031、CCD与CMOS像素架构演进从FSI到BSI再到Stacked与Organic的变革去年在调试一款车载环视摄像头时遇到一个让人抓狂的问题——夜间低照度场景下画面边缘出现明显的紫色条纹像是有人用紫光笔在图像上画了几道。团队里新来的算法工程师第一反应是ISP的demosaic算法有问题调了三天增益矩阵紫色条纹纹丝不动。最后我让他把镜头拆了用显微镜看传感器表面才发现是FSI架构的像素在边缘大角度入射光下金属布线层把光线反射到了相邻像素的彩色滤光片上——典型的串扰问题。这个坑让我决定把像素架构的演进史好好梳理一遍。从CCD说起那个电荷“传送带”的时代CCD的全称是电荷耦合器件听起来高大上本质上就是个电荷传送带。每个像素收集光子产生电子然后像接力赛一样一个像素一个像素地把电荷传到角落的放大器。这种架构的好处是噪声极低——因为放大器只有一个一致性极好。2005年之前高端数码相机、天文望远镜、医疗X光机清一色CCD。但CCD有个致命伤功耗高、速度慢。传送带要精确控制电压一帧画面需要把所有像素的电荷串行读出帧率上不去。更麻烦的是CCD无法与CMOS逻辑工艺兼容——你没法把ADC、DSP、存储做到同一颗芯片上。所以当年CCD相机的主板上传感器是一颗芯片周边围着一圈模拟前端、时序发生器、ADC像皇帝身边站满了太监。FSI正面照光的“遮阳伞”困境CMOS图像传感器早期走的是FSIFront-Side Illumination路线。每个像素的感光区域上方先是一层金属互联线用来传输像素内的控制信号和读出信号然后才是微透镜和彩色滤光片。想象一下光从镜头进来先穿过微透镜然后被金属线挡住一部分剩下的才落到光电二极管上。金属线就像一把遮阳伞把感光区域遮掉了一大块。业内管这个叫“填充因子”——感光面积占像素总面积的比例。早期0.35微米工艺下一个5.6微米的像素填充因子可能只有30%多。这意味着70%的光被金属线反射或吸收了。我当年调试一款安防监控摄像头客户要求0.01 lux下能看清人脸。FSI传感器在这么暗的环境下信噪比惨不忍睹——信号弱但读出噪声和暗电流一点没少。最后只能靠长曝光但长曝光又带来运动模糊。那段时间我天天跟算法团队吵架他们嫌图像太糊我嫌他们降噪算法太激进把细节磨没了。后来换了BSI传感器问题迎刃而解——不是算法进步了是物理上多收了30%的光。FSI还有个隐藏问题微透镜的偏移设计。因为金属线在像素中间为了把光“挤”到感光区微透镜必须做偏心设计。中心像素的微透镜居中越往边缘微透镜偏移量越大。偏移量算错了边缘就会出现我开头说的那种串扰——光打到了相邻像素的滤光片上。这个偏移量跟镜头的光学中心、主光线角都有关系换一颗镜头就得重新校准产线上调参调到吐。BSI把传感器“翻个面”BSIBack-Side Illumination的突破性在于把硅片减薄然后翻转过来让光从背面入射。金属线被甩到了背面正面就是干干净净的感光区域。填充因子直接飙升到接近100%——当然实际还要考虑像素间隔离、晶体管占用但至少80%以上。索尼在2008年率先量产了BSI传感器用在手机摄像头上。那一年iPhone 4S的摄像头表现惊艳低照度噪点控制吊打同期竞品背后就是BSI的功劳。我拆过那款传感器硅片厚度减到了2-3微米——要知道普通硅片是700微米厚减薄到这个程度工艺难度极大良率一度很低。BSI带来的好处不止是进光量。因为不需要微透镜偏移来补偿金属线遮挡边缘像素的串扰大幅降低。而且像素可以做更小——FSI时代像素尺寸卡在1.4微米左右就下不去了因为金属线占用的面积比例会随像素缩小而急剧增大。BSI让像素尺寸一路降到了0.8微米、0.7微米甚至0.56微米。但BSI不是没有代价。减薄后的硅片机械强度极差一片8英寸晶圆薄得像纸拿镊子一碰就碎。封装环节需要特殊的支撑结构。另外背面入射意味着光要先穿过硅衬底——虽然减薄了但硅对短波长蓝光的吸收系数高蓝光在硅中穿透深度浅如果减薄不够蓝光还没到感光区就被吸收了。所以BSI传感器的蓝光响应往往偏弱需要ISP做白平衡补偿。这里踩过坑某次调试医疗内窥镜发现BSI传感器拍出来的组织颜色偏黄调了半天白平衡参数最后发现是蓝光响应不足得在传感器端加一层蓝光增强涂层。Stacked把“平房”改成“楼房”BSI解决了进光量问题但像素尺寸继续缩小后新的瓶颈出现了像素面积太小单个像素能容纳的满阱容量Full Well Capacity不够。满阱容量决定了像素能收集的最大电子数直接关系到动态范围。一个1.0微米的像素满阱可能只有3000-5000个电子而一个2.0微米的像素能做到15000-20000个电子。小像素拍高动态场景高光部分一片死白。Stacked堆叠式架构的思路是把像素层和逻辑电路层分开像盖楼房一样一层住像素一层住电路。像素层只负责感光逻辑层负责读出、ADC、时序控制、甚至部分ISP处理。两层之间通过硅通孔TSV或混合键合Hybrid Bonding连接。索尼在2012年推出了首款Stacked CMOS传感器用在Xperia手机上。我当时在手机厂商做影像系统拿到样品后测了一下读出噪声比同代BSI低了将近一半。原因很简单逻辑层用了更先进的工艺节点比如28nm甚至16nm晶体管速度更快、噪声更低。而像素层不需要先进工艺用65nm甚至90nm就够了——像素尺寸由光学决定不是由晶体管尺寸决定。Stacked架构还有一个隐藏优势可以在逻辑层集成DRAM。索尼的IMX400系列传感器在逻辑层塞进了1GB的DRAM可以实现960fps的超慢动作视频。原理是高速连拍时先把图像数据暂存到片上的DRAM然后慢慢读出。没有这个DRAM数据带宽根本扛不住。但Stacked的工艺难度极高。两层晶圆要精确对准键合界面的导电通孔电阻要足够低热膨胀系数要匹配。早期Stacked传感器的良率只有BSI的60%-70%成本翻倍。不过随着技术成熟现在中高端手机传感器基本全是Stacked架构。Organic用“塑料”代替“硅”Organic有机像素架构是最近几年才从实验室走向量产的技术。核心思想用有机光电转换材料代替硅基光电二极管。有机材料对光的吸收系数比硅高得多尤其是蓝光和紫外波段。一个1微米厚的有机薄膜就能吸收90%以上的可见光而硅需要3-5微米。这意味着什么像素可以做得更薄而且不需要减薄硅片。有机材料可以涂布在CMOS读出电路上直接形成感光层。这本质上是一种“单层Stacked”——感光层和电路层天然分离不需要TSV或混合键合。松下在2016年展示了有机CMOS传感器原型动态范围超过120dB远超传统硅基传感器的60-70dB。原理是有机材料的光电转换效率随光强变化呈非线性——弱光下增益高强光下增益自动降低。这相当于在像素层面实现了HDR不需要多帧合成。我去年参与了一个车载HDR传感器的预研项目对比了传统3次曝光合成方案和有机传感器方案。3次曝光方案需要三帧数据运动物体边缘会有鬼影算法补偿后还是会有残影。有机传感器单帧就能实现120dB动态范围运动场景干净利落。但有机材料的老化问题还没完全解决——紫外线下长期工作量子效率会下降。车载摄像头要保证10年寿命这个可靠性数据还不够。像素架构选择的实战建议做了十五年影像系统踩过的坑比走过的路还多。关于像素架构选择给几条个人经验低照度优先选BSI或Stacked。FSI在暗光下就是灾难别指望ISP能救回来。物理上多收30%的光比任何降噪算法都管用。但注意BSI的蓝光响应——如果应用场景涉及医疗内窥镜或荧光成像一定要测一下蓝光波段的QE曲线。高动态场景必须Stacked或Organic。FSI和BSI的满阱容量受限于像素面积做不了大动态。Stacked可以把大像素的满阱和小像素的读出噪声结合起来——比如2x2 binning模式四个小像素合并成一个大像素满阱翻四倍。Organic更激进但可靠性数据不够消费电子可以上车规和工业慎用。成本敏感选FSI但别做小像素。FSI在2微米以上像素尺寸时性能差距没那么大。安防监控的5微米像素FSI和BSI的差距在10%以内但FSI成本低30%。不过像素小于1.4微米就别用FSI了金属线遮挡比例太高串扰会让你怀疑人生。产线校准注意微透镜偏移。无论FSI还是BSI微透镜阵列都需要根据镜头主光线角做校准。换镜头供应商或改镜头设计一定要重新标定微透镜偏移量。我见过某厂商为了省事用同一套微透镜掩模版适配不同镜头结果边缘画质惨不忍睹。关注暗电流温度特性。BSI和Stacked的暗电流通常比FSI高因为减薄后的硅片表面态密度增加。车载摄像头工作温度范围-40°C到105°C高温下暗电流会暴涨。选型时一定要看datasheet里的暗电流温度曲线别只看25°C的典型值。最后说一句像素架构只是影像系统的起点不是终点。再好的传感器配上一颗烂镜头、一套烂ISP出来的也是烂图。但反过来传感器选错了后面再怎么调也救不回来。这就是为什么我每次做系统设计第一件事就是跟传感器厂商要样品在目标场景下实测——数据说话别信PPT。