2018.02.27

索尼开发出新款背照式CMOS影像传感器

可通过像素并行A / D转换器实现全局快门功能

(东京,日本)——索尼公司宣布开发出配备全局快门功能※1,拥有146万像素的背照式CMOS影像传感器。新开发的像素并行模数转换器能将所有同时曝光的像素模拟信号立即转换为并行的数字信号。索尼于2018年2月11日在美国旧金山举行的国际固态电路会议(ISSCC)上展示了这项新技术。 

目前市面上的CMOS影像传感器是采用传统的纵列A/D转换方法※2逐行读取由像素经光电转换产生的模拟信号,这种方式容易产生读取时移,从而导致图像失真(焦平面失真)。 

而这款全新的索尼传感器配有最新研发的低电流紧凑型A/D转换器,它们位于每个像素下方。这些A/D转换器可立即将所有来自同时曝光的像素模拟信号并行转换为数字信号,并将其暂时存储在数字存储器中。这种结构能减少读取时移导致的焦平面失真,因而具备了全局快门功能※1,这是业界首款※3用于高灵敏度背照式CMOS传感器的百万像素级并行A/D转换器。 

与传统的纵列A/D转换方法※2相比,新款传感器所用到的A/D转换器数量增加至约1000倍,这意味着对电流的需求激增了。索尼则通过开发一款紧凑型14位A/D转换器解决了这个问题,该转换器在低电流环境下拥有业界最佳性能※4 

新款传感器的A/D转换器和数字存储器空间都采用堆叠结构,这些元件集成在底部芯片中。顶部芯片上每个像素之间的连接使用Cu-Cu(铜 - 铜)连接※5,索尼于2016年1月实现批量生产,这也是该技术首次实现批量生产。 

另外,该传感器采用了新开发的数据传输机制,能够在A/D转换过程中实现高速且大规模地并行数据读取。 

※1:此项功能可有效减少因逐行读取像素信号而引起的图像失真(焦平面失真)。

※2:此方法为并行配置中的每个垂直行像素提供A/D转换器。

※3:截至2018年2月13日。

※4:截至2018年2月13日。FoM(灵敏值):0.24e-・nJ/step。(功耗×噪声)/{像素数量×帧速×ADC分辨率)}。

※5:该技术在累加背照式CMOS影像传感器部分(顶部芯片)和逻辑电路(底部芯片)时,通过连接的Cu(铜)焊盘持续供电。与硅通孔(TSV)布线相比,该方法通过在像素区周围穿透电极来实现连接,让设计更为自由,生产力更强,尺寸更小,性能更高。索尼于2016年12月在旧金山的国际电子设备会议(IEDM)上展示了该项技术。 

主要特点 

通过以下核心技术,在高灵敏度的背照式CMOS影像传感器中实现全局快门功能※1 

  1. 低电流、紧凑型的像素并行A/D转换器

    为了减少能耗,新转换器采用了可在亚阈值电流下运行的比较器,这款低电流、紧凑型的14位A/D转换器,实现了业界性能最佳※4。较之传统的转换方法※2,它所采用的A/D转换器增加至约1000倍,却依然克服了由此带来的电流需求压力。 

  2. 铜 - 铜连接※5

    为了实现所有像素并行的A/D转换,索尼公司开发了一种技术,可以将大约300万个铜 - 铜连接※5搭在一个传感器上。铜 - 铜连接提供了像素和逻辑基板之间的电气连续性,保证了146万个(同有效像素数)A/D转换器和数字存储器的安全空间。 

  3. 高速数据传输建设

    索尼开发了一种新的读取电路,以支持在A/D转换过程中所需要的大规模并行数字信号传输。该转换过程会用到146万个A/D转换器,以高速读取和写入所有的像素信号。 

    块图