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FD-SOI導入堆疊式影像感測器設計

上網時間: 2016年03月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:相機  FD-SOI  影像感測器  CIS  CMOS 

作者:吉田順子

如果三星(Samsung)最近的一支智慧型手機電視廣告(大肆吹捧該新手機超酷炫的拍照功能,最後還用‘It's Not a Phone, It's a Galaxy’的宣傳標語作為結束)帶有任何暗示意味,那麼當今智慧型手機中最重要成份並不是手機,而是相機

隨著相機功能成為差異化嵌入式裝置不可或缺的必備功能後,CMOS影像感測器(CIS)的設計人員發現自己正面臨與各方需求日益增加的角力戰——包括影像品質、相機模組的大小,以及總成本等。

過去幾年來,CIS供應商已經逐漸接受晶片堆疊了。在此基礎下,CIS能夠和影像訊號處理器(ISP)共同堆疊。針對其下一步的發展,目前至少有兩家主要的業者——Sony和三星——據稱正琢磨使用FD-SOI晶圓製造ISP,以便與CIS共同實現晶片堆疊。

在日前於東京舉行的FD-SOI論壇(FD-SOI Forum),一些與會者私底下討論以FD-SOI 量產CIS的機會。

除了Sony以外,三星正謹慎地思考為CIS利用FD-SOI。三星電子(Samsung Electronics)系統代工廠總監Yongjoo Jeon在論壇上介紹三星28nm FD-SOI的最新進展時,討論到CIS等現有應用。

不過,在為CIS導入FD-SOI之前,還有一些重要的問題必須先加以解答。

1、對於可能選用FD-SOI於其晶片堆疊CIS的影像感測器供應商來說,這一CIS市場究竟有多大?

2、晶片堆疊CIS的真正優勢何在?

3、在為晶片堆疊CIS設計ISP時,為什麼採用FD-SOI比CMOS更好?

CMOS影像感測器市場

根據市場研究公司YoleDeveloppement表示,CIS在2015年約有100億美元的市場,年成長率約12%。

Yole強調,“CIS的市場成長速度仍然較半導體產業更快,未來五年的複合年成長率(CAGR)預計約有10.6%。”這一預測數字已經將智慧型手機成長放緩以及前/後置相機價格提高等因素納入考慮了。

那麼,哪些CIS供應商已經在做晶片堆疊CIS了呢?

Yole估計在2015年,27%的CIS營收來自於堆疊晶片,該公司形容這「相當於Sony的市佔率」。


成長中的2014-2020年相機模組產業:營收來源多方重疊
(來源:Yole Development)

為什麼採取晶片堆疊途徑?

Yole Developpement成像與感測器市場分析師Pierre Cambou觀察目前CIS領域的競爭圍繞著兩大關鍵參數:影像品質,以及相機模組的尺寸。

他將高品質的相機形容為「智慧型手機的關鍵要素」。而這也帶來了畫素的競賽,從3百萬畫素(3Mp)到5Mp,然後是8Mp、12Mp、16Mp,如今已經發展到20Mp。

雖然這種發展似乎違反直覺想法,但Cambou表示,這一產業最近已經觀察到「畫素大小降低了影像品質」。事實上,較高的解析度並不一定會帶來「更好的」影像,主要原因在於鏡頭性能的限制,他解釋說。

他補充說:「目前的理想位置大約是略高於1微米畫素尺寸,以及介於12Mp到16Mp之間的解析度。」

而在影像品質/畫素競賽的另一面則是相機的成本和尺寸,Cambou解釋。更重要的是注意相機模組的尺寸與高度是相當受限的。

「因為智慧型手機是一種高度最佳化的裝置,任何可用的空間都會被用於電池或整合進更棒的功能,」Cambou說,「相機的厚度直接影響到智慧型手機的厚度,」以及該裝置的外觀。

根據Yole的觀察,整合於手機中的相機模組一直維持著相當固定的尺寸規格,通常是10mmx10mmx6mm。不過,其性能與功能則持續顯著提升(從VGA單鏡頭到16Mp AF以及OIS 6鏡頭相機)。

因此,Cambou表示,堆疊CIS能夠解決CIS設計人員的2大關鍵問題——影像品質和相機的尺寸。

首先,堆疊的方式讓晶片設計者能使CIS製程發展僅專注於畫素性能,「而不至於對晶片的數位部份造成限制,甚至導致次級晶片性能退化,」Cambou解釋。在頂部的感測晶片採用背面照度(BSI)技術。BSI已經是現有可用的最佳技術了,他說,「它可採用相對粗糙的製程,如0.18um至0.110um」。數位晶片可取自任何採用65nm或45nm先進製程的供應商來源。他總結道,「晶片的整體性能可以從最佳化的感測陣列以及最佳化的數位元件中獲益。」

其次,Cambou解釋,藉由在數位晶片的頂部堆疊感測陣列,還可使其佔位空間一分為二,從而實現更小型的相機模組。


手機相機模組市場趨勢:供應商多半採用10mmx10mmx5mm的模組
(來源:Yole Development)

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