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不争2亿像素,那争什么?今年手机CIS技术趋势总结

时间:2021-12-02 09:23:55 作者:黄烨锋 阅读:
手机摄像头CIS(CMOS图像传感器)自从突破1亿像素以后,再谈像素数量增大,似乎已经很难让市场产生激烈反应了。这两年电子工程专辑对于手机摄像头CIS,以及更多领域不同类型的图像/视觉传感器(如ToF、基于事件的视觉传感器),都在做技术上的追踪。
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手机摄像头CIS(CMOS图像传感器)自从突破1亿像素以后,再谈像素数量增大,似乎已经很难让市场产生激烈反应了。这两年电子工程专辑对于手机摄像头CIS,以及更多领域不同类型的图像/视觉传感器(如ToF、基于事件的视觉传感器),都在做技术上的追踪。

单就手机摄像头CIS而言,高像素追逐战是已经告一段落的,尤其是现在某些高端Android拍照旗舰手机,已经倾向于采用大像素、大尺寸的CIS,而不再刻意追求高像素。

前年我们写过一篇手机CIS技术的总结文章,后续也有更细致的技术热点追踪。现在是时候再做一波总结了。恰好上个月,主要针对的是手机CIS、近红外图像传感器和ToF传感器。基于此,我们可以简单梳理近2年来,移动成像CIS的技术发展现状。似乎这些技术趋势,仍然是不断围绕日益缩小的像素尺寸展开的。

几个主要技术点

前年的文章大致已经搭建起了手机CIS技术发展热点的框架,现在的发展方向是个延续。今年TechInsights的这份报告也更像是个现状总结报告,大部分算是“旧闻”集合。不过其中集结了大量TechInsights逆向拆解报告的某些图文资料,对于我们理解手机、移动成像CIS的技术也仍然很有帮助。

值得一提的是,之所以将手机摄像头CIS单独拿出来说,是因为手机乃是CIS产品目前最大的应用市场。主要应用于手机的移动CIS,占到整个CIS市场的大约70%。有关移动成像CIS相关技术的基础知识,建议阅读此前的文章,本文不再对其中的大部分技术名词、概念做解释。

从众所周知的大方向来说,移动成像CIS技术热门仍在于背照式(BSI,Back-Illuminated)与堆栈式(Stacked)结构。TechInsights的数据显示,背照式+堆栈式CIS占到手机CIS总量的将近90%。

从这张图来看,近5年背照+堆栈CIS的产品占比一直都是比较高的。其中3层堆叠(3-die)的CIS其实也并没有发生什么崛起式的市场革新——前不久我们撰文总结过索尼对于堆栈式CIS未来技术的发展预期,3层堆叠大概会在技术愈发成熟后走向普及。不过前照式(FSI)CIS在手机市场上似乎已经不见踪影。

背照式+堆栈式结构对于CIS而言,最直观的一个收益,就是像素die上的感光区域利用率显著提高。因为很多逻辑电路结构都移到像素后方或者下层去了,那么可用于感光的像素区域自然就变大了。这对于手机CIS走向高像素、小像素的大趋势,是必然选择。

上面这张图是自2013年以来堆栈式CIS产品中,活跃CIS区域(可理解为用于感光的像素区域)和总的CIS die面积之比。大趋势自然是越来越高的,即用于感光的CIS面积占比越来越高,这两年已经较大程度超过了80%。

除了堆栈+背照这种结构上已经被说烂的点,其余技术发展的几个方向包括了,(1)单像素尺寸变小;(2)向CIS与ISP之间的像素级互联演进(图像传感器的像素die与逻辑die之间的互联);(3)由于像素变小,PDAF(相位检测自动对焦)的演进;(4)由于像素变小,CIS像素之上的色彩滤镜阵列(CFA)的变化。

感觉这几个技术方向其实也都老生常谈了,或者说市场和分析机构的关注点,大致就在此了。

像素尺寸继续变小

当年TechInsights最早做出手机CIS像素尺寸在变小的趋势论断,还是让很多技术爱好者震惊的。因为CIS并不像数字电路的摩尔定律那样,会受惠于更小的像素结构;小像素也的确不利于感光。

但事实就是,这么多年来手机CIS(甚至包括微单/单反的全画幅CIS)的像素就是在不断变小,不管这是技术使然还是市场使然。毕竟此前这些年,从上至下都有着更高像素的市场需求,那么像素当然要做小。

像素上表面变小了,像素阱容就会变小,那么就要把纵向Active Si厚度做大(Active Si厚度可以理解为像素这口井的深度)。上面这张图中,蓝色点代表不同尺寸的像素(当前已经量产的CIS的最小像素是0.7μm),Active Si厚度的变化。橙色点则是厚度与像素尺寸之比(厚径比)。

这张图的横轴主要代表像素尺寸变化。不过另一方面,基于这些年像素尺寸在逐渐缩小,横轴实际上也可以一定程度代表时间的推移。

目前Active Si厚度与像素尺寸之比,最高的CIS是三星GW3,如上图中的左图所示。这是个6400万像素、0.7μm单像素尺寸的图像传感器。其active Si厚度是4.1μm。上面这张图右边比较的是Omnivision的OV64B。这两颗CIS在目前的智能手机市场上也是比较具有代表性的。

有个题外话,前不久我们采访Prophesee CEO Luca Verre的时候,特别问过他为什么基于事件的视觉传感器(event-based vision sensor)像素尺寸比一般CIS的像素尺寸大那么多。他回答说基于事件的传感器,像素复杂性在于level crossing sampling电路,每个电路需要一定数量的晶体管。

TechInsights这次的报告,有个统计维度是Teff(每个像素的有效晶体管),不仅统计了不同应用的普通CIS,包括手机、相机、汽车、安防等;也统计了基于事件的传感器、ToF这些比较特殊的图像/视觉传感器。

不同应用的单像素晶体管数量还是有比较大的差别的。i-ToF和基于事件的传感器通常有着更多的单像素有效晶体管数量。尤其是基于事件的传感器,这一例中52 T的传感器,就来自索尼和Prophesee合作的传感器产品。这类传感器有着更高的像素复杂度,比如说像素内的time stamp、信号强度的Log采集等。

但也正如此前我们谈到的,基于事件的视觉传感器也受惠于背照式和堆栈式技术,才使得其像素能够进一步做小。Luca Verre也认为将来基于事件的视觉传感器像素会变得更小

多层堆叠与像素级互联

CIS的多层堆叠是趋势,这一点我们也提过很多次了。更具体的趋势则是,互联密度的提升——这和许多数字芯片的先进封装路线似乎也比较一致。die或者chip垂直堆叠是需要做互联的。

更小间距的TSV/DBI(硅通孔/直接键合互联)互联必然是个趋势和常规。在互联间距不断缩小的过程中,缩减至像素级别的互联,是个发展方向。此前的分析文章也详细谈过,像素级互联对于全局快门、高速输出等方面的价值。

这张图是2014-2021年之间,Cu-Cu混合bonding的DBI互联间距变化。TechInsights提到,目前已知用于行/列互联的最小TSV/DBI间距是3.1μm。die之间堆叠,外围的行/列互联仍然是现在的主流方案。

像素级互联仍然是相当少见的。TechInsights数据库中,仅有3款已经商用的、采用了像素级互联的图像传感器:分别是iPad Pro的ToF摄像头之上、来自索尼的SPAD传感器(150x200),以及索尼SensSWIR IMX990/991 VGA传感器,和Omnivision OG01A1B(100万像素)。

其中Omnivision OG01A1B的DBI互联间距最小,达到了2.2μm(上图左)。

PDAF对焦技术这些年在变

PDAF相位检测对焦,好像也是图像传感器厂商宣传的重点,大概是在上面花的时间也很多。毕竟DxO这种机构针对移动设备的评测,也相当看重手机摄像头的对焦性能。

随像素尺寸本身在变小,PDAF像素结构也在发生变化。要维持对焦像素高输出信号,这种变化是必然的。主流的PDAF方案包括masked PDAF、DP(Dual Photodiode)、OCL(On-Chip Lens)。前两者面向的主要是更低分辨率、更大像素尺寸的图像传感器。后者对小于1.0μm单像素尺寸的图像传感器很适用。(不过三星GM1、GD1,其实也在用masked PDAF方案,这俩都是0.8μm单像素的图像传感器)

上面这张图的横轴表示单像素尺寸,纵轴表示CIS的分辨率(像素数量)。OCL是这两年被提及比较多的一种方案,此前我们已经撰文探讨过,尤其是索尼现在在宣传的2x2 OCL。

OCL的特点就在于不需要牺牲CIS的感光性能,这对小至0.7μm像素尺寸的传感器很有价值。TechInsights表示,预计未来0.6μm单像素尺寸的CIS仍然会有这种PDAF方案。

2x2 OCL结构是每个micro-len覆盖4个像素,来达成两个方向的PDAF对焦。上图是来自TechInsights观察到不同传感器产品的OCL方案。其中图(a)是Omniverse的OV64B;图(b)是三星HM1、HM2、HM3的方案——把两个临近的2x1 OCL结合,来达成2x2效果。三星这几例方案的PDAF单元密度为32:1或36:1。

索尼的方案比较激进(图(c)),2x2 OCL是完全覆盖了整个CIS的,包括IMX689、IMX766、IMX789皆如此。这种完整覆盖传感器的相位对焦方案,理论上也能够达成在拍照时最高的对焦效率。

除此之外的DP PDAF方案,针对的主要还是更大的像素,毕竟DP需要把每个像素一分为二,做像素内的深槽隔离。索尼和三星现在主流、应用于旗舰手机的5000万像素CIS都在用PD对焦方案(IMX700、GN2)。

这里面比较有特色的,是三星GN2:即针对绿色像素,以深槽隔离DTI来斜着切分像素,适配更多场景的自动对焦。这一点,我们此前也撰文介绍过

拜耳滤镜之外的多样化

CFA(Color Filter Array)这些年的发展,事实上也是由像素变小引发的。尤其像素小了以后,低光环境的感光能力下降,在CFA方面多有找补。所谓的color filter色彩滤镜,也就是每个像素前方负责过滤特定光谱的filter,让像素有了感知色彩的能力。

所以在传统拜耳滤镜阵列(包括RGGB、RYYB、RCCB等排列方式)之外,延伸出了更多的CFA排列方式。这也不是什么新鲜事了,毕竟索尼QuadBayer、三星Tetracell之类的概念前几年也在不停教育市场。

根据单像素尺寸变化,当前一些主流的CFA排列方式如上图所示。这其中的绿点代表的CFA排列,就是更多人所熟知的每4个像素为一组(四合一),来感知同一种色彩。这种像素分组的策略,就像是扩大了像素尺寸一样,也就提升了暗光环境下的感光能力。

三星在1亿像素传感器(HM1/HM2/HM3)采用的是3x3像素分组方案,即9个像素为一组(九合一),并将其命名为Nanocell。可见像素越小,对于像素分组数量的要求也随之提高。

实际上2019年,索尼针对IMX608的CFA排列,采用了4x4分组方案(即华为Mate30 Pro摄像头的那颗CIS,十六合一)。对应的其CFA单色滤镜的跨度达到了4.48μm,所以宣传中说十六合一的4.48μm大像素。

TechInsights认为,未来随着像素的进一步缩小,我们会看到更多3x3、4x4 CFA方案。

更多有关近红外感知、ToF传感器方面的资料,还是建议去看一看TechInsights的这份报告原文。本文主要谈的是摄影向的CIS,所以这部分内容就不去做总结了。

总的来说,这些技术主要围绕的核心,仍然是不断变小的像素尺寸,包括堆栈式、背照式,PDAF像素结构,以及CFA排列方式的变化。好像在抽象层面,也没什么太大惊喜。

虽说当代旗舰手机部分在用像素稍大一些的CIS(比如vivo X70 Pro、华为Mate40 Pro/P50系列;以及部分脱离主流之外的苹果),但未来还是会有主流旗舰更小像素的图像传感器问世,包括三星规划中0.64μm/0.56μm尺寸的CIS。

  • Nice copy of the TechInsights findings..
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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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