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揭密Sony三层堆栈式CMOS影像传感器

时间:2017-07-13 作者:Dick James,TechInsights荣誉研究员 阅读:
Sony在日前的ISSCC上发表了一款看来像是真的3层堆栈式CMOS传感器组件的细节,这马上就引起了我们在TechInsights的影像传感器专家们的兴趣...

在今年二月举行的国际固态电路会议(ISSCC)期间,Sony宣布推出“业界首款配备DRAM的三层堆栈式CMOS影像传感器”,这款型号为IMX400的三层堆栈式感光组件(Exmor RS)是专为智能型手机而打造的。

为了加速影像数据处理,业界多年来一直流传着在互补金属氧化物半导体(CMOS)影像传感器中配备嵌入式动态随机存取内存(DRAM)的种种消息,但至今尚未看到任何相关产品投入生产或实际上市。

Sony在ISSCC会议上发表的研究论文揭露了新款感光组件的相关细节,它确实看来像是真有那么回事,这当然马上引起了我们在TechInsights的影像传感器专家们的关注。接着,Sony在其后举行的全球行动通讯大会(Mobile World Congress;MWC)确认了该组件的生产状况,并宣布其Xperia XZ Premium和Xperia XZ两款旗舰级智能型手机搭载了具有960fps画面更新率的Motion Eye相机模块。

我们尽可能地在Xperia XZ手机一上市就立刻入手,并横切其后置相机芯片进行观察。没想到它真的是三层堆栈的感光组件!这款CMOS影像传感器(CIS)被面对背地安装在DRAM上,使得DRAM与影像讯号处理器(ISP)面对面接在一起。

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图1:Sony三层堆栈式CMOS影像传感器的芯片横截面

然而,我们似乎是超之过急了,因此,让我们先来看看Sony的新闻稿以及在ISSCC发表的论文细节吧!

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图2:Sony CMOS影像传感器的讯号路径方块图

Sony在其较早的19Mp影像传感器中使用双模拟/数字转换器(ADC),为画素数据进行数字化。而今,该公司使用4层ADC的结构提高读取速度,同时也改善了处理能力。DRAM则用于暂时储存高速数据,然后再以传感器接口的最佳速率输出。该设计使其能以1/120秒读取1,930万画素的静态影像,而在影片模式下可达到1,000fps的画面更新率,较以往产品的静态影像与动态影片分别提高了4倍和8倍的速度。

由于在CIS和ISP之间加进了DRAM夹层,高速数据必须经过内存芯片才能到达ISP,然后再以适于应用处理器的常规速度,来回传送直到经由ISP的I/F接口区块进行输出。

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图3:Sony新开发配备DRAM的三层堆栈式CMOS影像传感器

图3是这种传感器运作原理的精简版;但在Sony发表的论文中有更详细的介绍,包括960fps如何成像以及慢动作的工作原理。

根据该论文解释,画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。我们尚未取得这三层裸晶的照片,但该论文中提供了一些影像。

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图4:Sony的原理图中显示CIS、DRAM与ISP三层堆栈

Sony并指出,该CIS采用90nm制程(1 Al/5 Cu)技术制造,DRAM是1Gb、30nm的(3 Al/1 W)组件,ISP组件(1 Al/6 Cu)则采用40nm制程。要将各种必要的功能加进相同尺寸的3个裸晶,而又不至于浪费芯片面积,无疑是一大挑战。

由于DRAM裸晶上还有CIS列驱动器,因此必须采用客制组件设计,而非我们在近年来看到以硅穿孔(TSV)封装的商用DRAM。Sony的芯片横截面图并显示,裸晶中央有一层厚重的氧化物以及适于让TVS从上方CIS向下连接的接合焊垫。

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图5:三层堆栈式影像传感器芯片横截面 (来源:Sony)

我们还可以看到(在比例尺准确的前提下),CIS和DRAM裸晶基板已经被削薄至小于2.6μm了,这在背照式CIS (BI-CIS)是十分常见的,但却是我们所见过最薄的DRAM。从我们自己所拍摄的影像(图5)可证实CIS和DRAM的芯片厚度相同,而且也可以看到接合焊垫。

因此,接下来的问题就是——TSV如何在此堆栈中形成?我们的第一款芯片横截面才刚从实验室完成,看起来相当令人熟悉。CIS/DRAM的互连似乎是Sony上一代背照式BI-CIS组件中的TSV形式之一(图6)。

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图6:CIS/DRAM互连采用上一代BI-CIS的TSV形式?

此处可看到两层TSV将CIS中看起来像6金属的堆栈连接至DRAM裸晶的M1。我们并未扩展TSV直接连接CIS与ISP的横截面图,不过也存在TSV穿过DRAM连接至ISP顶部金属的情形。

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图7:CIS与ISP之间能以DRAM接合点进行连接?

CIS/ISP的连接似乎可以采用DRAM接合焊垫层作为互连,以避免在完整的堆栈形成后还得在两个裸晶间进行钻孔的挑战。

对于IMX400的进一步分析正持续进行中,随着时间的进展,我们很快地就能够掌握有关CIS本身及其封装堆栈的细节。以产业的观点来看,Sony可说是再次将手机相机的功能推至极限。不过,在今年稍晚将会出现的一大疑问是——我们将在下一代iPhone中看到这款感光组件吗?

(原文发表于EDN姐妹刊EE Times,参考链接:eetimes;Susan Hong编译)

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