在今年二月舉行的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)期間，Sony宣布推出“業(yè)界首款配備DRAM的三層堆棧式CMOS影像傳感器”，這款型號(hào)為IMX400的三層堆棧式感光組件(Exmor RS)是專(zhuān)為智能手機(jī)而打造的。電子制作模塊
在今年二月舉行的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)期間，Sony宣布推出“業(yè)界首款配備DRAM的三層堆棧式CMOS影像傳感器”，這款型號(hào)為IMX400的三層堆棧式感光組件(Exmor RS)是專(zhuān)為智能手機(jī)而打造的。
為了加速影像數(shù)據(jù)處理，業(yè)界多年來(lái)一直流傳著在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)影像傳感器中配備嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(DRAM)的種種消息，但至今尚未看到任何相關(guān)產(chǎn)品投入生產(chǎn)或?qū)嶋H上市。
Sony在ISSCC會(huì)議上發(fā)表的研究論文揭露了新款感光組件的相關(guān)細(xì)節(jié)，它確實(shí)看來(lái)像是真有那么回事，這當(dāng)然馬上引起了我們?cè)赥echInsights的影像傳感器專(zhuān)家們的關(guān)注。接著，Sony在其后舉行的全球行動(dòng)通訊大會(huì)(Mobile World Congress；MWC)確認(rèn)了該組件的生產(chǎn)狀況，并宣布其Xperia XZ Premium和Xperia XZ兩款旗艦級(jí)智能手機(jī)搭載了具有960fps畫(huà)面更新率的Motion Eye相機(jī)模塊。
我們盡可能地在Xperia XZ手機(jī)一上市就立刻入手，并橫切其后置相機(jī)芯片進(jìn)行觀察。沒(méi)想到它真的是三層堆棧的感光組件！這款CMOS影像傳感器(CIS)被面對(duì)背地安裝在DRAM上，使得DRAM與影像訊號(hào)處理器(ISP)面對(duì)面接在一起。
圖1：Sony三層堆棧式CMOS影像傳感器的芯片橫截面
然而，我們似乎是超之過(guò)急了，因此，讓我們先來(lái)看看Sony的新聞稿以及在ISSCC發(fā)表的論文細(xì)節(jié)吧！
圖2：Sony CMOS影像傳感器的訊號(hào)路徑方塊圖
Sony在其較早的19Mp影像傳感器中使用雙模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，為畫(huà)素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化。而今，該公司使用4層ADC的結(jié)構(gòu)提高讀取速度，同時(shí)也改善了處理能力。DRAM則用于暫時(shí)儲(chǔ)存高速數(shù)據(jù)，然后再以傳感器接口的最佳速率輸出。該設(shè)計(jì)使其能以1/120秒讀取1,930萬(wàn)畫(huà)素的靜態(tài)影像，而在影片模式下可達(dá)到1,000fps的畫(huà)面更新率，較以往產(chǎn)品的靜態(tài)影像與動(dòng)態(tài)影片分別提高了4倍和8倍的速度。
由于在CIS和ISP之間加進(jìn)了DRAM夾層，高速數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)內(nèi)存芯片才能到達(dá)ISP，然后再以適于應(yīng)用處理器的常規(guī)速度，來(lái)回傳送直到經(jīng)由ISP的I/F接口區(qū)塊進(jìn)行輸出。
圖3：Sony新開(kāi)發(fā)配備DRAM的三層堆棧式CMOS影像傳感器
圖3是這種傳感器運(yùn)作原理的精簡(jiǎn)版；但在Sony發(fā)表的論文中有更詳細(xì)的介紹，包括960fps如何成像以及慢動(dòng)作的工作原理。
根據(jù)該論文解釋?zhuān)?huà)素?cái)?shù)組位于裸晶的頂層，DRAM數(shù)組和列驅(qū)動(dòng)器位于中間，其余的區(qū)塊則位于底部的ISP裸晶。我們尚未取得這三層裸晶的照片，但該論文中提供了一些影像。
圖4：Sony的原理圖中顯示CIS、DRAM與ISP三層堆棧
Sony并指出，該CIS采用90nm制程(1 Al/5 Cu)技術(shù)制造，DRAM是1Gb、30nm的(3 Al/1 W)組件，ISP組件(1 Al/6 Cu)則采用40nm制程。要將各種必要的功能加進(jìn)相同尺寸的3個(gè)裸晶，而又不至于浪費(fèi)芯片面積，無(wú)疑是一大挑戰(zhàn)。
由于DRAM裸晶上還有CIS列驅(qū)動(dòng)器，因此必須采用客制組件設(shè)計(jì)，而非我們?cè)诮陙?lái)看到以硅穿孔(TSV)封裝的商用DRAM。Sony的芯片橫截面圖并顯示，裸晶中央有一層厚重的氧化物以及適于讓TVS從上方CIS向下連接的接合焊墊。
圖5：三層堆棧式影像傳感器芯片橫截面 （來(lái)源：Sony）
我們還可以看到(在比例尺準(zhǔn)確的前提下)，CIS和DRAM裸晶基板已經(jīng)被削薄至小于2.6μm了，這在背照式CIS (BI-CIS)是十分常見(jiàn)的，但卻是我們所見(jiàn)過(guò)最薄的DRAM。從我們自己所拍攝的影像(圖5)可證實(shí)CIS和DRAM的芯片厚度相同，而且也可以看到接合焊墊。
因此，接下來(lái)的問(wèn)題就是——TSV如何在此堆棧中形成？我們的第一款芯片橫截面才剛從實(shí)驗(yàn)室完成，看起來(lái)相當(dāng)令人熟悉。CIS/DRAM的互連似乎是Sony上一代背照式BI-CIS組件中的TSV形式之一(圖6)。
圖6：CIS/DRAM互連采用上一代BI-CIS的TSV形式？
此處可看到兩層TSV將CIS中看起來(lái)像6金屬的堆棧連接至DRAM裸晶的M1。我們并未擴(kuò)展TSV直接連接CIS與ISP的橫截面圖，不過(guò)也存在TSV穿過(guò)DRAM連接至ISP頂部金屬的情形。
圖7：CIS與ISP之間能以DRAM接合點(diǎn)進(jìn)行連接？
CIS/ISP的連接似乎可以采用DRAM接合焊墊層作為互連，以避免在完整的堆棧形成后還得在兩個(gè)裸晶間進(jìn)行鉆孔的挑戰(zhàn)。
對(duì)于IMX400的進(jìn)一步分析正持續(xù)進(jìn)行中，隨著時(shí)間的進(jìn)展，我們很快地就能夠掌握有關(guān)CIS本身及其封裝堆棧的細(xì)節(jié)。以產(chǎn)業(yè)的觀點(diǎn)來(lái)看，Sony可說(shuō)是再次將手機(jī)相機(jī)的功能推至極限。不過(guò)，在今年稍晚將會(huì)出現(xiàn)的一大疑問(wèn)是——我們將在下一代iPhone中看到這款感光組件嗎？
