不爭2億畫素 手機CIS技術將往哪走?

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

手機相機CIS自從突破1億畫素後,再談畫素數量增大,似乎已很難讓市場產生激烈反應…既然如此,手機相機中的CIS未來會如何發展?

手機相機CMOS影像感測器(CIS)自從突破1億畫素以後,再談畫素數量增大,似乎已經很難讓市場產生激烈反應。單就手機相機CIS而言,高畫素追逐戰是已經告一段落,尤其是現在某些高階Android拍照旗艦手機,已經傾向於採用大畫素、大尺寸的CIS,而不再刻意追求高畫素。

本文將簡單梳理近2年來,行動成像CIS的技術發展現狀。似乎這些技術趨勢,仍然是不斷圍繞日益縮小的畫素尺寸展開。

 

 

幾個主要技術點

之所以將手機相機CIS單獨拿出來說,是因為手機乃是CIS產品目前最大的應用市場。主要應用於手機的行動CIS,佔整個CIS市場的大約70%。從眾所周知的大方向來說,行動成像CIS熱門技術仍在於背照式(Back-Illuminated,BSI)與堆疊式(Stacked)結構。TechInsights的資料顯示,背照式+堆疊式CIS佔手機CIS總量近90%的比重。

 

 

從上圖來看,近5年背照+堆疊CIS的產品佔比一直都比較高。其中3層堆疊(3-die)的CIS其實也並沒有發生什麼崛起式的市場革新——從索尼(Sony)對於堆疊式CIS未來技術的發展觀察,3層堆疊大概會在技術愈發成熟後走向普及。不過前照式(FSI) CIS在手機市場上似乎已經不見蹤影。

背照式+堆疊式結構對於CIS而言,最直覺的一個收益,就是畫素die上的感光區域利用率顯著提高。因為很多邏輯電路結構都移到畫素後方或者下層,那麼可用於感光的畫素區域自然就變大了。這對於手機CIS走向高畫素、小畫素的大趨勢,是必然選擇。

 

 

上圖是自2013年以來堆疊式CIS產品中,活躍CIS區域(可理解為用於感光的畫素區域)和總CIS die面積之比。大趨勢自然是越來越高,即用於感光的CIS面積佔比越來越高,這兩年已大幅超過80%。

除了堆疊+背照這種結構上已經被說爛的點,其餘技術發展的幾個方向包括,(1)單畫素尺寸變小;(2)向CIS與ISP之間的畫素級互連演進(影像感測器的畫素die與邏輯die之間的互連);(3)由於畫素變小,相位檢測自動對焦(PDAF)的演進;(4)由於畫素變小,CIS畫素上的色彩濾鏡陣列(CFA)變化。

感覺這幾個技術方向其實也都是老生常談,或者說市場和分析機構的關注點,大致就在此了。

畫素尺寸繼續變小

當年TechInsights最早做出手機CIS畫素尺寸在變小的趨勢論斷,還是讓很多技術愛好者震驚。因為CIS並不像數位電路的摩爾定律,會受惠於更小的畫素結構;小畫素也的確不利於感光。

但事實就是,這麼多年來手機CIS (甚至包括微單/單反的全畫幅CIS)的畫素就是在不斷變小,無論是技術使然還是市場使然。畢竟之前這些年,從上至下都有著更高畫素的市場需求,那麼畫素當然要做小。

 

 

畫素上表面變小了,畫素阱容就會變小,那麼就要把縱向Active Si厚度做大(Active Si厚度可以理解為畫素這口井的深度)。上圖中,藍色點代表不同尺寸的畫素(當前已經量產的CIS的最小畫素是0.7μm),Active Si厚度的變化。橙色點則是厚度與畫素尺寸之比(厚徑比)。

上圖的橫軸主要代表畫素尺寸變化。不過另一方面,基於這些年畫素尺寸在逐漸縮小,橫軸實際上也可以一定程度代表時間的推移。

 

 

目前Active Si厚度與畫素尺寸比,最高的CIS是三星(Samsung) GW3,如上圖中的左圖所示。這是個6,400萬畫素、0.7μm單畫素尺寸的影像感測器。其Active Si厚度是4.1μm。上圖右邊比較的是Omnivision的OV64B。

 

 

TechInsights這次的報告,有個統計維度是Teff (每個畫素的有效電晶體),不僅統計了不同應用的普通CIS,包括手機、相機、汽車、安防等;也統計了基於事件的感測器、ToF這些比較特殊的影像/視覺感測器。

不同應用的單畫素電晶體數量還是有比較大的差別。i-ToF和基於事件的感測器通常有著更多的單畫素有效電晶體數量。尤其是基於事件的感測器,這一例中52 T的感測器,就來自Sony和Prophesee合作的感測器產品,這類感測器有著更高的畫素複雜度,如畫素內的time stamp、訊號強度的Log採集等。

基於事件的視覺感測器也受惠於背照式和堆疊式技術,才使得其畫素能夠進一步做小。Prophesee CEO Luca Verre也認為將來基於事件的視覺感測器畫素會變得更小。

多層堆疊與畫素級互連

CIS的多層堆疊是趨勢。更具體的趨勢則是,互連密度的提升——這和許多數位晶片的先進封裝路線似乎也比較一致,die或chip垂直堆疊是需要互連的。更小間距的矽通孔/直接鍵合互連(TSV/DBI)互連必然是個趨勢和常規。在互連間距不斷縮小的過程中,縮減至畫素等級的互連是個發展方向。

 

 

上圖是2014~2021年間,Cu-Cu混合bonding的DBI互連間距變化。TechInsights提到,目前已知用於行/列互連的最小TSV/DBI間距是3.1μm。die之間堆疊,周邊的行/列互連仍然是現在的主流方案。

 

 

畫素級互連仍然相當少見。TechInsights資料庫中,僅有3款已經商用的、採用了畫素級互連的影像感測器:分別是iPad Pro的ToF相機上、來自Sony的SPAD感測器(150 × 200),以及Sony SensSWIR IMX990/991 VGA感測器,和Omnivision OG01A1B (100萬畫素)。其中Omnivision OG01A1B的DBI互連間距最小,達到了2.2μm (上圖左)。

PDAF技術這些年在變

PDAF似乎也是影像感測器廠商宣傳的重點,大概是在上面花的時間也很多。畢竟DxO這類機構針對行動裝置的評測,也相當看重手機相機的對焦性能。隨畫素尺寸本身在變小,PDAF畫素結構也在發生變化。要維持對焦畫素高輸出訊號,這種變化是必然的。主流的PDAF方案包括masked PDAF、DP (Dual Photodiode)、OCL (On-Chip Lens)。前兩者針對的主要是更低解析度、更大畫素尺寸的影像感測器;後者對小於1.0μm單畫素尺寸的影像感測器很適用(不過三星GM1、GD1,其實也在用masked PDAF方案,都是0.8μm單畫素的影像感測器)。

 

 

上圖的橫軸表示單畫素尺寸,縱軸表示CIS的解析度(畫素數量)。OCL是這兩年被提及比較多的一種方案,Sony現在在宣傳的正是2 × 2 OCL。OCL的特點就在於不需要犧牲CIS的感光性能,這對小至0.7μm畫素尺寸的感測器很有價值。TechInsights表示,預計未來0.6μm單畫素尺寸的CIS仍然會有這種PDAF方案。

 

 

2 × 2 OCL結構是每個micro-len覆蓋4個畫素,來達成兩個方向的PDAF對焦。上圖是來自TechInsights觀察到不同感測器產品的OCL方案。其中(a)是Omniverse的OV64B;(b)是三星HM1、HM2、HM3的方案——把兩個臨近的2 × 1 OCL結合,來達成2 × 2效果。三星這幾例方案的PDAF單元密度為32:1或36:1,Sony的方案比較激進(圖(c)),2 × 2 OCL是完全覆蓋了整個CIS,包括IMX689、IMX766、IMX789皆如此。這種完整覆蓋感測器的相位對焦方案,理論上也能夠達成在拍照時最高的對焦效率。

除此之外的DP PDAF方案,針對的主要還是更大的畫素,畢竟DP需要把每個畫素一分為二,做畫素內的深槽隔離。Sony和三星現在主流、應用於旗艦手機的5,000萬畫素CIS都在使用PD對焦方案(IMX700、GN2)。

這裡面比較有特色的是三星GN2:即針對綠色畫素,以深槽隔離DTI來斜著切分畫素,適配更多場景的自動對焦。

拜耳濾鏡之外的多樣化

CFA這些年的發展,事實上也是由畫素變小引發的。尤其畫素變小了以後,低光環境的感光能力下降,在CFA方面多有找補。所謂的色彩濾鏡(color filter),也就是每個畫素前方負責過濾特定光譜的filter,讓畫素有了感知色彩的能力。

所以在傳統拜耳濾鏡陣列(包括RGGB、RYYB、RCCB等排列方式)之外,延伸出了更多的CFA排列方式。這也不是什麼新鮮事了,畢竟Sony QuadBayer、三星Tetracell之類的概念前幾年也在不停教育市場。

 

 

根據單畫素尺寸變化,當前一些主流的CFA排列方式如上圖所示。這其中的綠點代表的CFA排列,就是更多人所熟知的每4個畫素為一組(四合一),來感知同一種色彩。這種畫素分組的策略,就像是擴大了畫素尺寸一樣,也就提升了暗光環境下的感光能力。

三星在1億畫素感測器(HM1/HM2/HM3)採用的是3 × 3畫素分組方案,即9個畫素為一組(九合一),並將其命名為Nanocell。可見畫素越小,對於畫素分組數量的要求也隨之提高。

實際上2019年,Sony針對IMX608的CFA排列,採用了4 × 4分組方案(即華為Mate30 Pro相機的CIS,十六合一)。對應其CFA單色濾鏡的跨度達到了4.48μm,所以宣傳中說十六合一的4.48μm大畫素。

TechInsights認為,未來隨著畫素的進一步縮小,會看到更多3 × 3、4 × 4 CFA方案。

 

 

總的來說,這些技術主要圍繞的核心,仍然是不斷變小的畫素尺寸,包括堆疊式、背照式,PDAF畫素結構,以及CFA排列方式的變化。雖說當代旗艦手機部分在用畫素稍大一些的CIS (如vivo X70 Pro、華為Mate40 Pro/P50系列,以及部分脫離主流之外的蘋果),但未來還是會有主流旗艦更小畫素的影像感測器問世,包括三星規劃中0.64μm/0.56μm尺寸的CIS。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

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