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以荣获紫绶褒章的梅林拓为首的索尼工程师们历经四年的开发时间,成功推出“堆栈式CMOS图像传感器”,如今该产品已成为支撑索尼图像传感器事业的支柱。在手机用途上,该传感器处于领先地位,被搭载于多款智能手机上。另外,堆栈结构作为一种构造技术,除了手机用途,还能用于其他各种领域的图像传感器中,其应用场景正不断拓展。例如,应用于汽车自动驾驶技术、制造业的工厂自动化、零售店的数字化转型(DX)等领域的数据感知领域,堆栈技术是广泛使用的。
索尼一代代的半导体工程师怀抱“保留清晰美好画面”、“创造影像文化”的心愿,接力潜心研发“图像传感器”,经梅林拓等人的努力,发展成为“堆栈式CMOS图像传感器”,在一些领域中,其性能已超越人眼,给人们的生活方式带来了巨大改变。并且,堆栈式CMOS图像传感器有望为即将到来的新时代的社会基础设施做出贡献。
堆栈技术所蕴含的优势在于为图像传感器创造了更多选择。这项技术为何如此重要?在系列的最后一期,我们将近一步了解堆栈式CMOS图像传感器为社会带来的价值和其巨大潜力。
在介绍堆栈式CMOS图像传感器的实力时,我们不能忘记2015年索尼推出的“Cu-Cu(铜-铜)连接”技术。这项技术是让兼具小型和强大功能的堆栈式CMOS图像传感器更加小巧、功能更强大,且生产效率显著提升的幕后英雄。
铜-铜连接是在接合堆栈式CMOS图像传感器的像素芯片与逻辑电路芯片时使用的技术。通过连接布设在各个堆栈面上的铜端子,让电流通过其中。这项技术开发之前,堆栈式CMOS图像传感器的两个芯片之间是使用硅通孔(TSV)导通电流,两个芯片之间必须设置专用区域,以便用TSV进行导通。
进入2000年代以后,各个研究机构和企业开始研究铜-铜连接,但在2015年,索尼确立了铜-铜连接的量产技术。由此不再需要为了TSV而在芯片上设置专用区域,所以,除了能进一步缩小尺寸,设计自由度也增加了,端子配置也实现了高密度化。铜-铜连接的诞生促使堆栈技术实现飞跃性提升,也进一步拓展了图像传感器的可能性。
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因为铜-铜连接而进化的堆栈式CMOS图像传感器。其为社会和未来带来了哪些价值?
堆栈技术的优势在于通过像素部分与电路部分堆叠的双层结构,提升电路设计的自由度,从而可根据用途搭载各种功能。例如图像传感器所需的高速化和多功能化,电力消耗与成本的削减等,这项技术可以根据不同用途拓展商品开发的选择范围,堆栈式CMOS图像传感器堪称万能平台。
关于这个平台提供的价值,我们可以从“手机”、“车载”、“工业”、“解决方案”这几个领域进行了解。
首先是手机,可以说智能手机相机性能的显著提升正是得益于堆栈技术。
例如,4K视频、明暗场景都能捕捉的高动态范围拍摄、目标拍摄物体在运动中也能自动对焦的AF(自动对焦)跟踪等,即使不是专业摄影师,只要有一部小巧轻薄的手机,任何人都可能拍摄精美的照片或视频。另外,小巧而轻薄的智能手机还配备了从大光圈到长焦的多种摄像头。堆栈技术将图像传感器的外形尺寸压缩到尽可能小,从而实现小型化、高清晰度、高性能的摄像头。
随着汽车高级驾驶员辅助系统(ADAS)和自动驾驶(AD)的不断发展,车载用图像传感器被要求在黄昏时、在隧道口附近的逆光条件下、在漆黑的夜间道路上等环境中,也能超越人眼,准确捕捉更远距离外的对象。在实现长距离拍摄所需的高分辨率性能和不影响汽车设计的紧凑传感器尺寸方面,堆栈技术发挥了重要作用。而在独立的电路部分,依靠堆栈技术,我们可以选择适合的工艺流程,以实现车载用途所需的功能,这也显著地拓展了车载用图像传感器提高性能表现的可能性。
接下来要介绍的是在堆栈结构的电路部分搭载AI处理功能的智能视觉传感器“IMX500”。2020年5月发布的这款图像传感器可在设备中根据用途进行AI处理,是直连视网膜和大脑的强大芯片。现在,随着数字化转型的普及,来自IoT设备的所有数据都在云端进行处理,但据说这种方法提供的能力是有限的。IMX500仅输出图像传感器进行AI处理后的元数据(属于数据的信息)。由此,在一定条件下进行比较,可以发现数据量仅为传统图像传感器的1/7400,因此,传输到云端的数据量和传输后的数据处理量将大幅减少。还有望帮助减少云端维护所需的电力消耗。其还有一个巨大的优点,那就是处理的元数据无法指向个人,因此无需担心隐私问题。
现在,社会上的各个角落都在进行使用IMX500的实证实验,例如罗马市解决交通拥堵等社会课题的项目,大大小小各类店铺的智能化改造、智慧大楼的创建等。
接下来,是工业级应用的图像传感器。在制造、物流等各工业领域,自动化、少人化、高效化的趋势不断加快,因而影响摄像头性能的图像传感器被要求能够准确捕捉人眼不可见的信息。索尼各种类型的适合工业领域的特别的图像传感器,而其中的SWIR(短波红外线)图像传感器凝聚了以堆栈技术为代表的索尼半导体的技术与知识经验。通过捕捉SWIR波段的影像,可实现材料拣选、异物检测、半导体检测等人眼难以识别的检测,因此,支持SWIR波段的传感器一直有被使用。但是,那些传感器因为技术上的限制,无法实现以微小的芯片尺寸拍摄高分辨率影像,因此始终未能得到大规模普及。针对这一课题,堆栈技术凭借业界突破性的小像素尺寸,实现了小型化和高分辨率化,从而可搭载于各种检测用摄像头上。满足客户需求、使用方便的图像传感器将有助于今后摄像头用途的不断扩大,帮助人们解决更多课题。
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索尼的图像传感器开发始于对照片和影像永无止境的探索精神。如今,作为助力解决各种社会课题、为人类提供更美好生活的技术,索尼的图像传感器仍在持续不断地发展进步。
这也是历代工程师们主动探索未知领域,攻克无数难题并勇于坚持挑战的历史沉积。今后,索尼的图像传感器将继续发起雄心勃勃的挑战。相信勇于挑战的企业文化,必将为人们带来感动,创造美好社会。