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基于上市公司的商务和专利情报看我国非制冷红外热成像探测器芯片的发展历程

来源:    发布时间:2023-02-16 10:02    点击量:1092

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“本文从三家相关上市公司公开的商务信息和专利情报出发,探讨红外热成像仪的核心部件非制冷红外热成像探测器芯片的发展历程。”

一、前言

受到COVID-19疫情的冲击,红外测温仪的需求一路上涨,使得红外热成像技术应用的社会认知度有了很大提高。由于红外热成像技术长期以来一直是军工领域的保密技术,充满了神秘感。本文从三家相关上市公司睿创微纳(688002.SH)、大立科技(002214.SZ)、高德红外(002414.SZ)公开的商务信息和专利情报出发,探讨红外热成像仪的核心部件非制冷红外热成像探测器芯片的发展历程,从而为其他微电子器件的研发投资和战略规划提供参考。
随着新冠病毒的不断变异,社会上大多数人将会在每一次变异毒株的流行中,展现出不同程度的发热,于是红外测温仪已经逐步成为每一个公共场所的必备设备,以检测行人的体温,尽量将正在染疫的人群筛选出来,进行有限度地隔离,同时又不影响健康人群的正常生活和工作秩序。这种自动红外测温仪具有非接触、远距离、大面积、快速筛查等优点,还可以避免让工作人员暴露在危险境地。
我们通常见到的红外热像仪是一种在常温下运行的、用来探测物体表面红外辐射、将物体温度分布图像转换成可读取辨别的视频数字图像的高科技产品,其得以实现背后的支撑就是非制冷红外热成像探测器芯片。和病毒长期共存已经成为全球的共识,也催生了非制冷红外热成像技术在民用红外测温领域中的持续井喷式应用。因此可靠的红外热成像仪的核心部件非制冷红外热成像探测器芯片产业,在未来将长期成为风口上的行业。
红外测温技术,牵涉到器件、屏蔽去噪、软硬件集成等诸多子技术需要技术攻关,是一个系统化的工程。以一台最简单的红外测温仪为例,其由探测器芯片、数据控制处理芯片、镜头、机芯、热像仪系统等上百个组件构成。其中红外探测器(现在的民用系统里面一般是采用非制冷红外焦平面探测器),是所有组件中技术含量最高,成本占比最高,同时也是限制成像仪产能的关键元器件。
红外探测器的设计、生产及研发涉及到材料、集成电路设计、制冷和封装等多个学科,技术难度很大,目前全球仅有美国、法国、以色列、中国等少数国家能够掌握红外探测器核心技术。尤其是制冷型红外器件多用在军事等高端领域,基本都是各国禁止出口的产品。长期以来我国为了突破这一技术垄断及产品禁运,以中科院上海技物所、长春光机所、北方夜视集团、北方光电集团、湖北华中光电、中电科11所、中船重工717所、航天科工8358所等为研发主体的国家企事业单位已经在军用制冷型红外器件等高端领域基本实现了国产替代,占据了国内军用红外领域主要市场。
近年来,随着民营企业允许进入国防科技工业领域,民营红外热成像企业与国有科研院所之间逐步演变为合作、竞争的关系, 但是民营企业主要从事非制冷型红外成像技术。在诸多红外热成像行业的企业中,专注于该成像系统的核心器件非制冷型红外传感器研发和生产的企业,包括睿创微纳(688002.SH)、大立科技(002214.SZ)、高德红外(002414.SZ)等上市公司。民营企业通过自主研发以及市场化规模化生产,将生产成本大大降低,从红外探测器到红外整机产品的全产业链都有能力覆盖,满足了一般军事需求及大部分民用需求,也催生了非制冷红外热成像技术在民用领域中的应用。目前,中国已经成为掌握非制冷红外探测器产业化生产能力的第五国。
由于军用红外探测器为保密技术,没有公开资料能够帮助我们研究其技术发展和产业发展路径。但是睿创微纳(688002.SH)、大立科技(002214.SZ)、高德红外(002414.SZ),这3家民营企业均为上市企业,其信息公开充分,我们可以根据其公开的经营数据和专利情报,了解到具有高技术壁垒的民用非制冷红外探测器件的技术演进脉络,给其他微电子器件的研发投资和战略规划提供参考。

二、
三家企业近5年的毛利率和研发费用

众所周知,技术壁垒所带来的高额利润,必然是非制冷红外探测器研发投资的持续动力。以下根据睿创微纳(688002.SH)、大立科技(002214.SZ)、高德红外(002414.SZ)三家上市公司的年报数据,得出近5年的毛利率普遍在50%以上,个别年份可达60%以上。从各费用占比看,其研发费用大多为其他费用占比的2倍。可见具有高技术壁垒的高科技公司,为了保持公司的技术优势,进一步提升公司的技术实力,提高竞争力,也必须在研发上持续高投入。具体数据见图 1、图 2、图 3。


1 睿创微纳毛利率以及各费用占比


2 大立科技毛利率以及各费用占比


3 高德红外毛利率以及各费用占比


三、技术构成和演进
国产非制冷型红外成像系统,依靠反向工程从仿制起步,经过近二十年的发展突破了国外对我国先进制造工艺和封装等技术的封锁,摆脱了红外核心器件受制于人的局面,实现了从探测器芯片、镜头、机芯、热像仪直到光电系统的全系统的国产化。目前国产非制冷红外热成像探测器芯片产业已从最初依赖进口,实现了国产化相同水平的替代,甚至在某些性能实现了超越。
为了研究我国非制冷型民用红外探测器技术的发展路径,我们可以通过厘清这三家公司的专利技术演进,从而得到该技术在我国的发展历程。

1、睿创微纳

烟台睿创微纳技术股份有限公司Raytron(股票代码: 688002.SH)成立于2009年12月。作为2019年科创版首批上市25家企业之一,被认为科创板第二股。睿创微纳主要从事红外热成像核心技术与产品的研发。是一家非制冷红外热成像与MEMS传感技术开发的集成电路芯片企业。睿创微纳产品主要包括非制冷红外热成像MEMS芯片、红外热成像探测器、红外热成像机芯、红外热像仪及光电系统。
截至2022年底,公司及控股子公司公开专利1173项,有效专利1033项,有效率占88%;其中授权发明299项,实用新型专利365项、外观设计专利192项,另外还有发明申请247项。
通过技术主题研究,见图 4,发现其专利最多的主题是红外图像处理,共有89件,而其最核心的红外探测器研发方向,却只有37件。这种现象很容易理解,红外图像处理的技术千变万化,容易出现新的技术方案,因此需要通过专利加以保护;同时,红外探测器由于其技术高门槛,一些器件的工艺技术,由于侵权取证难,一般会作为技术秘密保存,而不会去专门申请专利。另外,红外图像处理这一主题,更加趋向终端产品和解决方案,说明睿创微纳技术的市场化导向。


4 睿创微纳技术主题

通过对公司发布的新产品新技术的研究,我们从睿创微纳的专利里面可以总结出以下重点专利列表 1,按照时间排序就可以看出技术路线。


1 睿创微纳重点专利列表

从公司初创至2013 年,公司培育了4项核心技术非制冷红外焦平面读出电路架构、高性能氧化钒薄膜材料、MEMS 传感器工艺和真空封装。之后,公司依托培育期内形成的核心技术,开发出了第一代非制冷红外MEMS 芯片和探测器产品。2016 年后,随着公司技术和产品开发的持续深入推进,核心技术进入到深化期,并于近年涉足了制冷型红外机芯的研制。

可以从重点专利印证,睿创微纳在红外探测器方面,重点研发了小像元间距红外传感器以及相配套的晶圆级真空封装技术;在红外成像机芯和整机方面,重点研发ASIC 图像处理专用芯片技术、晶圆级光学技术;在相应的控制和处理软件方面,重点发展基于人工智能的红外图像处理算法;从而使得公司从技术壁垒最高的传感器芯片出发,到整机和数据处理软硬件实现了整体开发能力。

2、大立科技

浙江大立科技股份有限公司前身为1984年成立的浙江省测试技术研究所,于2001年完成改制。2008年2月在深圳证券交易所中小板挂牌上市(股票代码:002214.SZ)。是国内红外和安防行业A股首家上市公司。公司的主要业务涵盖非制冷红外焦平面探测器、红外热成像仪及以热成像技术为核心的光电系统和巡检机器人等。大立科技是国内少数具有完全知识产权,能够独立研发,从生产热成像核心器件、机芯组件到整机系统制造,并具有完整产业链的专业制造商之一,也是国内唯一实现产品量产的双技术路线(非晶硅与氧化钒)非制冷焦平面红外探测器的红外企业。
大立科技始终坚持民军两条腿齐步走的策略,一直强调军民融合,有军品资质优势,是国家二级保密资格单位。公司军品红外产品主要有红外导引头、观瞄具、惯导产品、球型吊舱以及并购新增的机载光电吊舱等。从过去几年的情况看,红外导引头产品是公司军品营收的主要组成部分,占军品一半以上,机载光电吊舱是公司重点布局的新方向。
截至2022年底,公司及控股子公司公开的专利158项,有效专利137项,有效率占87%;其中授权发明35项,实用新型专利51项、外观设计15项,另外还有发明申请36项。大立科技虽然成立较早,但是可检索到的专利是三家企业里面最少的。而且从2003年开始才有专利申请,这也从侧面反应了,这家企业的研发还是以军品为主,不能申请专利公开其核心技术。
通过技术主题研究,见图5,发现其专利最多的主题是红外探测器,共有21件。其他主要的技术主题多为红外系统的硬件层面,有关红外图像处理的偏软件层面的专利却只见到5件,足见大立科技的研发主要还是专注于硬件层面,产品定位于探测器芯片、机芯等红外系统的前端设备,后端应用层面的图像处理着力较少。可见这家企业的主要客户,需要的红外图像为图像原始数据,各种图像处理工作还是由红外成像仪的用户来做,这也是典型的军方用户的需求。


5 大立科技技术主题

通过对公司仅有的百来个专利的研究,我们从大立科技的专利里面可以总结出以下重点专利列表 2,按照时间排序就可以看出技术路线。


2 大立科技重点专利列表

根据大立科技上市公司的公开信息,其研发的非制冷红外探测器未来将向着更小像元间距、更大的面阵规模、晶元级封装、晶圆级红外光学和ASIC 集成化方向发展。已实现量产像元间距25um/17um/15um/12um等系列产品,封装类别涵盖金属封装、陶瓷封装和晶圆封装,见图6。
其有价值的专利,主要集中在2010年后。但是通过反复比对,大立科技的重点专利和公司发布的新产品关联度不高。可见其关键产品还是以军品为主,由于公司的保密要求,其关键技术不被允许申请专利,从而形成了技术秘密。但是由于其军品在民用领域应用前景更为广阔,相信随着其产品价格的不断下降,其军工技术有望在不久的将来能够转为民用,从而造福于人民生活的方方面面。


6 大立科技红外探测器产品迭代图 (资料来源:公司官网)

3、高德红外
武汉高德红外股份有限公司创立于1999年,2010 年7月在在深圳证券交易所中小板挂牌上市(股票代码:002414.SZ)。业务涵盖红外焦平面探测器芯片、红外热像整机及综合光电系统、新型完整武器系统和传统非致命性弹药及信息化弹药四大板块。公司多年深耕以红外为核心的高科技创新行业,坚持创新驱动发展,充分利用民营企业机制灵活的优势,构建起从底层红外核心器件,到综合光电系统,再到顶层完整装备系统总体的全产业链科研生产布局,核心竞争优势凸显。
截至2022年底,公司及控股子公司公开的专利675项,有效专利547项,有效率占81%;其中授权发明105项,实用新型专利231项、外观设计专利65项,另外还有发明申请146项。虽然公司成立比睿创微纳早10年,但是从专利角度看,远远落后于睿创微纳。推测这是睿创微纳是科创板上市企业,需要保持其科创属性,故而在专利申请上格外重视。另外,高德红外的研发涉及制冷型红外探测器,属于军工技术,不少技术受到严格管控,不能申请专利。
通过技术主题研究,见图7,发现其专利最多的主题是红外探测器,共有85件,排名第二的红外图像处理方法却仅仅有41件,说明高德红外在红外探测器芯片方面研发投入占比惊人,而且其技术主题构成里面还有许多制冷型探测器的部分,说明其在高端军事领域有相当的市场占比。根据高德红外上市公司的公开信息:2020年公司成功获得了某类完整装备系统总体科研生产资质和某两类完整装备系统总体科研资质,是国内唯一拿到该类总体资质的民营企业。从而高德红外的是目前国内唯一一家同时具备制冷型和非制冷型红外探测器研发和批量生产能力的民营企业。即使在军事领域有相应的保密制度,但我们还是能检索到在军事领域里面广泛使用的制冷型红外探测器的技术的专利,这也说明一些军用技术已经进行了民用转化。
由于军用领域进入技术壁垒远比民用领域高,需经历长期的研发“试制-定型-批产”的过程,对供应商的研发能力和相关资质要求较高,因此是否有军品研发和批量生产能力,是考验该供应商的技术积累深度、技术壁垒高度的重要指标。


7 高德红外技术主题

通过对公司发布的新产品新技术的研究,我们从高德红外的专利里面可以总结出以下重点专利列表 3,按照时间排序就可以看出技术路线。
在检索到的专利里,一共发现85件专利和制冷探测器相关,占比12.6%。高德红外的制冷探测器技术从2010年开始有个别专利申请;到2020年有13件专利申请,首次突破了10件;再到2022年制冷型探测器技术相关专利申请呈现井喷,共有40件专利申请,由于专利公开的滞后性,相信未来2年内仍然会有2022年申请的专利被公开。这种制冷探测器技术专利申请的趋势说明,高德红外近年来正在加速进行军工技术的民用转化进程。


3 高德红外重点专利列表

在非制冷探测器方面,高德红外开展更小像元新产品的研制,随着1Kx1K面阵产品、超晶格长波系列产品、小像元探测器等新产品导入量产,给了客户更多的选择,为公司继续占据市场提供了坚实的后盾。小像元产品性能逐步提升、成本进一步下降,其批量化交付在市场上拥有更强的竞争力。公司通过专项攻关进一步提升生产效率,先后完成了非制冷陶瓷探测器一体式封装开发,晶圆级生产线全自动化调试,从而实现了封装工序全自动作业,产品批量化生产能力得到长足进步。

四、
总结
从红外成像系统产业链而言,从上游到下游分别为探测器、镜头、机芯、热像仪组件,到最下游的光电系统为最终产品。从技术壁垒而言,上游的探测器才是最有技术难度、最难以进入的领域,也是军用领域出于保密要求禁止公开的部分。虽然红外探测器芯片领域的研发,主要还是以国家企事业单位为研发和生产主体,以保密的军用技术为先导的技术领域。但是随着军民融合,军工技术逐渐的已经开始转化为民用。
本文通过研究睿创微纳、大立科技、高德红外三家上市公司的公开信息,探讨了其技术壁垒最高的红外探测器专利的技术构成和演进。由于制冷型红外热成像探测器芯片多用于军用领域,能获得的相关信息非常少,很难总结出有价值的结论,但是从非制冷红外热成像探测器芯片的技术出发,还是能从公开的专利数据中,得到一定量的信息,总结在表 4。


4 三家上市公司技术比较

非制冷热成像的核心技术是非制冷红外芯片的设计、制造和探测器的封装测试。下游的终端产品成像仪和光电系统以及相应的图像处理软件等是随着探测器芯片的发展而发展的,下游技术也是没有太多技术壁垒的技术领域。单从是否有制冷型探测器的研发和批量产品来看,就可以获知高德红外所具有的技术壁垒最高、其次是睿创微纳,最后才是大立科技。
Maxtech International 的全球红外热成像市场规模的预测及 YOLE《Thermal Imagers and Detectors 2020》报告可以推算出国内红外市场占有率,从中可知高德红外占有率最高为6.62%,其次是睿创微纳为3.43%,最后是大立科技为2.29%。市场占有率的排位和三家公司所拥有的技术壁垒排位是一致的。
由于国内非制冷红外热成像行业起步较晚,基础薄弱,早期国内企业几乎无自主生产非制冷红外成像产品的能力。伴随着国内技术水平的不断提高,目前已经基本实现非制冷红外成像产品的进口替代。公司在行业发展的过程中,经历了核心技术培育期、核心技术产品化时期和核心技术深化期。
期望本文通过一个技术壁垒非常高的红外热成像仪的核心部件非制冷红外热成像探测器芯片的专利技术布局和演进的研究,为其他微电子器件的研发投资和战略规划提供参考。

参考文献:

[1] 烟台睿创微纳技术股份有限公司招股说明书

[2] 北京富吉瑞光电科技股份有限公司招股说明书

[3] 武汉高德红外股份有限公司,2022年半年度报告

[4] 浙江大立科技股份有限公司,2022年半年度报告

[5] 东方财富网“高德红外” https://data.eastmoney.com/notices/stock/002414.html

[6] 东方财富网“大立科技” https://data.eastmoney.com/notices/stock/002214.html

[7] 东方财富网“睿创微纳” https://data.eastmoney.com/notices/stock/688002.html

[8]睿创微纳官网 http://www.raytrontek.com/

[9]大立科技官网 https://www.dali-tech.com/about

[10]高德红外官网 https://www.wuhan-guide.com/