跟著移動(dòng)芯片走，圖像傳感器的堆疊與互聯(lián)

過去20多年的時(shí)間里，圖像傳感器的開發(fā)上已經(jīng)迎來了不少創(chuàng)新，尤其是在移動(dòng)市場(chǎng)的沖擊下。如今一億像素、自動(dòng)對(duì)焦、HDR都已經(jīng)不是新聞了，也正是因?yàn)橛辛?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/11230/" target="_blank">智能手機(jī)這一商業(yè)平臺(tái)作為支撐，圖像傳感器開始像手機(jī)SoC一樣，不僅開始在芯片內(nèi)加入各種AI/ML技術(shù)，也在沿用后者的結(jié)構(gòu)和制造方案，比如芯片堆疊和互聯(lián)技術(shù)。

堆疊式圖像傳感器的發(fā)展

2012年，索尼推出了首款商用BSI堆疊式傳感器Exmor RS，讓傳統(tǒng)圖像傳感器的各項(xiàng)參數(shù)都獲得了升級(jí)，比如更小的像素尺寸、更高的像素密度，并通過更強(qiáng)大的信號(hào)處理與圖像重構(gòu)技術(shù)，得到更好的圖像性能。

三層堆疊式圖像傳感器 / 索尼

圖像失真是卷簾快門傳感器中經(jīng)常遇到的問題，這往往是由于像素讀取的時(shí)間滯后引起的。正因如此，三層堆疊的圖像傳感器開始出現(xiàn)，將像素層、邏輯層和DRAM疊加在一起。索尼在2015年發(fā)布了首款三層堆疊式的CMOS傳感器，其像素層、DRAM層和邏輯層分別用了90nm、30nm和40nm的工藝。

三星也在2017年跟進(jìn)了這一設(shè)計(jì)，并隨后推出了ISOCELL 2L3這一圖像傳感器，堆疊了一個(gè)LPDDR4 DRAM芯片，實(shí)現(xiàn)了在1/120秒內(nèi)以960FPS的速度捕捉慢動(dòng)作畫面。

通過芯片堆疊的方法，圖像傳感器在一些高端應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了不小的進(jìn)步，原因之一就是更小的傳感器尺寸。再以索尼Exmor RS為例，一個(gè)1/4英寸800萬像素的CMOS圖像傳感器。在索尼發(fā)表的論文中，其研究人員指出指出堆疊方案讓芯片的大小減少了30%。

此外，復(fù)雜的邏輯層信號(hào)處理電路用到先進(jìn)工藝，而像素層的像素陣列用的仍是各家打磨多年的成熟工藝，除了維持原有的像素優(yōu)勢(shì)外，在信號(hào)處理電路中可以增加更多像自動(dòng)對(duì)焦、AI這類的先進(jìn)功能，實(shí)現(xiàn)真正的智能傳感器。

像素層再堆疊

2021年底，索尼在IEEE國際電子設(shè)備會(huì)議上再次發(fā)布猛料，宣布成功開發(fā)出了全球首個(gè)雙層晶體管像素堆疊的CMOS圖像傳感器。傳統(tǒng)的堆疊式CMOS圖像傳感器光電二極管和像素晶體管在同一背照像素層，而索尼這一新技術(shù)將兩者分離為兩層垂直堆疊。

雙層晶體管像素堆疊式CMOS圖像傳感器技術(shù) /索尼

根據(jù)索尼的說法，這一結(jié)構(gòu)讓飽和信號(hào)量提升至原來的2倍左右，意味著單像素可以存儲(chǔ)更多的電子，因此傳感器的動(dòng)態(tài)范圍顯著提升，并降低了噪點(diǎn)，哪怕是在更小的像素尺寸下，也能保持或提升像素原有的特性，從而提高成像性能。

芯片互聯(lián)技術(shù)的支撐

僅僅只是將兩個(gè)芯片堆疊在一起是不夠的，還得靠芯片互聯(lián)技術(shù)在芯片之間創(chuàng)造合適的電路互聯(lián)。而在圖像傳感器中，最常見的垂直互聯(lián)技術(shù)就是TSV和混合鍵合。

TSV，即硅穿孔技術(shù)采用的不是走線鍵合的方式，而是在芯片上鉆孔，通過每一層芯片，再加入導(dǎo)電介質(zhì)形成通道，為芯片之間傳遞電信號(hào)的互聯(lián)技術(shù)。對(duì)于不需要提高TSV密度，傳輸大量數(shù)據(jù)，也不需要重新設(shè)計(jì)的圖像傳感器來說，后鉆孔的方法最為普遍。因?yàn)楹筱@孔可以在完成的晶圓上進(jìn)行，所以可以交由封裝廠。

銅混合鍵合 / 索尼

混合鍵合技術(shù)近來也開始慢慢普及，無論是豪威還是索尼都開始在新一代產(chǎn)品中使用這一技術(shù)，尤其是銅混合鍵合。以索尼的SenSWIR系列非可見光圖像傳感器為例，這類SWIR傳感器的像素尺寸大于一般的CMOS圖像傳感器，因此普遍分辨率不高，而銅混合鍵合縮小了像素間距，降低至只有5μm的像素大小，提供了SXGA（1280x1024）級(jí)別的像素分辨率。隨著圖像傳感器繼續(xù)向像素尺寸小型化、像素精細(xì)化的趨勢(shì)發(fā)展，這類混合鍵合技術(shù)也會(huì)越來越普及。

結(jié)語

芯片堆疊和互聯(lián)技術(shù)已經(jīng)在圖像傳感器上得到了廣泛應(yīng)用，支持到更小的像素尺寸、更大的像素陣列和支持ML/AI的智能圖像傳感器。但與此同時(shí)，圖像傳感器上用到的半導(dǎo)體工藝遠(yuǎn)沒有達(dá)到極致，未來的堆疊芯片會(huì)擁有更高性能的邏輯電路，更高帶寬的芯片互聯(lián)，并根據(jù)成本在不同的工藝節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行優(yōu)化。