视，1个后视，4个环视，1个内视）。
► 前视摄像头：2颗起以满足测距需要。如果采用单颗摄像头进行测距，需要将实时图像与模型数据库样本比对，结果不精确且需要庞大数据库支撑。2颗摄像头可以通过对多幅图像视差（不同位置摄像头对同一位置物体呈现图像的差异）的计算进行测距，定位测距更为准确。前视摄像头能够实现的功能有FCW（前向碰撞预警）、LDW（车道偏离预警）、PCW（行人防碰撞预警）、TSR（交通标志识别）、LKA（车道保持辅助）、ADB（自适应远光灯）、ACC（自动巡航控制）等。
► 周边感知：4颗侧视或环视，用于获取全面的周边环境数据。其中，2颗侧方前视监测突然从前方并道的车辆，在进入视野受限的交叉路口时提供安全保障；2颗侧方后视监测车辆后方盲区，确保车辆自身变道和汇入主路时的安全。
► 后视：至少1颗用于获取车后方情况，可实现辅助泊车、倒车影像等功能。
► 内视：车内至少1颗对驾驶员进行监视（DMS），确保驾驶员身份和避免疲劳或分神驾驶；未来数量有望进一步增加，功能拓展至乘客监视（OMS）。
图表19：理想ADAS系统的8颗摄像头布局
资料来源：头豹研究院，中金公司研究部
特斯拉Model 3搭载了Autopilot 2.0系统，是自动驾驶多摄像头的代表例子之一。为实现更优的道路环境识别，Autopilot 2.0系统包含8个摄像头、1个毫米波雷达和12个超声波传感器。通过1个前视三目摄像头（主视、长焦、广角）、2个侧方前视摄像头、2个侧方后视摄像头和一个后视摄像头，该系统可以覆盖360度可视范围，对周围环境监控最远可达250米，有效地提升了自动驾驶的安全系数。
图表20：特斯拉Autopilot 2.0摄像头布局
资料来源：头豹研究院，中金公司研究部
特斯拉Model 3搭载了Autopilot 2.0系统，是自动驾驶多摄像头的代表例子之一。为实现更优的道路环境识别，Autopilot 2.0系统包含8个摄像头、1个毫米波雷达和12个超声波传感器。通过1个前视三目摄像头（主视、长焦、广角）、2个侧方前视摄像头、2个侧方后视摄像头和一个后视摄像头，该系统可以覆盖360度可视范围，对周围环境监控最远可达250米，有效地提升了自动驾驶的安全系数。
图表20：特斯拉Autopilot 2.0摄像头布局
资料来源：Tesla官网，中金公司研究部
为什么看好TSV工艺的WLCSP封装在车载CIS领域的应用前景？
WLCSP（Wafer level chip size package，晶圆级芯片尺寸封装）是指采用WLP（Wafer level package，晶圆级封装）技术并满足CSP（Chip size package，芯片尺寸封装）标准的新型封装技术。
► CSP指封装尺寸和芯片核心尺寸基本相同的封装技术，一般标准为封装面积小于或等于芯片面积的1.2倍；满足该标准的技术有效提高了电路的集成化，减少了电子器件的体积和重量。
► WLP是指直接在晶圆上进行大多数或全部的封装工作，随后在切割成单一芯片，传统封装技术则应用于已经加工切割后的芯片。
WLCSP较传统封装技术拥有产品体积更小、重量更轻、制造成本更低的优势。
► WLCSP直接在整片晶圆上进行封装和测试，而后切割为单一芯片，省略了打线和填胶程序，使得封装后的芯片尺寸与裸芯片基本一致。根据晶方科技，与传统封装技术QFP（四边引线扁平封装）和BGA（球栅阵列封装）相比，应用WLCSP的产品在尺寸上比QFP和BGA产品分别小75%和50%、重量上分别轻85%和40%。
► 从成本来看，WLCSP技术优化了封装产业链且具有成本优势。传统封装涉及基板厂、封装厂、测试厂，而WLCSP将这些环节整合为一体，提升了生产效率，WLCSP能减少封装前合格芯片的测试环节，且无需打金线、无需使用基板、无需底部填充介电材料等，能够有效降低生产成本。同时，传统封装按照芯片个数来计算成本，WLCSP的封装成本则按照晶圆数计算，单颗芯片的封装成本随晶圆尺寸增大和单片晶圆切割芯片数量增加而降低。
图表21：晶圆级芯片尺寸封装与传统封装的区别
资料来源：晶方科技招股说明书，中金公司研究部
TSV（Through silicon via，硅通孔）工艺是3D集成电路中堆叠芯片实现互连的一种先进解决方案。其本质是在硅片上打孔，随后在孔内填充导电材料，实现不同硅片间的电气互连，主要优势在于可以通过垂直互连（即“通孔”）缩短堆叠芯片的互连线长度、减少信号延迟、降低电容和电感，从而实现芯片间的低功耗和高速通讯，增加带宽和促进器件集成的小型化。
图表22：常见3D集成电路封装技术
资料来源：晶方科技招股说明书，SK Hynix官网，中金公司研究部
堆叠式CIS是未来发展方向，而TSV工艺有助于构建三维CIS产品。我们认为随着单车车载摄像头数量的增长，车载CIS将呈现小型化的趋势。电子产品小型化促使CIS从背照式向堆叠式演变的路径，后者使用有逻辑电路的衬底替代了背照式CIS所用的支撑衬底，通过分离像素区域和电路区域，在增大感光元件面积的同时缩小了芯片的二维尺寸，并赋能更复杂的多功能电路。TSV工艺实现多层硅片之间的连通，使得双重甚至多重堆叠式结构能够正常运作，推动CIS在垂直空间的不断创新发展。
以SONY CIS芯片为例，SONY在2012年推出应用二堆叠（像素层+电路层）的Exmor RS系列芯片后，于2017年推出业界内首个三堆叠CIS，在像素层和电路层之间额外加入DRAM层，用于缓存、读取和处理图像信息。
图表23：三堆叠CIS结构
资料来源：晶方科技招股说明书，SK Hynix官网，中金公司研究部
堆叠式CIS是未来发展方向，而TSV工艺有助于构建三维CIS产品。我们认为随着单车车载摄像头数量的增长，车载CIS将呈现小型化的趋势。电子产品小型化促使CIS从背照式向堆叠式演变的路径，后者使用有逻辑电路的衬底替代了背照式CIS所用的支撑衬底，通过分离像素区域和电路区域，在增大感光元件面积的同时缩小了芯片的二维尺寸，并赋能更复杂的多功能电路。TSV工艺实现多层硅片之间的连通，使得双重甚至多重堆叠式结构能够正常运作，推动CIS在垂直空间的不断创新发展。
以SONY CIS芯片为例，SONY在2012年推出应用二堆叠（像素层+电路层）的Exmor RS系列芯片后，于2017年推出业界内首个三堆叠CIS，在像素层和电路层之间额外加入DRAM层，用于缓存、读取和处理图像信息。
图表23：三堆叠CIS结构
资料来源：SONY，ISSCC Forum，中金公司研究部
TSV工艺的WLCSP封装流程可以分为前期准备、通孔形成、通孔处理、后期优化和最终切割五个部分。前期准备指将CIS晶圆与玻璃晶圆键合并减薄，形成三维堆叠晶圆的初始形态。通孔形成即通过光刻和离子蚀刻在非传感器的位置制作沟槽锥形TSV，为硅片垂直方向的连通提供通道。通孔处理涉及绝缘层/阻挡层/种子层的沉积及通孔填充，目的是保证电子能够稳定流通且不随意扩散，影响半导体的介电性能。后期优化流程包含在晶圆上添加球栅阵列（BGA）作为引脚、增加重布线层（RDL）实现电信号在BGA和焊盘之间的流通、封装晶圆外层保护等，确保芯片能稳定长效地工作。上述流程之后，封装好的晶圆经过切割即得到CIS芯片。
图表24：CIS的WLSCP工艺流程
资料来源：Development of reliable, high performance WLCSP for BSI CMOS image sensor for automotive application，学术期刊Sensors，中金公司研究部
采用TSV工艺的WLCSP封装CIS芯片在性能、成本等方面具有优势。上海交大、华天科技和厦门大学的研究员在2020年以5.8mm*5.2mm尺寸的65nm节点的背照式CIS芯片为基础，采用TSV和WLCSP工艺开发出尺寸为5.82mm*5.22mm、厚度为850μm的封装芯片，产品像素达1.4M、动态范围超过120dB，在小批量生产中实现98%的平均良率，且通过AEC-Q100的二级检验标准。采用TSV工艺的WLCSP封装产品性能优异，且更容易实现3D CIS结构，减小元器件尺寸，也更容易满足车规要求。当量足够大的时候，平均到单片芯片的成本更低。我们看好TSV的WLCSP工艺在车载CIS领域的性能优势及应用前景。
本文摘自：2021年12月10日已经发布的《汽车传感器：车载摄像迎风口，六问六答寻真章》
陈 昊 SAC 执业证书编号：S0080520120009 SFC CE Ref：BQS925
朱镜榆 SAC 执业证书编号：S0080121070370
彭 虎 SAC 执业证书编号：S0080521020001SFC CE Ref：BRE806
