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手机上的CMOS其实有六代?我们来帮大家捋清楚

2019-11-04 11:38:05 来源:头寨网 作者:网站编辑 阅读:2381次

大约一个月前,三一人寿写了一篇文章批评旗舰相机手机。当时,它使用了世界上最先进的cmos(图像传感器),但在dxo评估中得分低于前30名。我们当时文章的初衷是告诉大家,智能手机的拍摄不能完全依赖于硬件配置,算法和调整也是非常重要的因素。

但我们没有想到的是,这篇文章发表后,我们受到了一些网民的批评和质疑,他们认为我们在胡说八道。原因是我们在文章中有这样一句话:

原始文本的截屏

是的,我们提到索尼imx445和三星sak2l4属于“第六代”和“第四代”cmos架构,这确实引起了一些读者的困惑。因为在他们的认知中,以索尼为代表的智能手机cmos到目前为止应该只经历了三代的变化,那么这第六代从何而来呢?

首先,这是市场推广造成的误解。

为了理解这个问题,首先,我们需要知道哪三代“三代”图像传感器被普遍考虑。答案很简单,只不过是索尼的exmor、exmor和exmrs,即前照、后照和堆叠三个“知名商标”。无论是从诞生之时还是从技术角度来看,这三种cmos设计都有着前后关系。称他们为三代没什么错。

然而,上述观点有很大的局限性,即只有索尼的商标被用作cmos生成划分的基础,但并没有深入研究整个cmos图像传感器行业多年来的真正技术进步和节点变化。更直白地说,索尼用它的商标将cmos分成了三代,但cmos技术真的只能遵循索尼的分类吗?即使是索尼,是否真的有技术被取代但没有被公开的情况?

是的,这就是问题所在。事实上,除了索尼的分类,cmos行业还有另一个更专业的标准,根据传感器制造过程和结构划分代数。如果你理解它,你将真正理解cmos图像传感器在半导体工业中的特殊存在。

其次,cmos结构使得制造困难

cmos图像传感器的工作原理是什么?在此之前,我们解释了三星gw1的“双转换增益电路”。简而言之,当光从透镜进入传感器上的微透镜时,光信号-电信号和电信号-数字信号有两个转换过程。从光到电的转换由三部分组成:光敏单元、电容器(电荷陷阱)和模拟功率放大器电路。电信号到数字信号的转换是adc的“特色”。

这意味着对于任何传统和典型的cmos图像传感器,它实际上由“模拟电路”和“数字电路”两部分组成。光敏部分是模拟电路,而电信号到数字信号的转换(包括在一些带缓冲器的cmos之后图像数字信息的存储操作)是在数字电路上执行的。但是这样,问题就出现了。

初中物理常识告诉我们,模拟电路中的电缆越厚,电阻越小,线损越小。这意味着cmos模拟电路不应该使用太“薄”的工艺——旧工艺具有较小的电阻和较大的阱容量。同时,半导体行业的共识是数字电路工艺越先进越好,因为工作频率(计算性能)和能效比可以大大提高。显然,这意味着对于cmos来说,其自身结构的“前半部分”和“后半部分”实际上对制造工艺有完全相反的要求。

那么,如何解决这个制造问题呢?佳能是第一个面对这个问题的公司,为了适应模拟器件的图像质量,佳能选择了放弃数字器件的工艺,因此从那时起,“佳能cmos工艺烂透了”已经成为业界众所周知的障碍。然而,很明显,其他cmos制造商的思维并不那么僵化,随着背光设计的出现,cmos图像传感器的分层结构从“上”到“下”,从光敏到模拟电路到模数转换变得比以往任何时候都更加清晰,这最终为新的cmos制造方法带来了机遇。

一个cmos多工艺?这就是六代人的划分。

是的,这是现代cmos图像传感器的多工艺制造方法。一般来说,cmos是用一个晶片制造的,模拟和数字电路被“雕刻在一起”,而不是用多个晶片和不同的工艺制造不同的部件,然后“组装在一起”。因此,对于不需要(也不能)用先进技术制造的模拟器件,可以继续使用旧的65纳米、90纳米甚至130纳米进行制造,这可以带来更好的模拟信号精度。对于模数转换器和缓冲器等元件,可以使用最新的1x纳米技术来制造它们,从而使数字信号的转换和处理速度可以提高数十倍。

因此,我们在文章开头提到,基于cmos图像传感器的制造工艺和结构划分代数标准最终“上线”。从图中可以看出,最初的背照cmos被认为是第一代产品,随后是第二代结构,该结构使用两种不同的硅晶片堆叠工艺,通过tsv(硅通孔)工艺相互连接,随后是相同的两层堆叠,但是连接工艺从tsv改变为第三代的dbi(硅晶片的直接键合,相当于通过热压将铜线部分直接“键合”在硅晶片上)。此后,增加了dram缓存结构和双增益转换机制,堆叠硅片的数量变为三个,但连接模式又改回到第四代硅通孔。然后它从第三代发展而来,仍然只有两层晶片,但是连接模式进一步发展到每个像素之间的第五代精确键合和堆叠。最后,它是最新、最强大的第六代产品,无法在此图纸上绘制,使用集成dram、双模拟转换增益、三层硅片和内部键合互连。

读完以上文章后,让我们回忆一下我们对三星sak2l4和索尼imx445架构的介绍,这在文章开始时是有争议和令人困惑的。其中,三星sak2l4属于第四代cmos结构,这意味着内置双增益转换和片内dram缓存,能够实现960fps超高速摄像,无需帧插入,因此必须采用三层不同工艺的硅片。然而,在这三个硅片的互连中,三星sak2l4采用tsv(硅通孔)工艺,这意味着其体积将相对较大,电路延迟和干扰将稍高(比imx445)。

相比之下,索尼的imx445在图像和功能上都与sak2l4一致,但不同之处在于其三层硅片采用了更多的黑色技术键合连接(原子力或分子力的直接组合),这可以进一步节省cmos面积,缩短电路长度,并在微观层面上减少通信延迟和干扰。因此,从理论上讲,imx445的图像质量和技术已经达到cmos的最高水平。我们以前对sak2l4及其过程代数的解释没有犯任何错误,但解释不够充分,以致一些习惯于商业宣传的读者产生误解。

当然,把事情弄清楚并理解它们没有困难。此外,这再次提醒我们两个事实:一是cmos智能手机产品越先进,拍照就越好;另一个是,对于索尼的cmos来说,产品的性能指数、技术进步和它们的名字之间实际上并没有必然的联系。

[本文中的图片来自互联网]

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