手機CIS芯片告別大缺貨，BSI+Stacking+PDAF成標配

影像體驗一直是消費者購買(mǎi)智能手機時(shí)非常關(guān)注的一個(gè)特性，對高成像品質(zhì)的追求也推動(dòng)著(zhù)高品質(zhì)圖像傳感器的需求，高端CMOS圖像傳感器（CIS）一度成為手機產(chǎn)業(yè)鏈中的短板，造成下游終端廠(chǎng)商出貨受阻。雖然目前短板得以彌補，但CMOS圖像傳感器技術(shù)革新的步伐從來(lái)沒(méi)有停止。

　

更高像素、更小像素尺寸是CIS演進(jìn)方向

 

隨著(zhù)人們對高像素的不斷追求，智能手機的攝像頭像素也不斷走高。目前高端智能手機的后置攝像頭已達到13M，有些甚至16M、20M，相應的前置攝像頭像素多為5M和8M。對攝像頭參數的追逐，這導致13M的CMOS圖像傳感器一度缺貨。

 

 

北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司 董事長(cháng)陳杰

 

北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“思比科”）董事長(cháng)陳杰告訴記者，去年高品質(zhì)且能穩定量產(chǎn)1，300萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器的廠(chǎng)家只有SONY公司，而SONY公司因Apple需求大產(chǎn)能不能滿(mǎn)足整個(gè)市場(chǎng)需求，造成13M芯片大面積缺貨。不過(guò)，隨著(zhù)三星公司的13M產(chǎn)品也進(jìn)入穩定量產(chǎn)階段，填補了SONY的缺口。目前，SONY的13M產(chǎn)品產(chǎn)能也充足，缺貨問(wèn)題得到解決。

 

一直以來(lái)，圖像傳感器的中高端、高端市場(chǎng)被國外公司所占據，SONY、三星和OmniVision占據著(zhù)市場(chǎng)前三名，相關(guān)數據顯示，2014年這三家企業(yè)的市場(chǎng)占有率達到63％。中國廠(chǎng)商則主要耕耘在中低端市場(chǎng)。陳杰說(shuō)，在8M以上高端產(chǎn)品方面的工藝平臺方面，本土廠(chǎng)家與國外企業(yè)還存在較大差距。國外主流平臺是12‘，BSI或BSI+Stacking工藝，像素尺寸為1.12um。本土廠(chǎng)家平臺大多數是8’FSI工藝，像素尺寸為1.4um。他同時(shí)也指出，電路設計技術(shù)差距并不大，若有相同的工藝平臺支持，差距將大大縮小。

 

“目前中端智能機的后置攝像頭多為5M、8M，前置攝像頭多為2M、5M；低端智能機后攝像頭一般為2M、5M，前置攝像頭為0.3M和2M。”陳杰告訴記者，思比科可以自主開(kāi)發(fā)1.4um像素工藝，目前批量供貨的產(chǎn)品為8M、5M、2M和0.3M系列產(chǎn)品，產(chǎn)品定位為中低端智能機市場(chǎng)，以高性?xún)r(jià)比和良好的技術(shù)服務(wù)為主要競爭優(yōu)勢。他透露，下一步思比科將全面升級0.3M、2M、5M產(chǎn)品線(xiàn)，進(jìn)一步提升性?xún)r(jià)比優(yōu)勢，并將與合作伙伴合作推出高性?xún)r(jià)比13M產(chǎn)品。

 

當然，業(yè)界所追求的并非只是像素數量，還有像素尺寸。東芝電子（中國）有限公司系統LSI戰略策劃部技術(shù)總監金子武彥稱(chēng)，目前，智能手機上前置攝像頭8Mpix所占比例最大，并且前置攝像頭要求模組的高度要低，要求sensor的光學(xué)尺寸為1/4英寸，而非1/3英寸，換句話(huà)說(shuō)，像素尺寸1.12um、8Mpix為最大尺寸。后置攝像頭以13Mpix產(chǎn)品居多。目前，東芝量產(chǎn)產(chǎn)品最小像素尺寸為1.12um，其已將1.12um的單像素尺寸應用至8Mpix、13Mpix和16Mpix圖像傳感器。

 

安森美半導體圖像傳感器部移動(dòng)及消費副總裁兼總經(jīng)理Shung Chieh也表示，市場(chǎng)中很多CIS的像素尺寸已經(jīng)從2.0 um降至1.1 um，目前1.1 um是前置和后置攝像頭的主要像素尺寸，而且整體市場(chǎng)還在繼續轉向更小的像素尺寸。Shung Chieh直言，面向手機市場(chǎng)，安森美提供的產(chǎn)品系列，從2.8 um到1.1 um配以從VGA到1800萬(wàn)像素的分辨率，其中以1/3.2英寸、1300萬(wàn)像素產(chǎn)品系列最為重要，這系列產(chǎn)品具有領(lǐng)先的像素靈敏度、量子效率和低傳感器噪聲，提供高品質(zhì)的圖像。

 

“隨著(zhù)智能手機市場(chǎng)推動(dòng)圖像分辨率越來(lái)越高，要求像素尺寸越來(lái)越小，分辨率增加的愿望雖然不會(huì )停止但肯定會(huì )減慢。” Shung Chieh如是說(shuō)。

 

近年來(lái)，CIS領(lǐng)域不斷上演著(zhù)并購案，如安森美半導體在繼收購了Truesense Imaging和Cypress半導體的圖像傳感器業(yè)務(wù)之后，去年又收購了Aptina Imaging；今年OmniVision被中資機構所收購。“大者恒大”的局面在CIS領(lǐng)域一直在持續。陳杰稱(chēng)，手機市場(chǎng)高端CIS芯片被國際巨頭把控的格局在短期內將不會(huì )改變，中低端市場(chǎng)競爭將愈發(fā)激烈，產(chǎn)業(yè)可能面臨大的整合。

BSI+Stacking工藝嶄露頭角，PDAF成市場(chǎng)亮點(diǎn)

 

隨著(zhù)業(yè)界對更高分辨率、更小像素尺寸的追逐，CMOS圖像傳感器的技術(shù)革新也從來(lái)沒(méi)有停止。無(wú)疑，背照式成像技術(shù)(BSI)是一重大突破——支持更小像素尺寸和提高分辨率，不過(guò)，這還遠遠不夠。

 

值得注意的是，既要支持更小的像素尺寸，同時(shí)又不降低CIS整體的圖像品質(zhì)，這往往是一對矛盾體。陳杰表示，1.12um及更小像素，需要BSI或BSI+Stacking工藝支持。另外，全尺寸30fps預覽對Sensor的功耗要求也很高。因此，需要工藝和電路兩方面都要做好才行。金子武彥說(shuō)，要實(shí)現像素的小型化，確保靈敏度和飽和電子數的像素結構很重要。同時(shí)，為了確保顏色再現性和分辨率，需要相鄰的像素信號不混合的結構。

 

 

安森美半導體圖像傳感器部移動(dòng)及消費副總裁兼總經(jīng)理Shung Chieh

 

為了兼顧高分辨率、小像素尺寸和低功耗，不少企業(yè)正在或已開(kāi)發(fā)出堆棧技術(shù)。金子武彥稱(chēng)，目前東芝正在開(kāi)發(fā)一項堆棧技術(shù)，可在晶圓級別疊加圖像傳感器和邏輯電路。因為其不僅能改善圖像傳感器的高速讀取等性能，還能夠追加功能，因此提高了開(kāi)發(fā)出別具特色的產(chǎn)品的可能性。他透露，這項技術(shù)今后將應用于對高性能、多功能要求高的高端產(chǎn)品。另外，他還透露，以2016年產(chǎn)品化為目標，東芝正在開(kāi)發(fā)1.0um的像素。

 

安森美則已開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的堆疊技術(shù)。Shung Chieh稱(chēng)，將把堆疊技術(shù)用于未來(lái)產(chǎn)品，支持優(yōu)化像素性能和獨立支援電路。

 

除了堆棧技術(shù)，相位檢測自動(dòng)對焦（PDAF）也是廠(chǎng)家爭相推出的一項新技術(shù)。其實(shí)，在主傳感器中加入相位對焦像素在微單領(lǐng)域并不是什么新技術(shù)，但用在手機上卻是一大亮點(diǎn)。SONY、三星、OmniVision這三大圖像傳感器廠(chǎng)商已經(jīng)推出了相應的PDAF傳感器。據金子武彥透露，東芝帶PDAF像素的16Mpix新產(chǎn)品，將在今年第四季度開(kāi)始量產(chǎn)。

 

憑借工藝專(zhuān)長(cháng)和顏色濾波陣列(CFA)，安森美在今年也推出了PDAF技術(shù)，采用獨特的微鏡架構，可在微光下快速自動(dòng)對焦。Shung Chieh說(shuō)，安森美已付運的產(chǎn)品或提供的樣版，具有行業(yè)標準的Bayer顏色模式、更高靈敏度的Clarity+技術(shù)和PDAF技術(shù)。Clarity+技術(shù)是安森美2014年推出的一項技術(shù)，主要采用清晰的像素來(lái)提高傳感器靈敏度，用于更好的微光成像。Shung Chieh透露，目前安森美正致力于下一代像素技術(shù)，更低功耗、更快速度和更好噪聲性能的高性能設計架構已在開(kāi)發(fā)中。未來(lái)還將探索結合這些技術(shù)，開(kāi)發(fā)新技術(shù)并無(wú)縫集成安森美其它技術(shù)和產(chǎn)品。

 

目前，iPhone 6、三星S5、 vivo X5Pro、OPPO R7等不少手機已經(jīng)引入相位檢測自動(dòng)對焦技術(shù)。相信不久的將來(lái)，會(huì )有越來(lái)越多的手機搭載這一技術(shù)。

 

 

新興應用蘊藏新商機 廠(chǎng)商多點(diǎn)布局

 

無(wú)疑，手機攝像頭一直是CIS最重要、也是最大的應用領(lǐng)域，雖然智能手機增速放緩，但CIS在這一領(lǐng)域依然還有足夠的發(fā)展空間。不過(guò)，應該看到，更多新的應用市場(chǎng)增長(cháng)迅速，將成為CIS新的增長(cháng)動(dòng)力。

 

陳杰表示，智能手機在中國和發(fā)達國家已經(jīng)趨于飽和，但在發(fā)展中國家的普及率還不高，還有足夠的發(fā)展空間。另外，采用雙攝像頭、陣列攝像頭等新技術(shù)可能帶來(lái)新的應用和體驗，這將進(jìn)一步提升CIS市場(chǎng)需求。同時(shí)，手機是一種消費品，更新?lián)Q代速度快，對攝像頭芯片的需求量依然很大。陳杰認為，后置雙攝像頭和陣列攝像頭會(huì )產(chǎn)生新的功能和用戶(hù)體驗，會(huì )成為將來(lái)的一種發(fā)展趨勢。

 

實(shí)際上，除了智能手機，思比科在非手機類(lèi)CIS芯片研發(fā)方面已具備良好技術(shù)儲備和競爭優(yōu)勢。據陳杰介紹，思比科已自主開(kāi)發(fā)成功了國產(chǎn)高可靠性CIS工藝和高動(dòng)態(tài)、超高速、高精度（12bit至14bit）片上列ADC電路、ISP等關(guān)鍵技術(shù)，可以滿(mǎn)足高清監控、車(chē)載、機器人、無(wú)人機等工業(yè)級應用的技術(shù)要求。“能夠開(kāi)發(fā)全國產(chǎn)化的高可靠性、高性能、工業(yè)級CMOS圖像傳感器系列芯片是我們的重要優(yōu)勢，我們看重高清監控、車(chē)載、機器人、無(wú)人機等高可靠性應用市場(chǎng)。” 陳杰說(shuō)。

 

東芝除了在手機市場(chǎng)大力投入外，還在開(kāi)發(fā)需求急速增長(cháng)的車(chē)載用攝像頭的CIS。“車(chē)載用傳感器與手機用傳感器相比，在規格上存在一些不同的要求項，但作為圖像傳感器的基本要求，如靈敏度、飽和度等大都是共通的，所以可以有效利用手機產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)技術(shù)。” 金子武彥說(shuō)，“今后的市場(chǎng)將從拍攝之后查看圖像這一應用領(lǐng)域擴展到對圖像進(jìn)行識別的應用領(lǐng)域，如用于個(gè)人身份認證的臉部認證、虹膜認證和車(chē)載攝像頭的障礙物識別等。”

 

基于攝像機的安防系統和視覺(jué)應用，安森美關(guān)注的應用市場(chǎng)更為廣泛。Shung Chieh稱(chēng)，除了手機，汽車(chē)、醫療內窺鏡、掃描、工業(yè)制造、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)連接設備、無(wú)人機、運動(dòng)相機、車(chē)載硬盤(pán)錄像機(DVR)、高端電影攝像機和航空應用都是安森美關(guān)注的應用市場(chǎng)，安森美已做好準備為所有CMOS成像市場(chǎng)提供產(chǎn)品。

 

在除智能手機之外的其它應用市場(chǎng)，CIS正展現著(zhù)它的魅力。汽車(chē)電子與機器視覺(jué)的應用、安全監護系統、醫療影像以及與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的各種光電傳感應用等應用場(chǎng)景已然成為CIS新的增長(cháng)動(dòng)力，而國內外CIS廠(chǎng)商已經(jīng)注意到了這一變化。