索尼dToF传感器将SPAD推上风口，消费类激光雷达迎来重大机遇
2020-05-08 14:51:09   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询此前发布的《索尼工程师谈背照式ToF图像传感器》文章介绍，索尼（Sony）作为全球知名的CMOS图像传感器公司，有望继续领导新兴的飞行时间（ToF）图像传感器领域。而在《一睹真容：iPad Pro激光雷达扫描仪ToF传感器》文章中，麦姆斯咨询发现索尼的ToF图像传感器已经从iToF（间接飞行时间法）延伸至dToF（直接飞行时间法），相应地，光电探测器从背照式CMOS图像传感器扩展至SPAD阵列。

我们知道，在以智能手机和平板电脑为代表的消费电子领域，基于SPAD阵列的dToF传感器可是意法半导体（STMicroelectronics）的天下，主要用于近距离测距和接近传感，近些年仅有ams（艾迈斯半导体）欲与意法半导体抢夺市场。意法半导体最早于2013年推出首款基于FlightSense飞行时间（ToF）技术的新一代高性能接近和测距传感器；于2019年10月26日宣布ToF传感器出货量达到10亿颗。FlightSense系列产品在同一封装中集成了SPAD阵列、光源及驱动器，可提供非常快的测距速度，且具有低功耗、高可靠性等优点。

意法半导体FlightSense飞行时间（ToF）传感器原理及优势

但是，这一切在2020年改变了，苹果新款iPad Pro中的激光雷达让3D传感业界兴奋了。这款激光雷达中的索尼ToF传感器基于SPAD阵列，分辨率达到30000像素，相比意法半导体的256像素和ams的128像素，直接将ToF传感器的“测距”进化到“距离成像”。所以索尼这款ToF传感器可称为ToF“图像”传感器！麦姆斯咨询认为，索尼开启了新一代3D传感芯片的竞赛征程。

苹果新款iPad Pro激光雷达中的SPAD探测器、VCSEL及其驱动芯片

2019年7月，索尼将公司的半导体部门名称正式变更为：成像与传感解决方案部门（I&SS），这一点变化隐藏了索尼在半导体领域的实力，目的是放大其在图像传感器领域的优势地位。据悉，索尼在图像传感器上的发展使得该公司连续两个财年净资产收益率高于目标的10%。索尼认为3D成像与传感业务在传感器和人工智能结合中带来巨大的发展机遇。

索尼在3D成像与传感业务方面采取两种方案策略：第一种是向华为（Huawei）和三星（Samsung）等安卓（Android）手机品牌厂商供应iToF背照式CMOS图像传感器，2019年这部分营收约为3亿美元；第二种是赢得苹果iPad Pro的dToF（SPAD阵列）图像传感器设计导入订单（design win），并且该dToF图像传感器极有可能会出现在iPhone系列手机中。从“成像到传感”和“2D到3D”的成功过渡，可见索尼在CMOS图像传感器领域的强大实力。这也是索尼成像与传感解决方案部门持续繁荣的基础。

传言iPhone 12 Pro Max后置dToF激光雷达

那么，在索尼加入dToF“战局”的情况下，意法半导体的dToF传感器的未来将如何发展？从上一季度的营收情况来看，意法半导体的MEMS和传感器部门营收表现出色，dToF产品系列保持增长势头。意法半导体除了在CMOS图像传感器（CIS）领域投入资金之外，必须要在SPAD阵列方面加强投资，以赶上索尼的步伐。尽管，苹果与索尼的这一合作举措给意法半导体敲响警钟，但是更多是创造新的机遇。dToF图像传感器不仅是一场技术竞赛，还是一项资本博弈，只有强大的参与者才能获胜。

图像传感器像素尺寸演进之路

索尼这款dToF图像传感器的分辨率为3万像素，像素尺寸为10微米，探测器类型为SPAD阵列。像素内连接通过混合键合互连技术将探测器晶圆和逻辑电路晶圆键合实现，这是索尼首次将3D堆叠应用于dToF图像传感器。同时，深沟槽隔离（Deep trench isolation）也被应用，充满金属的沟槽完全隔离了像素。此外，苹果新款iPad Pro激光雷达还集成了Lumentum的VCSEL芯片和德州仪器（TI）的VCSEL驱动芯片。

索尼dToF图像传感器横截面图

Lumentum的VCSEL芯片

好消息，麦姆斯咨询正在撰写《飞行时间（ToF）传感器技术及应用》报告，后续将在微迷网站发布报告介绍，敬请关注，谢谢。