影像體驗一直是消費者購買智能手機時非常關注的一個特性，對高成像品質的追求也推動著高品質圖像傳感器的需求，高端CMOS圖像傳感器（CIS）一度成為手機產業鏈中的短板，造成下游終端廠商出貨受阻。雖然目前短板得以彌補，但CMOS圖像傳感器技術革新的步伐從來沒有停止。

　

更高像素、更小像素尺寸是CIS演進方向

 

隨著人們對高像素的不斷追求，智能手機的攝像頭像素也不斷走高。目前高端智能手機的后置攝像頭已達到13M，有些甚至16M、20M，相應的前置攝像頭像素多為5M和8M。對攝像頭參數的追逐，這導致13M的CMOS圖像傳感器一度缺貨。

 

 

北京思比科微電子技術股份有限公司 董事長陳杰

 

北京思比科微電子技術股份有限公司（以下簡稱“思比科”）董事長陳杰告訴記者，去年高品質且能穩定量產1，300萬像素CMOS圖像傳感器的廠家只有SONY公司，而SONY公司因Apple需求大產能不能滿足整個市場需求，造成13M芯片大面積缺貨。不過，隨著三星公司的13M產品也進入穩定量產階段，填補了SONY的缺口。目前，SONY的13M產品產能也充足，缺貨問題得到解決。

 

一直以來，圖像傳感器的中高端、高端市場被國外公司所占據，SONY、三星和OmniVision占據著市場前三名，相關數據顯示，2014年這三家企業的市場占有率達到63％。中國廠商則主要耕耘在中低端市場。陳杰說，在8M以上高端產品方面的工藝平臺方面，本土廠家與國外企業還存在較大差距。國外主流平臺是12‘，BSI或BSI+Stacking工藝，像素尺寸為1.12um。本土廠家平臺大多數是8’FSI工藝，像素尺寸為1.4um。他同時也指出，電路設計技術差距并不大，若有相同的工藝平臺支持，差距將大大縮小。

 

“目前中端智能機的后置攝像頭多為5M、8M，前置攝像頭多為2M、5M；低端智能機后攝像頭一般為2M、5M，前置攝像頭為0.3M和2M。”陳杰告訴記者，思比科可以自主開發1.4um像素工藝，目前批量供貨的產品為8M、5M、2M和0.3M系列產品，產品定位為中低端智能機市場，以高性價比和良好的技術服務為主要競爭優勢。他透露，下一步思比科將全面升級0.3M、2M、5M產品線，進一步提升性價比優勢，并將與合作伙伴合作推出高性價比13M產品。

 

當然，業界所追求的并非只是像素數量，還有像素尺寸。東芝電子（中國）有限公司系統LSI戰略策劃部技術總監金子武彥稱，目前，智能手機上前置攝像頭8Mpix所占比例最大，并且前置攝像頭要求模組的高度要低，要求sensor的光學尺寸為1/4英寸，而非1/3英寸，換句話說，像素尺寸1.12um、8Mpix為最大尺寸。后置攝像頭以13Mpix產品居多。目前，東芝量產產品最小像素尺寸為1.12um，其已將1.12um的單像素尺寸應用至8Mpix、13Mpix和16Mpix圖像傳感器。

 

安森美半導體圖像傳感器部移動及消費副總裁兼總經理Shung Chieh也表示，市場中很多CIS的像素尺寸已經從2.0 um降至1.1 um，目前1.1 um是前置和后置攝像頭的主要像素尺寸，而且整體市場還在繼續轉向更小的像素尺寸。Shung Chieh直言，面向手機市場，安森美提供的產品系列，從2.8 um到1.1 um配以從VGA到1800萬像素的分辨率，其中以1/3.2英寸、1300萬像素產品系列最為重要，這系列產品具有領先的像素靈敏度、量子效率和低傳感器噪聲，提供高品質的圖像。

 

“隨著智能手機市場推動圖像分辨率越來越高，要求像素尺寸越來越小，分辨率增加的愿望雖然不會停止但肯定會減慢。” Shung Chieh如是說。

 

近年來，CIS領域不斷上演著并購案，如安森美半導體在繼收購了Truesense Imaging和Cypress半導體的圖像傳感器業務之后，去年又收購了Aptina Imaging；今年OmniVision被中資機構所收購。“大者恒大”的局面在CIS領域一直在持續。陳杰稱，手機市場高端CIS芯片被國際巨頭把控的格局在短期內將不會改變，中低端市場競爭將愈發激烈，產業可能面臨大的整合。

BSI+Stacking工藝嶄露頭角，PDAF成市場亮點

 

隨著業界對更高分辨率、更小像素尺寸的追逐，CMOS圖像傳感器的技術革新也從來沒有停止。無疑，背照式成像技術(BSI)是一重大突破——支持更小像素尺寸和提高分辨率，不過，這還遠遠不夠。

 

值得注意的是，既要支持更小的像素尺寸，同時又不降低CIS整體的圖像品質，這往往是一對矛盾體。陳杰表示，1.12um及更小像素，需要BSI或BSI+Stacking工藝支持。另外，全尺寸30fps預覽對Sensor的功耗要求也很高。因此，需要工藝和電路兩方面都要做好才行。金子武彥說，要實現像素的小型化，確保靈敏度和飽和電子數的像素結構很重要。同時，為了確保顏色再現性和分辨率，需要相鄰的像素信號不混合的結構。

 

 

安森美半導體圖像傳感器部移動及消費副總裁兼總經理Shung Chieh

 

為了兼顧高分辨率、小像素尺寸和低功耗，不少企業正在或已開發出堆棧技術。金子武彥稱，目前東芝正在開發一項堆棧技術，可在晶圓級別疊加圖像傳感器和邏輯電路。因為其不僅能改善圖像傳感器的高速讀取等性能，還能夠追加功能，因此提高了開發出別具特色的產品的可能性。他透露，這項技術今后將應用于對高性能、多功能要求高的高端產品。另外，他還透露，以2016年產品化為目標，東芝正在開發1.0um的像素。

 

安森美則已開發出先進的堆疊技術。Shung Chieh稱，將把堆疊技術用于未來產品，支持優化像素性能和獨立支援電路。

 

除了堆棧技術，相位檢測自動對焦（PDAF）也是廠家爭相推出的一項新技術。其實，在主傳感器中加入相位對焦像素在微單領域并不是什么新技術，但用在手機上卻是一大亮點。SONY、三星、OmniVision這三大圖像傳感器廠商已經推出了相應的PDAF傳感器。據金子武彥透露，東芝帶PDAF像素的16Mpix新產品，將在今年第四季度開始量產。

 

憑借工藝專長和顏色濾波陣列(CFA)，安森美在今年也推出了PDAF技術，采用獨特的微鏡架構，可在微光下快速自動對焦。Shung Chieh說，安森美已付運的產品或提供的樣版，具有行業標準的Bayer顏色模式、更高靈敏度的Clarity+技術和PDAF技術。Clarity+技術是安森美2014年推出的一項技術，主要采用清晰的像素來提高傳感器靈敏度，用于更好的微光成像。Shung Chieh透露，目前安森美正致力于下一代像素技術，更低功耗、更快速度和更好噪聲性能的高性能設計架構已在開發中。未來還將探索結合這些技術，開發新技術并無縫集成安森美其它技術和產品。

 

目前，iPhone 6、三星S5、 vivo X5Pro、OPPO R7等不少手機已經引入相位檢測自動對焦技術。相信不久的將來，會有越來越多的手機搭載這一技術。

 

 

新興應用蘊藏新商機 廠商多點布局

 

無疑，手機攝像頭一直是CIS最重要、也是最大的應用領域，雖然智能手機增速放緩，但CIS在這一領域依然還有足夠的發展空間。不過，應該看到，更多新的應用市場增長迅速，將成為CIS新的增長動力。

 

陳杰表示，智能手機在中國和發達國家已經趨于飽和，但在發展中國家的普及率還不高，還有足夠的發展空間。另外，采用雙攝像頭、陣列攝像頭等新技術可能帶來新的應用和體驗，這將進一步提升CIS市場需求。同時，手機是一種消費品，更新換代速度快，對攝像頭芯片的需求量依然很大。陳杰認為，后置雙攝像頭和陣列攝像頭會產生新的功能和用戶體驗，會成為將來的一種發展趨勢。

 

實際上，除了智能手機，思比科在非手機類CIS芯片研發方面已具備良好技術儲備和競爭優勢。據陳杰介紹，思比科已自主開發成功了國產高可靠性CIS工藝和高動態、超高速、高精度（12bit至14bit）片上列ADC電路、ISP等關鍵技術，可以滿足高清監控、車載、機器人、無人機等工業級應用的技術要求。“能夠開發全國產化的高可靠性、高性能、工業級CMOS圖像傳感器系列芯片是我們的重要優勢，我們看重高清監控、車載、機器人、無人機等高可靠性應用市場。” 陳杰說。

 

東芝除了在手機市場大力投入外，還在開發需求急速增長的車載用攝像頭的CIS。“車載用傳感器與手機用傳感器相比，在規格上存在一些不同的要求項，但作為圖像傳感器的基本要求，如靈敏度、飽和度等大都是共通的，所以可以有效利用手機產品的開發技術。” 金子武彥說，“今后的市場將從拍攝之后查看圖像這一應用領域擴展到對圖像進行識別的應用領域，如用于個人身份認證的臉部認證、虹膜認證和車載攝像頭的障礙物識別等。”

 

基于攝像機的安防系統和視覺應用，安森美關注的應用市場更為廣泛。Shung Chieh稱，除了手機，汽車、醫療內窺鏡、掃描、工業制造、物聯網(IoT)連接設備、無人機、運動相機、車載硬盤錄像機(DVR)、高端電影攝像機和航空應用都是安森美關注的應用市場，安森美已做好準備為所有CMOS成像市場提供產品。

 

在除智能手機之外的其它應用市場，CIS正展現著它的魅力。汽車電子與機器視覺的應用、安全監護系統、醫療影像以及與物聯網相關的各種光電傳感應用等應用場景已然成為CIS新的增長動力，而國內外CIS廠商已經注意到了這一變化。