索尼谈颠覆性SWIR图像传感器，业界最小像素实现小型化和高分辨率
2021-11-02 21:21:23   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，短波红外（SWIR）图像传感器在产品品质检测等领域正发挥着重要作用。不同于可见光，SWIR是一种红外线，被广泛应用于物体检测，以识别肉眼难以捕捉的划痕、异物混入等。索尼半导体解决方案集团（以下简称“索尼”）开发的SWIR图像传感器，以业界最小*1的5μm像素实现了小型化和更高像素，并且能够以突出的高动态范围覆盖可见光成像。这款图像传感器拥有超出市面一般产品的高规格。作为同类产品中的首次突破，索尼团队在开发过程中也面临了诸多前所未有的挑战。基于索尼在图像传感器领域多年积累的独有技术经验，这款产品才得以诞生。索尼通过内部采访，揭示了这款全球领先SWIR图像传感器的开发故事，进一步展示了索尼在图像传感领域的创新实力。

*1 索尼截至2020年5月在化合物半导体铟镓砷（InGaAs）SWIR图像传感器领域的调研结果。

索尼本次4位受访人

索尼首款SWIR图像传感器

基于索尼傲视群雄的技术实力

问：请解释一下SWIR、SWIR图像传感器究竟是什么？

Maruyama：短波红外（Short Wavelength Infra-Red, SWIR）是红外线的一种。有些波段的红外线可以用于热成像技术以感知温度，比如人体测温，另外有些波段则具备其他特性。其中，0.9μm~2.5μm波段的光被称为短波红外（SWIR）。SWIR波段和可见光的反射/吸收方式不同，SWIR图像传感器运用这个特性，可以捕捉以往人眼无法识别的物体。另外，一部分物质不反射短波红外光，但可以让其透过，因此让短波红外光透过物体就可以对其内部进行辨识。短波红外光还有一个特性，就是相比可见光不那么容易散射，因此可以穿透浓雾，识别它们后面的物体。基于索尼独有的技术，我们开发的SWIR图像传感器不仅可以捕捉波长1.7μm以下SWIR波段的影像，还可以拍摄可见光波段的影像。

问：SWIR图像传感器有哪些行业应用？

Osawa：SWIR可以穿透硅，还能够可视化水。利用这一特性，SWIR图像传感器可被用于多个行业，其中以半导体和食品行业中的检测为主。例如，在半导体检测领域，半导体晶圆以硅为主材料，而硅具有吸收可见光的特性，因此如果使用捕捉可见光的图像传感器进行拍摄，所呈现的图像就像是一块乌黑金属平板。而红外线中的SWIR具备可穿透硅的特性，因此，用搭载SWIR图像传感器的相机拍摄，硅就会像透明玻璃一样一目了然，从而能够检测出晶圆内部的裂缝以及混入的异物。另外，水可以被可见光穿透，所以在可见光成像中看起来是透明的。但如果利用某个SWIR波段的光进行观察，水会吸收这一波段的光线，呈现出与周围环境/物体不同的颜色。这种特性可以被用于了解物体哪个部分含有水分，例如食品检测行业，用于检测水果表面是否有擦伤，这是可见光相机难以做到的。

可见光成像（左），SWIR成像（右）

问：传统SWIR图像传感器存在着哪些未解难题？

Osawa：SWIR图像传感器已经在很多行业得到广泛应用，但在技术上还存在一些重大难题。像素尺寸就是其中之一。传统SWIR图像传感器的像素尺寸都比较大，很难在一个传感器中配置很多像素，因此，提升解像度成为一大难题。从画质角度来说，这个问题导致难以拍摄清晰的影像，相机制造商必须在后期进行图像处理。另外，市面上现有的SWIR传感器都采用模拟输出，因此，相机必须进行模拟/数字转换，这会造成相机信号电路处理的负荷增大，而且设计难度也非常大。

Maruyama：传统的SWIR图像传感器采用凸点（Bump）连接，用金属球连接像素内的磷化铟层和硅层。为了在凸点连接下缩小像素尺寸，必须确保微米量级的凸点间距，这非常困难。因此，传统SWIR图像传感器的微型化一直困难重重，传感器的成本也因此居高不下。

问：索尼首款SWIR图像传感器的开发是如何开始的？

Maruyama：刚才提到，传统SWIR图像传感器因为凸点连接，难以实现微型化。我们发现，似乎可以使用索尼堆叠式图像传感器开发中研发的铜-铜（Cu-Cu）连接*2技术来解决这个问题。利用这项技术，能够以更小的间距配置像素。另外，传统图像传感器使用硅作为光电转换层，而SWIR波段的光可以透过硅材料，因此很难达到收集光的效果。因此，必须使用InGaAs代替硅制作光电二极管，捕捉SWIR光并转换为电信号。这是索尼在图像传感器中不曾使用过的材料，不过，索尼其他事业部掌握了制造InGaAs化合物半导体的技术。并且，索尼内部还拥有光电数字转换技术。事实上，索尼已经掌握了解决上述问题所需要的所有基础技术。将这些技术结合起来，就能开发出前所未有的微型化、高像素SWIR图像传感器。于是，我们带着这样的想法成立了项目小组。

*2 将像素芯片（上方）与逻辑芯片（下方）堆叠在一起，通过连接两个铜焊盘导通电流的技术。Cu-Cu连接技术与硅通孔（TSV）技术相比，可提高设计自由度和生产效率，进一步实现器件的小型化和高性能。

问：项目开发中的主要概念设计以及力求实现的目标是什么？

Tsuji：我们坚信只要充分应用本集团掌握的基础技术，就能创造出优秀的产品，所以，剩下的就是思考如何应用这些技术，打造对客户更有价值的产品。我们首先应用了CMOS图像传感器中的列并行A/D转换电路，实现了SWIR图像传感器输出的数字化。这样，不仅相机制造商无需在后期准备A/D转换元件，而且之前面临的画质问题也迎刃而解，大幅降低了相机制造商在校正处理方面的负担。另外，InGaAs光电二极管容易受到温度影响，因此，我们在图像传感器中搭载了数字温度传感器，便于器件冷却时的温度控制。

Maruyama：我们知道像素的微型化是可以实现的。但是，我们认为“索尼不能只满足于此”。SWIR图像传感器在光电二极管中使用了InGaAs，而制造InGaAs所需要的磷化铟层会导致无法捕捉可见光影像。不过，我们采用了索尼独特的Cu-Cu连接，在结构上可以降低磷化铟层的厚度。于是，我们决定开发同时能够捕捉可见光影像的SWIR图像传感器。

Osawa：我们认为，如果能开发出可捕捉可见光影像的SWIR图像传感器，结合在多光谱、高光谱等多种波长范围内都能成像的系统，就能充分发挥传感器宽波段的特点，大幅提升产品的市场价值。

Maruyama：还有一点，传统SWIR图像传感器往往存在很多缺陷。比如，拍摄暗处时会出现大片白斑。这种现象源于InGaAs材料的品质问题。索尼在过去的激光开发过程中已经成功掌握了化合物半导体制造技术，应用该技术，我们开发出了没有缺陷的高品质传感器。

Ogasawara：我负责传感器封装的设计，主要工作就是设计并开发实现内置热电冷却元件的陶瓷PGA封装的冷却系统。相比可见光，SWIR波段的能量更弱，所以，捕捉SWIR的图像传感器非常敏感，极易受到温度的影响，1℃~2℃的微弱差异就会影响成像品质。这个问题势必会增加成本和供货挑战，如不能解决，最终产品的市场化也会受到影响。为了全面发挥传感器的优势，我们决定在一般封装基础上，再新开发一款内置冷却元件的封装。但是，如果通过简单的降温进行冷却会出现凝露，为了避免这个问题，我们为传感器采用了密封封装。另外，由于传感器的数字化，从贴装中伸出的引脚数量增加，因此，封装内的散热空间变小了。我们分析并权衡了这些利弊，确保了封装规格的设定兼顾了两方面的平衡。

我们有信心开发出业界领先的突破性产品

但在开发初期，我们遇到的挑战超过300项

问：在产品开发中，你们经历了哪些困难？

Tsuji：由于这是集团有史以来第一款使用InGaAs开发的SWIR图像传感器，因此，我们在开发初期就全面考量了可能需要面对的挑战，结果发现了大大小小300多个问题。而且，随着开发的推进，还不断有新的问题出现，需要我们去解决的困难堆积如山。此外，还出现了一些过去采用硅晶圆时没有，而InGaAs才有的问题，我们不得不讨论如何在终端产品的角度去处理这些问题。

Maruyama：我们图像传感器开发团队并不熟悉InGaAs方面的专业知识。不过，我们知道兄弟部门激光开发团队精通制造InGaAs所需要的化合物半导体技术。于是，我们决定从一开始就联手激光开发团队，共同进行技术开发。另一方面，基于硅材料的图像传感器已经在大尺寸硅晶圆上实现规模量产，而传统InGaAs材料只能用小尺寸晶圆来量产。如果我们的SWIR图像传感器不能像硅图像传感器那样在大尺寸晶圆上批量生产，那么必然会带来成本和供应能力方面的挑战，如果无法解决，所开发的产品就没有市场价值。因此，我们决定邀请晶圆厂的制造同事从开发初期就参与项目，共同探讨量产方案。

Ogasawara：与普通图像传感器产品的开发不同，这个项目的参与人数众多，各自的职责和团队结构也不同于往常。作为开发小组的副组长，我非常关注信息共享，确保使各个团队分工明确而又紧密合作。在封装的开发中我们经历的困难是，在原型产品上工作没问题的冷却功能，到了量产开发阶段却突发异常。以冷却封装为宣传点的产品无法正常冷却，这将是致命的问题。为此，我们决定回到起点，从最初设计开始全面彻查原因，最终解决了问题。

Osawa：索尼的品质管理要求非常严格。这款SWIR图像传感器虽然是第一次开发和商品化，但是为了确保与索尼CMOS图像传感器具备相同的高品质，开发和制造团队都付出了巨大努力。

问：攻克上述挑战的关键在哪里？

Tsuji：通常，问题管控与解决是由项目组长主导的，但是此次，我们面临的挑战多达300项，仅凭一人之力难以实现。因此，这些挑战被分配给各个团队，而涉及多个团队的难题，我会牵头进行解决。虽然存在很多挑战，但是我们向客户展示了预先制作的原型样品后，得到了客户的好评，甚至得到了“完全不同层次的高画质”这样的超高评价，成员们因此热情高涨，开发工作顺利推进。在碰到与普通硅材料不同的InGaAs特有的问题时，我们积极向客户公开信息，努力让客户了解这款传感器的特性。

Maruyama：关于大尺寸晶圆量产的难题，我们从初期阶段就认识到了，只能采用切割再粘贴的方式，问题就在于粘贴的方法。虽然大家想了很多方案，但是都不顺利。于是，我们咨询了集团内部的许多工程师。我一直认为“在技术面前，没有职位高低之分，人人平等”，因此，从老员工到新人，我切切实实地从头到尾问了个遍。就这样，我们收集了各种方案，经过讨论和验证，最终攻克了难题。在这些方案中，还包含了许多半导体上不曾应用过的技术。这些方案，只靠我们自己是绝对想不到的，实际上，正是凭借这些半导体以外的方案，我们才实现了大尺寸晶圆的量产。公司聚集了各种人才，因此能提出各种方案。而且公司鼓励大家相互学习、咨询，对于我们提出的问题，大家都会热情回答。有时他们还会一起加入到团队中来。“即使写在白板上，告诉你们要这样做，你们大概也不明白，所以直接看我做吧”，像这样，实际上手提供帮助的人也很多。对于工程开发人员来说，往往是技术难度越高，热情越高涨。

Ogasawara：公司里有一些同事具备丰富的热管理知识，我想要找他们进行咨询，但是他们对于图像传感器并不熟悉，因此，我们面临的热管理问题的关键在哪里，自己必须要清楚。如果不了解应该咨询的要点，那么被问的一方就会偏离方向。因此，即使我在热管理方面缺少知识，也要彻底思考，整理事实，掌握问题所在。然后回归基础，从热是如何传递的开始，理解相关知识。在此基础上进行仿真，用样品测定热传递，彻底掌握使用这种封装时热能的传递方式，终于找到了无法冷却的原因。从而基于对产品封装技术的理解，掌握了最终量产所需要的评估测试，为产品的品质管理做出了自己的贡献。

索尼颠覆性SWIR图像传感器

有望迅速开拓市场

问：索尼颠覆性SWIR图像传感器有望提供哪些解决方案？

Osawa：通过像素微型化增加的像素数量提供了很多优势，比如，可以识别过去无法检测的细微划痕等，检测品质有望提升。另外，数字化让相机设计变得更加简单，再加上成本优势，这款SWIR图像传感器的价格非常易于让客户接受。“让更高品质的检测在世界范围内得到普及”是我们的愿景，我们确信这款SWIR图像传感器将为我们达成心愿发挥重大作用。我们已经收到来自客户的高度评价。我们的SWIR图像传感器具备很多索尼产品广受好评的特性，比如易用性和卓越的性能等，相信它将会在市场上引起轰动。我们还将利用这些特点，思考开发新的应用方案。

问：请畅谈一下SWIR图像传感器的未来前景。

Osawa：一般来说，人工智能（AI）被认为有助于提高图像传感器的检测精度。不过，要实现这一点，能否提供清晰的图像让AI学习非常重要。如果AI可以利用我们传感器拍摄的精细图像，它就可能提高传感器的精度，从而发现过去难以发现的更加细微的问题。另外，如果能在同时覆盖可见光和SWIR波长范围的超光谱下进行检测，或能将检测品质提升到一个新的前所未有的水平。

问：接下来你们还将面对什么挑战？

Osawa：索尼首款SWIR图像传感器是众多参与开发同事努力的结晶。凭借SWIR图像传感器，我们有望向过去不曾导入、甚至不曾考虑索尼产品的客户提供解决方案，让他们考虑导入我们的产品。SWIR的波长范围蕴含着许多新的可能，可以满足各领域客户的各种需求，我们将努力帮助更多客户发现问题、解决问题。

Tsuji：接下来，希望没有使用过SWIR图像传感器的客户也能考虑使用我们的产品。为此，我们还要进一步提升产品的易用性，将其打造为一款任何人都能轻松使用的SWIR图像传感器，绝不输于索尼其他的CMOS图像传感器。

Maruyama：我认为这款SWIR图像传感器在性能方面还有很大的提升空间。我们非常自豪，目前我们的产品比其他公司领先一筹，但我们还会继续努力，力争进一步扩大我们的产品优势。我们希望为产品增加索尼才能提供的各种独特的功能，打造独一无二的传感器。

Ogasawara：这款产品的开发，让我们经历了许多第一次。产品一经推出，将会收到客户的反馈。我们将重视这些意见，创造出更加优秀的下一代产品。另外，就封装的新方案而言，我们认为如果不深思熟虑，就无法创造出好用的产品。所以我们将听取客户意见，思考超越客户期待的易于使用的封装，并将其应用到下一代产品上。

延伸阅读：

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》