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拆解索尼最新Image Sensor：果然安装了内存

在今年二月舉行的國際固態電路會議(ISSCC)期間，Sony宣布推出“業界首款配備DRAM的
三層堆棧式CMOS影像傳感器”，這款型號為IMX400的三層堆棧式感光組件(Exmor RS)是專
為智能手機而打造的。

為了加速影像數據處理，業界多年來一直流傳著在互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像傳感
器中配備嵌入式動態隨機存取內存(DRAM)的種種消息，但至今尚未看到任何相關產品投入
生產或實際上市。

Sony在ISSCC會議上發表的研究論文揭露了新款感光組件的相關細節，它確實看來像是真
有那麼回事，這當然馬上引起了我們在TechInsights的影像傳感器專家們的關注。接著，
Sony在其後舉行的全球行動通訊大會(Mobile World Congress；MWC)確認了該組件的生產
狀況，並宣布其Xperia XZ Premium和Xperia XZ兩款旗艦級智能手機搭載了具有960fps畫
面更新率的Motion Eye相機模塊。

我們盡可能地在Xperia XZ手機一上市就立刻入手，並橫切其後置相機芯片進行觀察。沒
想到它真的是三層堆棧的感光組件！這款CMOS影像傳感器(CIS)被面對背地安裝在DRAM上
，使得DRAM與影像訊號處理器(ISP)面對面接在一起。
http://imgur.com/TePPMcW
圖1：Sony三層堆棧式CMOS影像傳感器的芯片橫截面

然而，我們似乎是超之過急了，因此，讓我們先來看看Sony的新聞稿以及在ISSCC發表的
論文細節吧！
拆解索尼最新Image Sensor：真的塞了內存，蘋果8靠譜了
http://imgur.com/HGRUQC8
圖2：Sony CMOS影像傳感器的訊號路徑方塊圖

Sony在其較早的19Mp影像傳感器中使用雙模擬/數字轉換器(ADC)，為畫素數據進行數字化
。而今，該公司使用4層ADC的結構提高讀取速度，同時也改善了處理能力。DRAM則用於暫
時儲存高速數據，然後再以傳感器接口的最佳速率輸出。該設計使其能以1/120秒讀取
1,930萬畫素的靜態影像，而在影片模式下可達到1,000fps的畫面更新率，較以往產品的
靜態影像與動態影片分別提高了4倍和8倍的速度。

由於在CIS和ISP之間加進了DRAM夾層，高速數據必須經過內存芯片才能到達ISP，然後再
以適於應用處理器的常規速度，來回傳送直到經由ISP的I/F接口區塊進行輸出。
http://imgur.com/LyDtDb2
圖3：Sony新開發配備DRAM的三層堆棧式CMOS影像傳感器

圖3是這種傳感器運作原理的精簡版；但在Sony發表的論文中有更詳細的介紹，包括
960fps如何成像以及慢動作的工作原理。

根據該論文解釋，畫素數組位於裸晶的頂層，DRAM數組和列驅動器位於中間，其餘的區塊
則位於底部的ISP裸晶。我們尚未取得這三層裸晶的照片，但該論文中提供了一些影像。
http://imgur.com/TJeQWxV
圖4：Sony的原理圖中顯示CIS、DRAM與ISP三層堆棧

Sony並指出，該CIS採用90nm製程(1 Al/5 Cu)技術製造，DRAM是1Gb、30nm的(3 Al/1 W)
組件，ISP組件(1 Al/6 Cu)則採用40nm製程。要將各種必要的功能加進相同尺寸的3個裸
晶，而又不至於浪費芯片面積，無疑是一大挑戰。

由於DRAM裸晶上還有CIS列驅動器，因此必須採用客制組件設計，而非我們在近年來看到
以矽穿孔(TSV)封裝的商用DRAM。Sony的芯片橫截面圖並顯示，裸晶中央有一層厚重的氧
化物以及適於讓TVS從上方CIS向下連接的接合焊墊。
http://imgur.com/WcM1WFj
圖5：三層堆棧式影像傳感器芯片橫截面（來源：Sony）

我們還可以看到(在比例尺準確的前提下)，CIS和DRAM裸晶基板已經被削薄至小於2.6μm
了，這在背照式CIS (BI-CIS)是十分常見的，但卻是我們所見過最薄的DRAM。從我們自己
所拍攝的影像(圖5)可證實CIS和DRAM的芯片厚度相同，而且也可以看到接合焊墊。

因此，接下來的問題就是——TSV如何在此堆棧中形成？我們的第一款芯片橫截面才剛從
實驗室完成，看起來相當令人熟悉。CIS/DRAM的互連似乎是Sony上一代背照式BI-CIS組件
中的TSV形式之一(圖6)。
http://imgur.com/f5uW5vm
圖6：CIS/DRAM互連採用上一代BI-CIS的TSV形式？

此處可看到兩層TSV將CIS中看起來像6金屬的堆棧連接至DRAM裸晶的M1。我們並未擴展TSV
直接連接CIS與ISP的橫截面圖，不過也存在TSV穿過DRAM連接至ISP頂部金屬的情形。
http://imgur.com/TePPMcW
圖7：CIS與ISP之間能以DRAM接合點進行連接？

CIS/ISP的連接似乎可以採用DRAM接合焊墊層作為互連，以避免在完整的堆棧形成後還得
在兩個裸晶間進行鑽孔的挑戰。

對於IMX400的進一步分析正持續進行中，隨著時間的進展，我們很快地就能夠掌握有關
CIS本身及其封裝堆棧的細節。以產業的觀點來看，Sony可說是再次將手機相機的功能推
至極限。不過，在今年稍晚將會出現的一大疑問是——我們將在下一代iPhone中看到這款
感光組件嗎？

本文版權歸國際電子商情所有。

IMX300當時SONY打著快速對焦，現在IMX400多了DRAM，是手機感光元件第一顆加入DRAM，
加了DRAM，除了960fps這功能外，另外改善的是果凍效應，這功能可以拿XZP/XZs對照別
支手機可以明顯發現，目前這種CMOS仍被SONY自家手機獨佔，我覺得下一代iPhone應該
不會用到這麼黑科技的感光元件，至於下個月的SONY新機應該有機會都是用IMX400吧！

※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
※ 轉錄者: louis1704 (180.218.20.162), 07/19/2017 22:25:14
※ 編輯: louis1704 (180.218.20.162), 07/19/2017 22:25:47
推 utn875: 技術能力很強大
推 shiyeh: 恩恩  原來如此 我早就猜到了
推 k900421: 這麼高的fps是只能在亮處錄影?
噓 hopesong: 廣告文就別貼在這了
推 zhenglack: 記者快來抄
推 Lindeman5566: 疊立式本身沒有想像中難做，但散熱和暗電流要做夠好
→ sukai1010: 阿就3dic pkg啊…
推 yudofu: 曝光時間這麼短入光亮不夠要怎麼拍
→ miketk: 拍過, 一般的房間室內燈拍起來很暗, 要室外好天氣才夠亮
→ furio: 1.2um pixelsize,F2.0 lens,這是手機應用跟感度折衷產品
噓 sonyvaio: 什麼標題啊，難不成覺得索尼唬爛你嗎？
噓 HorsyDragon: 內存
推 wtsph: 內建Sony A9
推 kqalea: 散熱怎麼辦???