堆叠式图像传感器的发展

过去20多年的时间里，图像传感器的开发上已经迎来了不少创新，尤其是在移动市场的冲击下。如今一亿像素、自动对焦、HDR都已经不是新闻了，也正是因为有了智能手机这一商业平台作为支撑，图像传感器开始像手机SoC一样，不仅开始在芯片内加入各种AI/ML威廉希尔官方网站 ，也在沿用后者的结构和制造方案，比如芯片堆叠和互联威廉希尔官方网站 。

堆叠式图像传感器的发展

2012年，索尼推出了首款商用BSI堆叠式传感器Exmor RS，让传统图像传感器的各项参数都获得了升级，比如更小的像素尺寸、更高的像素密度，并通过更强大的信号处理与图像重构威廉希尔官方网站 ，得到更好的图像性能。

三层堆叠式图像传感器 / 索尼

图像失真是卷帘快门传感器中经常遇到的问题，这往往是由于像素读取的时间滞后引起的。正因如此，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。索尼在2015年发布了首款三层堆叠式的CMOS传感器，其像素层、DRAM层和逻辑层分别用了90nm、30nm和40nm的工艺。

三星也在2017年跟进了这一设计，并随后推出了ISOCELL 2L3这一图像传感器，堆叠了一个LPDDR4 DRAM芯片，实现了在1/120秒内以960FPS的速度捕捉慢动作画面。

通过芯片堆叠的方法，图像传感器在一些高端应用上实现了不小的进步，原因之一就是更小的传感器尺寸。再以索尼Exmor RS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，其研究人员指出指出堆叠方案让芯片的大小减少了30%。

此外，复杂的逻辑层信号处理电路用到先进工艺，而像素层的像素阵列用的仍是各家打磨多年的成熟工艺，除了维持原有的像素优势外，在信号处理电路中可以增加更多像自动对焦、AI这类的先进功能，实现真正的智能传感器。

像素层再堆叠

2021年底，索尼在IEEE国际电子设备会议上再次发布猛料，宣布成功开发出了全球首个双层晶体管像素堆叠的CMOS图像传感器。传统的堆叠式CMOS图像传感器光电二极管和像素晶体管在同一背照像素层，而索尼这一新威廉希尔官方网站 将两者分离为两层垂直堆叠。

双层晶体管像素堆叠式CMOS图像传感器威廉希尔官方网站 / 索尼

根据索尼的说法，这一结构让饱和信号量提升至原来的2倍左右，意味着单像素可以存储更多的电子，因此传感器的动态范围显著提升，并降低了噪点，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，从而提高成像性能。

芯片互联威廉希尔官方网站 的支撑

仅仅只是将两个芯片堆叠在一起是不够的，还得靠芯片互联威廉希尔官方网站 在芯片之间创造合适的电路互联。而在图像传感器中，最常见的垂直互联威廉希尔官方网站 就是TSV和混合键合。

TSV，即硅穿孔威廉希尔官方网站 采用的不是走线键合的方式，而是在芯片上钻孔，通过每一层芯片，再加入导电介质形成通道，为芯片之间传递电信号的互联威廉希尔官方网站 。对于不需要提高TSV密度，传输大量数据，也不需要重新设计的图像传感器来说，后钻孔的方法最为普遍。因为后钻孔可以在完成的晶圆上进行，所以可以交由封装厂。

铜混合键合 / 索尼

混合键合威廉希尔官方网站 近来也开始慢慢普及，无论是豪威还是索尼都开始在新一代产品中使用这一威廉希尔官方网站 ，尤其是铜混合键合。以索尼的SenSWIR系列非可见光图像传感器为例，这类SWIR传感器的像素尺寸大于一般的CMOS图像传感器，因此普遍分辨率不高，而铜混合键合缩小了像素间距，降低至只有5μm的像素大小，提供了SXGA（1280x1024）级别的像素分辨率。随着图像传感器继续向像素尺寸小型化、像素精细化的趋势发展，这类混合键合威廉希尔官方网站 也会越来越普及。

结语

芯片堆叠和互联威廉希尔官方网站 已经在图像传感器上得到了广泛应用，支持到更小的像素尺寸、更大的像素阵列和支持ML/AI的智能图像传感器。但与此同时，图像传感器上用到的半导体工艺远没有达到极致，未来的堆叠芯片会拥有更高性能的逻辑电路，更高带宽的芯片互联，并根据成本在不同的工艺节点上进行优化。

审核编辑 ：李倩