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。