CIS：摄像头繁荣的背后推手

作者：泛林集团客户支持事业部战略营销高级总监David Haynes

提到科技，身处半导体行业的我们往往会想到电子工业的主要驱动力：互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑和存储器。绝大多数电子产品的生产制造都会使用到泛林集团的设备，然而，要想打造有实用价值的系统，我们往往还需要借助很多其他的特种技术，其中包括很多涉及到人机互动的技术，例如：

• 各种传感器，例如CMOS图像传感器（CIS）和微电子机械系统（MEMS）
• 用于发送和接收无线信号的射频（RF）电路
• 电力电子设备，其内置器件包括金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和双极CMOS-双扩散MOS集成电路（BCD）
• 各种光学器件，例如显示器和光子元件

这些技术关系到商业、工业和汽车市场中的各种系统。最近备受关注的物联网器件和蜂窝技术（尤其是5G）就广泛采用了各种特种技术。据估计，到2023年，这些市场将占到全球集成电路总需求的30％。（数据来源：2019年IC Insights、McClean和OSD Reports）

备受关注的摄像头

在所有传感器中，CIS器件的重要性日益突显。随着消费者手中的智能手机开始配备越来越多的摄像头，这个曾经用来“锦上添花”的功能如今已经成为了各类手机营销中的主要卖点。举例来说，在2017年iPhone X发布会上，苹果只用了大约10%的时间来介绍其相机功能; 而两年后的iPhone 11发布会，全场有近一半（49%）的时间都在介绍其相机功能如何强大。

未来随着高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶的发展，汽车将广泛配备更多不同类型的摄像头（除了雷达和/或激光雷达之外）。为了消除盲区并让驾驶员和自动驾驶系统更好地了解周围情况，最终车身四周很可能遍布摄像头。

据预计，CIS市场规模将在未来几年间大幅增长，到2024年的年均复合增长率（CAGR）可达6.6%。在增长迅猛的细分领域，CIS需求量的增长远不止此——在消费产品、安全设备和汽车行业，CIS市场规模的年均复合增长率可分别达到24.6%、17.1%和14.1%。（来源：Yole）

某些CIS器件用于记录可见光线，其他一些则属于红外（IR） 或近红外（NIR）相机元件，记录可见光的设备可提供识别周围环境和物体的视频流。而红外CIS就包括最近越来越流行的面部识别相机，它们可以利用结构光在黑暗条件下识别人脸。

打造最好的CIS芯片

早期的CIS芯片需要从顶部或前部捕获射入的光线，这也是让光子穿过薄硅层到达传感设备最常见的方法，但其缺点在于金属喷镀和其他芯片器件可能阻隔部分光线，导致传感器只能捕获可以绕过这些障碍的光线。

为解决这个问题，较新的CIS设备都改成从背面接收光线，这样就可以避开上述障碍物。但较厚的晶圆会打散和吸收部分光线，所以，采用这种方法意味着晶片的背面必须足够薄，才能最大限度地捕获光子。随着芯片集成度的提高，人们也开始以堆叠方式将图像传感器与存储器和其他逻辑元件封装在一起。在改成从背面接收光线后，可以将CIS芯片的前部与其他晶圆结合，而不会影响到对光的感测。

然而，要做到这一点，还需要用到许多先进的技术以真正实现最高效的光线捕捉，其中最突出的两个技术实例就是深槽隔离技术（DTI）和硅穿孔（TSV）。

DTI的作用是更有效地隔离相邻的像素电路。在进入像素之后，光子可能会分散并向周围移动， 即离开原本的像素而进入相邻像素。在分辨率较高的设备中，这种在像素间的光子移动会导致模糊的观感。而DTI能够在相邻像素之间建立隔离墙，将光子关在像素内部并由此生成清晰度更高的图片。

TSV则是晶片堆叠所需的基础性技术。所有金属连接线和传统焊盘都是布置在晶片的正面，所以将两个芯片的正面放在一起时，芯片间可以实现互通信号。然而芯片的背面并不布置任何线路，如果要将一个芯片的背面与另一个芯片的任意一面相连，必须要用某种方法将前一个芯片上的信号从其正面传递到背面才能实现信号互通。TSV就是从硅衬底钻通的金属导电通道。

DTI和TSV都属于精度和细度要求较高的先进工艺，而实现此类工艺正是泛林集团的专长。随着CIS市场的增长，实现此类技术所需设备的需求预计将大幅提升。尽管CIS和其他特种技术受到的关注不能与主流技术相比，但我们在未来几年将看到它们在系统应用中相同的重要性。