导语：作为业内真正意义上的首颗车载SPAD SoC，SONY IMX459能否被中国竞品替代？

 自2021年9月发布以来，索尼IMX459凭借其出色的技术优势和创新设计，已经成为激光雷达领域的一个里程碑。这款芯片不仅打破了传统激光雷达技术的局限，更为自动驾驶、智能交通等行业的发展提供了强有力的支持。尽管该芯片的面市经历了两年的等待，直到2023年才正式进入量产，但它的市场影响力和技术优势仍然不容忽视。

IMX459的技术突破主要体现在其先进的光子探测效率（PDE）和独特的设计工艺。与传统的激光雷达传感器相比，IMX459采用了SPAD技术，这是一种新型的光子探测技术，具有更高的集成度、更灵活的设计能力和更低的成本。

IMX459的核心优势在于其使用了堆叠式工艺，将SPAD像素芯片（上层）与信号处理电路的逻辑芯片（下层）进行了铜-铜（Cu-Cu）连接。IMX459的SPAD像素总数为113,400个（189×600的阵列），采用的Binning技术将其合并成宏像素，最终实现约12K的分辨率（63×200的实际分辨率）。这一设计保证了高精度的测距和探测能力，尤其在自动驾驶领域，这一优势使其成为激光雷达的理想选择。

此外，IMX459的像素尺寸仅为10μm，确保了芯片的高开口率，这意味着每个像素能够接收到更多的光子信号，提高了光子探测效率。在光入射面上，IMX459设计了凹凸结构，通过让入射光进行衍射，从而提高了光的吸光率。此外，在像素内的雪崩区域进行优化设计，使得芯片能够有效地产生倍增现象，进一步提升了探测效率。通过这些设计创新，IMX459在940nm波长的激光光源下实现了28%的光子探测效率，这使得它能够高精度地测距，同时有效降低系统的能耗。

IMX459的量产标志着SPAD技术在激光雷达领域的成熟， 激光雷达技术的成本开始降低，激光雷达产品的价格逐步突破了2000元的价格大关，进入“1”打头的时代，标志着激光雷达产品开始向更加普及的方向发展。

实际上，IMX459的市场化进程并非一帆风顺。早期，国内外车企在测试该芯片时普遍给出了负面评价，认为其性能难以满足量产需求。然而，随着华为率先完成量产，并克服了成本、可靠性及供应链稳定性等问题，IMX459逐渐获得了市场的认可。2023年底，华为发布了全球首款量产的192线激光雷达，正是采用了IMX459芯片。

SPAD（单光子雪崩二极管）是一种专门设计用于探测单个光子的光电探测器。它基于雪崩二极管（APD）的工作原理，工作在盖革模式（Geiger mode）。在这种模式下，二极管的偏置电压被设置得比雪崩电压高，这样即便只有一个光子被探测到，也会触发雪崩效应，从而产生一个大电流脉冲。SPAD通常用于那些对信号的强度要求极低的场景，能够检测到非常微弱的光信号（如单个光子的信号），因此具有极高的灵敏度。

SiPM（硅光电倍增管）SiPM可以看作是多个SPAD单元的阵列，是SPAD技术的一种阵列化衍生。SiPM包含了多个工作在盖革模式下的SPAD单元，它们被并联在一起，通过模拟量的方式输出更为复杂的信号。由于SiPM具有多个SPAD单元，因此它能够提供更宽的动态范围，并且能够在相同的环境条件下比单个SPAD单元有更好的性能。SiPM不仅能够检测到光子信号，而且能够量化光强度，因此比SPAD能够提供更多的信号细节。通过结合模拟信号处理，SiPM能够在不同光照条件下提供更高的准确度，这使得它在需要处理复杂信号的应用中，如医疗成像、工业激光雷达等领域，具有独特的优势。

SPAD与SiPM的性能比较，来源：与非研究院整理

SPAD和SiPM虽然基于相似的技术，但在性能上存在显著差异：

灵敏度与动态范围

SPAD的灵敏度非常高，能够探测到单个光子的信号。这使得SPAD非常适合用于低光强环境下的探测，如在夜间成像或低亮度条件下的激光雷达测距。在这种情况下，SPAD能够提供极高的探测能力，尤其适用于车载激光雷达、量子通信等应用。

SiPM通过模拟信号处理可以量化光强，从而提供更广泛的信号响应。这使得SiPM适合于那些需要更高动态范围的应用，如医疗成像、工业激光雷达等。

响应速度

SPAD具有非常快速的响应速度，其“死时间”极短（通常小于10纳秒），这意味着它能够快速响应多个连续光子信号。在高频率的探测环境中，SPAD能够快速捕捉和处理信号，适用于高速成像、实时探测等应用。

相较之下，SiPM的响应速度较慢，尤其是当其阵列中的多个SPAD单元需要同时处理信号时。然而，SiPM的优势在于其能够提供更高的信号细节和更宽的动态范围，这在某些应用中弥补了响应速度上的不足。

集成度与成本

SiPM采用标准的CMOS工艺，能够实现较高的集成度，因此其生产成本相对较低。SiPM的高集成度和低成本使其在医疗成像和一些工业应用中得到了广泛的应用。

SPAD的集成度也很高，但由于其需要复杂的封装和3D堆叠工艺，其成本较SiPM更高。尽管如此，SPAD仍然在高性能的应用中占据主导地位，特别是在车载激光雷达和量子通信领域。

2021年，传统的光探测芯片技术如PIN和APD占据了超过90%的市场份额，而SiPM的市场规模仅为1.25亿美元，SPAD的市占率几乎为零。然而，随着SPAD技术的逐步成熟及其应用的扩展，SPAD市场出现了迅猛增长，预计到2027年SPAD市场规模将达到21.39亿美元，占光探测芯片市场的26.46%，年复合增长率（CAGR）超过200%。

随着自动驾驶技术的快速发展，SPAD在车载激光雷达中的应用尤为突出。根据调研机构Yole Development的预测，到2030年，SPAD在激光雷达领域的渗透率将达到80%，预计全球车载SPAD芯片市场规模将突破142亿美元，占SPAD总应用市场的47.3%。在中国市场，SPAD芯片的应用也正在快速增长，预计到2030年，中国SPAD芯片市场的销售总额将超过100亿元人民币，全球市场的销售额将突破300亿元人民币。

目前，全球SPAD芯片市场主要由安森美、滨松和索尼等海外巨头主导。尤其在车规级大面阵SPAD芯片领域，这些厂商占据了全球市场的90%以上份额。然而，国内厂商通过技术突破、车规认证等手段，正在逐步进入SPAD芯片的供应链。

SPAD芯片主流供应商（部分），来源：与非研究院

索尼是SPAD芯片领域的全球领导者之一，其IMX459车规级SPAD芯片的量产和其后续IMX479系列的技术升级，使其在激光雷达和汽车安全领域占据了重要位置。索尼的SPAD芯片通过堆叠工艺有效提升了探测效率（PDE），在高性能和高集成度方面具有显著优势。此外，索尼在车规级芯片的稳定性和可靠性上也具备丰富的经验，为大规模应用提供了有力保障。

安森美则凭借其收购SensL后推出的APD（雪崩光电二极管）和SPAD技术，在市场中建立了强大的技术壁垒。该公司专注于提供低噪声、高可靠性的SPAD芯片，具有长时间探测的能力，且适应工业自动化、激光雷达等高精度应用。安森美的SPAD芯片具备较低的暗计数率，能够在极其微弱的光信号下进行准确探测，这对于激光雷达、医疗成像等应用至关重要。

滨松（Hamamatsu）作为老牌光电传感器公司，其SPAD芯片在低噪声和高可靠性方面具有强大的技术优势。滨松的SPAD芯片广泛应用于车载LiDAR、医疗成像以及科研领域。凭借其高精度的光探测技术，滨松逐渐在车载激光雷达和工业自动化领域打开市场，但相较于索尼和安森美，滨松在车载激光雷达的应用上尚处于追赶阶段。

意法半导体（STMicroelectronics）通过其CMOS工艺推出了一系列SPAD芯片，这些产品不仅在消费电子领域（如智能手机的dToF传感器）表现出色，还在汽车、工业自动化等领域逐步扩展应用。CMOS工艺使得SPAD芯片的生产成本较低，为大规模应用提供了可能，尤其是在消费电子和物联网设备中，ST的SPAD芯片展现出较强的市场竞争力。

ams OSRAM专注于高分辨率SPAD阵列芯片，广泛应用于智能手机、车载激光雷达等领域。其3D传感器和SPAD阵列技术提供了更高的测距精度和分辨率，进一步推动了SPAD技术的市场普及。ams OSRAM凭借其在光电领域的深厚积累，不仅在激光雷达应用中占有一席之地，还逐渐在消费电子市场获得竞争优势。

灵明光子作为国内SPAD芯片的领先厂商之一，其在高像素3D堆叠SPAD技术方面表现突出。灵明光子的SPAD芯片已经获得了包括禾赛科技和速腾在内的多个国际客户订单，主要应用于激光雷达、机器人、XR设备等领域。灵明光子通过提高光电探测效率（PDE）和在低功耗下提供高性能，为国产激光雷达厂商提供了竞争力较强的方案。

阜时科技推出的FL6031芯片具备车规级认证，能够支持长达200米以上的探测距离，已经进入商业化阶段，获得了一些车载激光雷达客户的订单。阜时科技的产品定位于车载激光雷达市场，通过高可靠性和高稳定性赢得了市场认可。相比之下，虽然灵明光子在高像素和堆叠技术上占有一定优势，阜时科技则通过车规级认证和长距离探测在车载市场逐步占据优势。

芯视界是国内SPAD技术的另一家创新型企业，其专注于SPAD dToF技术的应用，已涵盖消费电子、车载激光雷达、工业自动化等领域。芯视界的SPAD技术逐步在安卓手机等消费电子设备中获得应用，同时也在探索车载激光雷达市场。这一方面说明了国产厂商技术的不断成熟，另一方面也反映出其在市场拓展方面的迅速步伐。

奥比中光和识光芯科也在SPAD技术上做出了努力，前者的3D视觉传感技术广泛应用于扫地机器人和工业自动化，后者则通过VCSEL+SPAD方案提供高精度、远距离的探测能力，开始进入激光雷达和工业应用市场。尽管目前这些国产厂商尚未在车载激光雷达市场占据主导地位，但随着技术的成熟和市场需求的增加，它们有潜力在未来迎头赶上国际竞争者。

2021年，全球SiPM市场规模为1.25亿美元，预计到2027年将增长至1.94亿美元，年复合增长率（CAGR）为6.5%。中国市场在全球SiPM市场中占据了重要地位，2020年我国SiPM市场规模为4480万美元，占全球市场的35.8%。预计到2027年，中国SiPM市场将达到7290万美元，占全球市场的37.7%。

SiPM芯片主要供应商（部分），来源：与非研究院

全球SiPM市场的竞争格局较为集中，2020年，以安森美、滨松和博通为代表的头部企业占据了约83%的市场份额。SiPM的技术难度较大，进入门槛高，因此新兴厂商难以迅速崛起。滨松、First Sensor和博通等公司已经实现了SiPM产品的全面布局，并在市场中占据了主导地位。

 索尼IMX459是全球首款车规级堆叠式SPAD（单光子雪崩二极管）SoC芯片，专为车载激光雷达（LiDAR）系统设计，具有24%@905nm的高光子探测效率（PDE），6ns的低延迟响应速度，以及SPAD和逻辑电路的集成设计。它的推出标志着车载激光雷达技术的一个重要进步，并且在市场上占据了技术和应用的先机。随着更多厂商进入激光雷达领域，索尼IMX459面临着来自不同竞争者的挑战。

索尼IMX459的竞对分析，来源：与非研究院

从技术来看，索尼IMX459凭借其24%@905nm的光子探测效率、6ns的响应速度以及高度集成的SoC设计，在车载激光雷达市场中占据技术领先地位，难以被竞争对手短期内超越。索尼IMX459在全球范围内的车载激光雷达市场占有率较高，安森美、滨松等公司虽然在某些技术领域有所优势，但在集成度、车规认证和量产能力方面不如IMX459。

IMX459主要集中在自动驾驶和高端ADAS系统中，而国内厂商的产品则更多聚焦于消费电子、工业机器人等中低端市场。

近年来，随着车厂供应链国产化趋势的增加，国产SPAD芯片逐渐进入汽车供应链。灵明光子的ADS6311和阜时科技的SPAD芯片在国内市场具有较强的竞争力，尤其是在成本和本地化供应链方面表现优异。

SPAD/SiPM芯片技术趋势，来源：与非研究院整理

随着激光雷达技术的不断进步，探测器技术从传统的APD（Avalanche Photodiode）逐步向SPAD（Single-Photon Avalanche Diode）和SiPM（Silicon Photomultiplier）阵列发展。相较于APD，SPAD和SiPM具有更高的探测效率、更低的噪声和更强的集成性，能够在较低的功耗下实现对单光子的精准探测。因此，APD正逐步被SPAD和SiPM所取代，尤其是在要求更高分辨率和更低成本的应用场景中。

目前，硅基材料仍是SPAD和SiPM芯片的主要基础材料，随着工艺技术的提升，芯片的集成度和小型化已成为重要发展方向。例如，东芝和安森美通过创新的绝缘沟槽技术，提升了芯片的集成度和分辨率。

提升光子探测效率（PDE）和降低噪声是SPAD和SiPM芯片的技术关键。诸如灵明光子和滨松等公司正在通过优化背照式（BSI）技术和缩小像素尺寸，提升探测器的灵敏度，同时通过改善低偏压性能，减少噪声和功耗。这一方向不仅提升了光探测效率，还使得激光雷达系统能够在更复杂的环境中稳定工作。

SiPM芯片的技术进展

SiPM芯片在激光雷达领域的应用越来越广泛，尤其在车载激光雷达中，凭借其在强光环境中的高信噪比和低成本优势，成为车载雷达传感器的核心组件。SiPM芯片的主要技术趋势包括：

高动态范围与集成化：SiPM通过更高密度的SPAD阵列（例如微元尺寸≤35 μm）和先进封装技术（如TSV技术）提升其动态范围，满足复杂环境中的光强量化需求。此外，数字SiPM（DSiPM）技术的兴起，通过集成CMOS逻辑电路直接输出数字信号，不仅提升了时间分辨率（可达80 ps FWHM），还增强了抗噪声能力。

工艺优化与成本降低：标准CMOS工艺的普及使SiPM芯片的成本大幅降低，同时TSV封装和3D堆叠技术进一步缩小了器件尺寸，提升了可靠性，为车载雷达和量子传感器等高端应用提供了有力支撑。

 SPAD芯片的技术趋势

大面阵与SoC集成：SPAD芯片阵列正在向更高分辨率发展。例如，灵明光子推出的ADS6311芯片已集成768×576个SPAD，支持车载激光雷达300米范围的探测。此外，SPAD-SoC（System on Chip）技术正成为主流，将感光层与逻辑处理单元（如TDC、DSP、MCU）通过3D堆叠技术结合，实现“感存算一体”的集成方式，极大减少了数据带宽需求。

固态化激光雷达：SPAD的高灵敏度和亚毫米级的测距精度正在推动激光雷达系统向全固态方向发展。例如，索尼的IMX459大面阵SPAD芯片已被引入车规级激光雷达系统，尽管其分辨率有限，但通过像素合并技术提升了探测效率。未来，随着SPAD技术的不断进步，激光雷达的固态化将成为趋势。

工艺与性能平衡：随着像素尺寸的不断缩小，SPAD芯片面临串扰和抖动问题，需要通过混合键合和背照式工艺等技术进行优化。此外，低温操作和动态偏压控制技术也将成为提升SPAD性能的关键。

SPAD芯片的技术创新也推动了补盲激光雷达的发展，补盲雷达专注于近距离的车身感知，可有效解决传统长距离激光雷达在车身周围视场角不足、成本过高等问题。补盲激光雷达通常需要20-50米的探测范围，并支持较高的帧率（>20Hz）和较广的视场角（>75°），这些要求使得SPAD芯片成为理想的解决方案。2025年，基于VCSEL+SPAD架构的固态补盲雷达预计将迎来大规模量产，并与传统激光雷达配合，全面提升自动驾驶系统的感知能力。

最后，随着IMX459的量产和广泛应用，索尼正在继续推进该芯片的技术迭代和升级。据了解，IMX459的下一代产品——IMX479已经进入量产前的关键阶段，预计将进一步提升光子探测效率（PDE）至50%@905nm，探测距离也将从300米提升至400米以上。此外，IMX479还在抗强光干扰能力方面进行了优化，预计将在车规级认证和功能安全标准的验证后，成为未来车载激光雷达的核心传感器之一。不过，目前来看，本应在2024年上市量产的IMX479是delay了。预计在2025年将正式量产，进一步巩固索尼在高端激光雷达市场的主导地位。

笔者认为，国产SPAD芯片正在努力缩小与国际巨头的差距，在车规级要求、探测精度和探测距离等核心参数上已经逐渐追赶上来。但是国产厂商面临的主要问题还是缺乏成熟的生产加工体系和本土优质代工平台，这使得研发周期较长，技术迭代较慢。目前，国产SPAD芯片的生产工艺尚不成熟，且与国际厂商相比，技术稳定性差距较大。

为了缩小与国际厂商的差距，国产厂商需要在以下几个技术领域不断突破：

提升探测效率（PDE）：PDE是衡量SPAD芯片性能的关键指标，国产厂商需进一步提高SPAD芯片的探测效率，尤其是在1550nm波长激光器应用中的表现。

多波长兼容性：目前，大多数国产SPAD芯片仍只支持905nm波长激光器，而1550nm波长的激光器在长距离探测中表现更佳，国产厂商必须提升芯片的波长兼容性。

全固态集成：随着激光雷达的集成化趋势，未来SPAD芯片将需要实现全固态集成，减少分立元件的使用，以提高系统的稳定性和可靠性。

笔者认为，未来2到3年，SPAD芯片市场将出现“索尼主导高端，国产厂商抢占中低端”的格局。尤其是在商用车和消费电子领域，国产厂商如果能够在技术突破、生产工艺和市场开拓上持续发力，未来必将在激光雷达和自动驾驶领域占据一席之地。