索尼图像传感器的下一站 | 半导体行业观察

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索尼图像传感器的下一站 | 半导体行业观察

来源:本文由微信公众号 半导体行业观察(ID:icbank)原创。

靠着早几十年在消费电子产品方面的持续高质量输出,索尼在粉丝之间积累了大量的人气,也获得了一个众所周知的“索尼大法好”这句野生口号。但除了终端产品以外,索尼在半导体领域的地位也不遑多让。

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根据Gartner统计的数据显示,在2005年以前,索尼半导体常年出现在全球半导体厂商前二十的榜单上,后来随着韩国半导体的崛起,美国的卷土重来,索尼半导体也随着日本半导体产业的整体下滑而跌出了这个榜单。但在最近几年智能手机的浪潮中,索尼凭借CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor,简称CIS)强势回归榜单,且有越战越勇之势。最近,他们将目光瞄向了车载和TOF传感器。

从收音机配件供应商到CIS龙头

1945年,索尼创始人井深大在东京创立了“东京通信研究所”,这就是索尼公司的前身。在成立的前十年,索尼的发展都不尽如人意,但邀请到盛田昭夫的加入,为索尼的未来发展奠定了基础。到了1955年,他们投入研究当时不被看好的晶体管技术,并开发出了日本第一部晶体管收音机TR-55,随之在1958年改名“索尼株式会社”。这个名字也就一直沿用至今。

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索尼 TR=55的内部构造

成立的第二个十年,索尼便靠领先于世界的半导体收音机、录音、警惕收音机和固态电路的家用电视机在全球打响了名堂。后来在WALKMAN、CD、电视机等一列的产品助攻下,逐渐建立了“索尼大法”的威名,并将自己的半导体业务发展到全球的领先水平,业绩也持续上涨,专注的范围也在转变:

回顾索尼1990年的财报,他们主要专注于SRAM和CCD等业务;到2000年,则是电子元器件和LCD面板等产品;到了2007年,他们的财报再次强调了对CIS的投入。

财报中表示:“由于移动手机和视频摄像机的出货量增长明显,CIS的需求正处在上升期,索尼会加强在这方面业务的研发”。

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索尼2007年财报对CMOS传感器和OLED的描述

现在回看,索尼当时的决策是很明智的决定。因为2007年乔布斯发布了第一款全触屏的智能手机iPhone,并引爆了智能手机的发展潮流。这些手机除了从交互上带来革命性的体验,还搭配了摄像头。随后几年智能机的爆发性增长,CIS的出货量也水涨船高,成就了今日的索尼。但当时能有这个眼光,且有如此强的执行力,这才是索尼CIS成功的关键。

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CIS的营收趋势图(source:Yole Développement)

作为对比,在当年财报里,索尼还提到了要关注OLED,他们认为这是下一代显示的重要技术。但JDI(整合了索尼、东芝与日立的中小型屏幕的公司)的现状再次证明,有眼光只是成功的必要非充分条件,有好的技术迭代方向和执行力才是成功的关键:

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过去十年苹果iPhone的CIS变化(source:techinsights)

例如,在苹果发布的第一代iPhone上用的是Micron传感器,然后到iPhone 3GS换了供应商,但只是换到了豪威科技。直到2011年的iPhone 4S,苹果才用上了SONY的CIS,也就是从那时候开始,SONY才开始逐渐征服了高端客户,现在的高端机几乎都毫不例外地使用SONY的传感器,也给SONY获取了高额的利润和遥遥领先的市场份额。俨然CIS领域的龙头。

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2016年CIS的营收分布(source:Yole Développement)

根据Yole Développement的数据显示,索尼CMOS图像传感器2016年的营收为4.858亿美元,占了当年CIS总营收的42%的份额。而紧随其后的三星和豪威科技的份额仅有18%和12%,可见索尼在CIS上是绝对垄断的。

根据索尼预计,其2017财年(截止到2018年3月底)的营业利润将达到6300亿日元(约56亿美元),比去年同期增长一倍以上,其中半导体部门(大部分由影像传感器业务组成) 将成为公司业绩增长的最大的贡献者。

独占CIS市场的资本

索尼的传感器业务其实已经存在很多年了,CIS是他们过去研发相机用的CCD技术上的积累。这也是他们在2007年推出了Exmor系列首款传感器倍受欢迎的根本。而索尼领先于市场的首先在于他们在CIS中内置了ADC。

根据爱活网的报道,在外置ADC传感器传输数据时,每列像素产生的信号先通过降噪电路,汇聚后再通过外部总线传输到单个或数个ADC之中。而Exmor每列像素拥有独立的ADC,在CIS芯片上即可完成模数转换,最后通过数字总线传输出去。由于Exmor的ADC数量非常庞大,每个ADC能在低频率下运行,仅达到kHz级别,远远低于外置ADC的MHz级别,有效减少了噪声,也利于实现高速读取。而且Exmor输出的是数字信号,抗干扰性更好,易于长距离布线,亦无须ADC靠近CIS布置,大幅度简化了PCB设计。

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Exmor传感器与传统CIS的不同

另外,他们在2012年推出的堆栈式Exmor RS系列芯片,是他们获得现在成绩的另一个关键。

据介绍,在这种两颗芯片的堆栈式结构中,顶部的那一颗芯片是用来捕捉图像像素,底部的另一颗芯片则用来布置传感器的电路。这样可以将顶部的感光元件面积做得更大,就大大提升了传感器的感光性能,画质也自然而然地提高。这也是索尼当时能够打败豪威科技,获得了iPhone 4S订单的关键。

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背照式传感器和堆栈式传感器的区别

要说清楚索尼这个技术的优势,首先要了解一下传统CMOS图像传感器的工作原理。

一般的CMOS都由片上透镜(microlenses)、彩色滤光片(On-chip color filters)、金属排线、光电二极管和基板几部分组成。而传统的CMOS是下图左边的前照式。当光线射入像素,经过了片上透镜和彩色滤光片后,先通过金属排线层,最后光线才被光电二极管接收。

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而大家都知道金属是不透光的,甚至还会反光。因此在金属排线这层光线就会被部分阻挡和反射掉,光电二极管吸收的光线能就只有刚进来的时候的70%或更少;而且这反射还有可能串扰旁边的像素,导致颜色失真。(目前中低档的CMOS排线层所用金属是比较廉价的铝(Al),铝对整个可见光波段(380~780nm)基本保持90%左右的反射率。),这就催生了被找事CMOS。因为它的排线层和光电二极管的位置和“前照式”正好颠倒,光线几乎没有阻挡和干扰地就下到光电二极管,光线利用率极高,所以背照式CMOS传感器能更好的利用照射入的光线,在低照度环境下成像质量也就更好了。

索尼本来为了节省体积而设计的堆栈式CIS,却意外带来了质量的提升。这就与传感器的制造过程不无关系。

跟CPU一样,CMOS传感器的制造也需要光刻机对硅晶圆进行时刻行程像素区和电路区,同时为了提高像素集合光的效率,还需要“干刻”光波导管,这时候就对CMOS造成了损伤。为了把CMOS从损伤中恢复过来。就引入了“退火”程序,在这过程中就需要对整块CMOS加热,这时候就会对电路造成印象。因此堆栈式的设计将像素区和电路区分离,就避免了这个问题。

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两种模式处理电路的不同打造方式

索尼这个堆栈式方案还有一个突破,那就是通过基板,实现像素区和电路区的不同工艺制造,将两者的质量提高到最大化。具体做法是先用SOI和基板的热传导系数差异,通过加热将像素区和电路区分开,然后使用不同的工艺加工,加工完之后平在一起,就完成了完美的堆栈式CIS制造。

这种设计不但继承了背照式的有点,还克服了制造商的限制缺陷,成就了索尼CSI今天的地位。

现在的堆栈式传感器已经成为了手机摄像头的主流CIS。索尼更是再接再厉,在2017年2月推出了业界首款配备DRAM的三层堆栈式CMOS影像传感器IMX400。据他们在ISSCC2017的论文中介绍,这个新型CIS的像素数组位于裸晶的顶层,DRAM数组和列驱动器位于中间,其余的区块则位于底部的ISP裸晶。加入了DRAM能够大大提升数据的读取速度,满足高质量照片的拍摄更多方向的需求。

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Sony新开发配备DRAM的三层堆栈式CMOS影像传感器

未来看好车载和TOF传感器

随着手机双摄成为主流,移动手机市场的CIS还会是索尼未来成长的主要动力,但正如索尼半导体业务负责人Shimizu在接受路透社采访时表示:“显然,我们目前依赖智能手机市场,单个摄像头转向双镜头的市场发展,对我们非常有利,不过这只带来1%或2%的市场增长,所以这种红利能持续多久(未来仍面临挑战)?”

为此,正如十年前iPhone面世索尼加强CIS研发一样,索尼正在根据新趋势布局新的市场,车载和TOF传感器就是他们的下一个目标。

首先在汽车领域,随着智能汽车和自动驾驶汽车逐渐火热,汽车中引入的摄像头越来越多,这就带动汽车CMOS图像传感器的增长需求。据IC Insights预测,汽车电子将成为CMOS图像传感器市场增长最快的领域,2016-2021年复合增长率达到14%,销售将达到23亿美元。为此索尼正在投入其中。

其实索尼在2014年就推出了其首款车载影像传感器IMX224MQV,但一直没有太多的进展。到了去年10月,他们又推出了业界最高分辨率最高的车载堆叠型CMOS影像传感器“IMX324”,该传感器搭载于先进驾驶辅助系统(ADAS)前端的传感照相机,有效像素高达742万。此次也是业界首次在车载影像传感器中采用像素与信号处理部分相结合的堆叠结构,同时实现了高精度成像、小尺寸和低能耗。

索尼总裁兼首席执行官平井一夫在日前举办的CES上表示,将面向未来,为实现深度自动驾驶而努力。但从目前来看,索尼离第一的安森美还有很大的差距。

据公开资料显示,在收购了Aptina Imaging以后,安森美在汽车CMOS图像床干起的市场份额已经高达46%,他们在LMF技术、堆叠晶圆技术和全局快门技术方面的积累,让他们筑起了汽车电子的护城河。对于这个市场排名第四的村田来说,需要做的事还很多。

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汽车CMOS传感器市场

TOF传感器则是索尼关注的另一个重点。谈这个之前首先谈一下3D传感这个随着iPhone X发布而火爆全球的概念。所谓3D传感,就是通过光学元件发出的不可见红外光(这些元件将光线分布成一个结构模型或一片光线),系统能够捕获整个房间的纵向信息。获得这些信息之后,就可以延伸很多的应用,为此手机很多手机厂商都在争进这个方案。但围绕着当中的3D成像,有结构光、TOF和双目测距三种方案。TOF,也就是Time of Flight,亦即是是飞行时间因为体积小、误差小、直接输出深度数据、抗干扰强等优势获得了厂商的一致认可。索尼也不例外。

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iPhone X头部密集的传感器

在2015年10月,索尼宣布收购比利时测距影像传感器技术公司 Softkinetic Systems S.A.,目标就是该公司所拥有的Time-of-Flight (下称ToF)测距影像传感器技术。2017年12月,索尼宣布面向市场正式推出背照式飞行时间(下称ToF)测距传感器IMX456QL,该传感器较前代产品测距性能进一步提高,同时体积减小,仅为1 / 2英寸,并拥有VGA分辨率,能在以10微米为像素间距进行开发,使结构更为紧凑,远近距离均能精确测距。索尼认为这个产品能在自主型机器人、无人机、VR(虚拟现实)外,AR(增强现实)/MR(混合现实)等市场的应用提供更多的额想象空间。但在TOF传感器这方面,ST也有很大的领先优势。

传统手机CIS业务,三星ISOCELL技术来势汹汹。新兴业务强者林立,对索尼来说,未来面临的是一场困难的攻坚战,不知道爱笑的平井一夫准备好了没有。

文/半导体行业观察 李寿鹏

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1470期内容,欢迎关注。

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