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开发堆叠式图像传感器,支持芯片互联技术


在过去的20年里,图像传感器的发展带来了许多创新,特别是在移动市场的影响下。如今,1亿像素、自动对焦和HDR已不再是新闻。正是因为智能手机商业平台的支持,图像传感器开始像手机SOC一样,不仅开始在芯片中添加各种AI/ML技术,还使用后者的结构和制造方案,如芯片堆叠和互连技术。

开发堆叠式图像传感器

2012年,索尼推出了第一款商用BSI堆叠传感器Exmorrs,通过更强大的信号处理和图像重构技术,升级了传统图像传感器的所有参数,如更小的像素尺寸、更高的像素密度和更好的图像性能。

图像失真是传感器中,图像失真是一个常见的问题,这通常是由于像素读取的时间滞后造成的。因此,三层堆叠的图像传感器开始出现,将像素层、逻辑层和DRAM叠加在一起。2015年,索尼发布了第一个三层堆叠的CMOS传感器,其像素层、DRAM层和逻辑层分别采用90nm、30nm和40nm的工艺。

通过芯片堆叠,AD780BR图像传感器在一些高端应用中取得了很大的进步,其中一个原因是传感器尺寸较小。以索尼Exmorrs为例,一个1/4英寸800万像素的CMOS图像传感器。在索尼发表的论文中,其研究人员指出,堆叠方案将芯片尺寸降低了30%。

此外,先进的技术用于复杂的逻辑层信号处理电路,而像素层的像素阵列仍然使用已经抛光多年的成熟技术。除了保持原有的像素优势外,还可以在信号处理电路中添加更先进的功能,如自动对焦和AI,以实现真正的智能传感器。

再次堆叠像素层

2021年底,索尼在IEEE国际电子设备会议上再次发布材料,宣布成功开发了世界上第一个双层晶体管像素堆叠的CMOS图像传感器。光电二极管和像素晶体管的传统堆叠式CMOS图像传感器处于相同的背照像素层,而索尼的新技术将们分为两层垂直堆叠。

根据索尼的说法,这种结构将饱和信号的数量增加到原始信号的两倍左右,这意味着单个像素可以存储更多的电子。因此,传感器的动态范围显著提高,噪声降低。即使在较小的像素尺寸下,它也能保持或改善像素的原始特性,从而提高成像性能。

支持芯片互联技术

仅仅把两个芯片堆叠在一起是不够的。我们必须依靠芯片互联技术在芯片之间创建适当的电路互联。在图像传感器中,最常见的垂直连接技术是TSV和混合键。

TSV,即硅穿孔技术,不是一种接线方式,而是一种在芯片上钻孔的互连技术,通过每一层芯片,然后添加导电介质形成通道,在芯片之间传输电信号。对于不需要提高TSV密度、传输大量数据或重新设计的图像传感器,后钻是最常见的方法。由于后钻可以在完成的晶片上进行,因此可以移交给包装厂。

混合键技术最近也开始慢慢普及。豪威和索尼都开始在新一代产品中使用这种技术,尤其是铜混合键。以索尼的SenSWIR系列非可见光图像传感器为例,这种SWIR传感器的像素尺寸大于普通CMOS图像传感器,所以一般分辨率不高,而铜混合键缩小了像素间距,降低到只有5μm的像素尺寸,提供SXGA(1280x1024)等级的像素分辨率。随着图像传感器继续小型化成像素尺寸,这种混合键技术将越来越流行。

小结

芯片堆叠和互连技术已广泛应用于图像传感器,支持更小的像素尺寸、更大的像素阵列和支持ML/AI的智能图像传感器。然而,与此同时,图像传感器上使用的半导体技术远未达到极限。未来,堆叠芯片将有更高性能的逻辑电路和更高带宽的芯片互连,并根据成本在不同的工艺节点进行优化。




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