【微分享】索尼黑科技专栏--从SWIR图像传感器的开发看索尼是如何造芯片的？

SWIR（短波红外线）图像传感器在产品的品质检测中发挥着重要作用。不同于可见光，SWIR是一种红外线，可被广泛应用于检测，用以识别肉眼难以捕捉的划痕、异物混入等。此次，索尼开发的SWIR图像传感器，以业界较小*1 的5μm像素实现了多像素化和小型化，并且以其高动态范围的突出特点实现在可见光下成像。这款传感器拥有超出市面一般产品的高规格。由于是首次开发，团队也面临诸多前所未有的挑战。正是基于索尼半导体集团（以下简称本公司）独有的技术经验，这款产品才得以诞生。通过SWIR图像传感器开发故事的采访，我们可以通过这款全球创新产品的开发，一窥本集团公司的实力。

*1 在使用化合物半导体InGaAs（铟镓砷）的SWIR图像传感器中。索尼调查结果。（截至2020年5月）

受访人简介

索尼首款SWIR图像传感器

开发前即已积累行业标杆式的技术实力

SWIR、SWIR图像传感器究竟是什么？

Maruyama：SWIR（Short Wavelength Infra-Red）是红外线的一种。有些波段范围的红外线可以用于热成像技术以感知温度，比如人的体温，有些具备其他特性。其中，0.9μm-2.5μm波段的光被称为短波长红外线SWIR。

SWIR波段和可见光的反射/吸收方式不同，SWIR图像传感器运用这个特性，可以捕捉以往人眼无法识别的物体。另外，一部分物质不反射SWIR光，但可以让其透过，因此让SWIR光透过物体就可以对其内部进行辨识。

SWIR光还有一个特性，就是相比可见光不那么容易散射，因此可以穿透霞、雾，识别它们后面的物体。

凭借公司独有的技术，我们开发的SWIR图像传感器不仅可以捕捉波长1.7μm以下SWIR波段的影像，还能拍摄可见光波段的影像。

SWIR图像传感器应用于哪些行业和用途？

Osawa：SWIR可以穿透硅，还能将水分含量可视化。利用这一特性，SWIR图像传感器可被用于多个行业，其中以半导体和食品行业中的检测为主。例如，在半导体的检测中，半导体晶圆以硅为主材料，而硅具有吸收可见光的特性，因此如果使用捕捉可见光的设备进行拍摄，所呈现的图像就只是单纯的金属板。而红外线中的SWIR具备可穿透硅的特性，因此，用搭载SWIR图像传感器的相机拍摄，硅就会像透明玻璃一样一目了然，从而能够检测出晶圆内部的开裂以及混入的异物。
另外，水可以被可见光穿透，所以看起来是透明的。但如果利用某一SWIR波段的光进行观察，水会吸收这一波段的光线，呈现出与周围环境/物体不同的颜色。这种特性可以被用于了解物体哪个部分含有水分，例如食品检测行业，用于检测水果表面是否有伤痕，这是可见光相机难以做到的。

传统的SWIR图像传感器存在着哪些难题？

Osawa：SWIR图像传感器已经在很多行业得到广泛应用，但在技术上还存在重大难题。像素尺寸就是其中之一。传统的SWIR传感器每一个像素尺寸都比较大，因此，很难在一个传感器中配置许多像素，提升解像度是一大难题。从画质角度来说，这个问题导致难以拍摄清晰的影像，相机制造商必须在后期进行图像处理。另外，市面上现有的传感器都是模拟输出类的，因此，必须由相机进行数字转换，这样会造成相机信号电路处理的负荷增大，而且设计难度也非常大。

Maruyama：传统的SWIR图像传感器采用凸点（Bump）连接方式，用金属球连接像素内的磷化铟层和硅层。为了在凸点（Bump）连接下缩小像素尺寸，就必须以微米单位的间距精准配置这种金属球，而这样做非常困难。因为这种技术上的难题，传感器的微细化一直难以取得进展，图像传感器的价格也因此居高不下。

索尼首款SWIR图像传感器的开发是如何开始的？

Maruyama：刚才我也提到了，传统的SWIR图像传感器因为凸点（Bump）连接，微细化难以取得进展，但是我们发现，似乎可以使用索尼堆栈式图像传感器开发中研发的铜-铜连接*2技术来解决这个问题。利用这项技术，就能够以细微的间距配置像素。另外，传统的图像传感器使用硅作为光电转换膜，而SWIR波段的光可以透过硅材料，无法达到集光的效果。因此，必须使用铟砷化镓（以下称InGaAs）代替硅，用作光电二极管的材料，捕捉SWIR的光能，转换为电子信号。这是索尼的图像传感器不曾使用过的材料，但索尼其他的事业团队掌握了能够制造InGaAs化合物的半导体技术。并且，本集团公司还拥有光电数字转换技术。事实上，解决问题所需要的基础技术都已被我们公司掌握。将这些技术结合起来，就能开发出前所未有的小型且高解像度的SWIR图像传感器，我们带着这样的想法成立了项目小组。

*2 将像素芯片（上方）与逻辑芯片（下方）堆栈在一起时，通过连接两个Cu（铜）片导通电流的技术。Cu-Cu技术与TSV技术（ 通过像素区外的周边区域放置过孔来导通上下芯片电路的连接技术）相比，可提高设计自由度和生产效率，有望实现小型化、高性能化。

请介绍开发时的理念和力求实现的目标

Tsuji：我们坚信只要充分应用本集团公司掌握的技术，就能创造出优秀的产品，所以剩下的就是思考如何应用这些技术，创造出对客户而言好用的产品。我们首先搭载了应用于CMOS图像传感器中的列并行A/D转换电路，实现了SWIR图像传感器输出的数字化。这样，不仅相机制造商无需在后期准备A/D转换用的零部件，而且其他公司产品面临的画质问题也迎刃而解，大幅减轻了相机制造商在校正处理方面的负担。另外，InGaAs容易受到温度影响，因此，我们在图像传感器中搭载了数字温度计，使设备冷却时的温度控制变得方便。

Maruyama：我们已经知道，像素的微细化是可以实现的。但是我们认为“索尼不能只满足于此”。
SWIR图像传感器在光电二极管中使用了InGaAs，而制造InGaAs所必须的磷化铟 （以下称InP）层会导致无法捕捉可见光光谱中的影像。但是本集团公司采用的铜-铜连接的结构适合减小InP层的厚度。于是，我们决定开发也能够捕捉可见光影像的独特的SWIR图像传感器。

Osawa：我们认为，如果能开发出可捕捉可见光影像的SWIR图像传感器，结合在多光谱、高光谱等多种波长范围内皆能成像的系统，就能充分发挥传感器宽波段的特点，大幅提升产品的市场价值。

Maruyama：还有一点。传统的SWIR图像传感器存在很多缺陷。比如，拍摄暗处时会出现大片白斑。这种现象源于InGaAs材料的品质问题。我们公司在以往的激光开发过程中已经成功掌握化合物半导体制造技术，应用该技术，我们开发出了没有缺陷的高品质传感器。

Ogasawara：我负责传感器封装的规格制定，主要工作就是制定并开发实现内置电子冷却元件的陶瓷PGA封装（以下称冷却封装）的冷却规格。

相比可见光，SWIR波段的能量更弱，所以，捕捉SWIR的图像传感器非常敏感，极易受到温度的影响，1℃、2℃的微弱差异就会影响画质。这一问题势必会增加成本和供货挑战，如不能解决，较终产品的市场化也会受到影响。为了全面发挥它的优势，我们决定，除了一般的封装式样，再新开发一款内置冷却装置的封装。

但是如果通过单纯的降温进行冷却会出现结露，为了避免结露，我们在传感器周围采用了密闭结构。另外，因为传感器的数字化，从贴装中伸出的引脚数增加，封装内的散热空间变小。我们分析并权衡这些利弊，确保了规格的设定考虑到两方面的平衡。

我们有信心开发出超越其他公司的产品，

但是另一方面，在开发初期阶段，遇到的挑战多达300项

在开发中经历了哪些困难

Tsuji：因为要开发公司第一款使用InGaAs的SWIR图像传感器，我们在开发初期就细查可能出现的问题点，结果发现了大大小小300多条。而且，随着开发的推进，不断有新的问题被发现，总而言之，有堆积如山的难点需要我们去解决。并且，还出现了一些过去使用晶圆时不曾看到、使用InGaAs才有的现象，站在终端产品的角度要如何处理这些现象，也是必须讨论解决的。

Maruyama：我们整个图像传感器的开发团队并不了解InGaAs相关知识。激光开发团队的同事虽然不具备图像传感器的知识，但是擅长制造InGaAs所需的化合物半导体技术。于是我们决定从一开始就联手，共同进行技术开发。

另外，硅材料已经实现大晶圆大批量的生产，而传统的InGaAs材料只能用小晶圆来量产，如果我们的SWIR图像传感器不能像硅材料那样大批量生产，那从成本和供应稳定性来说，就不能算是一款合格的产品。另外，考虑到我们的工厂是首次采用InGaAs材料，我们决定邀请工厂方面的员工从开发初期就参与项目，共同探讨量产方案。

Ogasawara：与一般的图像传感器的开发不同，此次的开发参与人数众多，各自的职责和体制也不同于往常。作为开发小组的副组长，我非常关注信息共享，努力让各个团队分工明确而又紧密合作。
在封装的开发中我们经历的困难是，在原型样机上工作没问题的冷却功能，到了量产开发阶段却突发异常。以冷却封装为宣传点的产品无法正常冷却，这是生死攸关的问题。为此，我们决定回到起点，从较初设计开始全面彻查原因，较终解决了问题。

Osawa：公司的品质管理要求非常严格。此次的SWIR图像传感器，虽然是第一次开发和产品化，但是为了确保与过去的CMOS图像传感器具备相同的高品质，开发和制造团队都付出了很多努力。

攻克这些挑战的关键在哪里？

Tsuji：通常，问题管控与解决是由项目组长主导的，但是此次，我们面临的挑战多达300项，仅凭一人之力难以实现，因此，这些课题被分配给各个团队，如果是涉及多个团队的难题，我会牵头进行解决。虽然存在很多挑战，但是我们向客户展示了预先制作的样机后，得到了客户的好评，甚至听到了“完全是不同维度的高画质”这样的超高评价，成员们因此热情高涨，开发工作顺利推进。
在碰到与普通硅材料不同的问题时，我们积极向客户公开信息，努力让客户理解这款传感器的特点。

Maruyama：关于晶圆大型化的难题，我们从初期阶段就认识到，只能采用切割再粘贴的方式。问题就是粘贴的方法。虽然大家想了很多方案，但是都不顺利。于是，我们咨询了集团公司内的许多工程师。我一直认为“在技术面前，没有职位高低之分，人人平等”，因此，从老员工到新人，切切实实地从头到尾问了个遍。就这样，我们收集了各种方案，经过讨论和验证，较终攻克了难题。在这些方案中，还包含了许多半导体上不曾应用过的技术。这些方案，只靠我们自己是绝对想不到的，实际上，正是凭借这些半导体以外的方案，我们才实现了晶圆的大型化。

公司聚集了各种人才，因此能提出各种方案。而且公司鼓励大家相互学习、咨询，对于你的问题，大家都会热情回答。有时对方还会一起加入到团队中来。“即使写在白板上，告诉你们要这样做，你们大概也不明白，所以直接看我做吧”，像这样，实际上手提供帮助的人也不少。开发者往往是技术难度越高，热情越高涨。

Ogasawara：公司里有一些人具备丰富的热能知识，我想要找他们进行咨询，但是他们对于图像传感器并不熟悉，因此，面临的热能问题的关键在哪里，自己必须要清楚。如果不了解应该咨询的要点，那么回答的一方就会偏离方向。因此，即使我在热能方面缺少知识，也要彻底思考，整理事实，掌握问题所在。

然后回归基础，从热能是如何传递开始，理解相关知识。在此基础上进行仿真，用样品测定热能的移动，彻底掌握使用这种封装时热能的移动方式，终于找到了无法冷却的原因，基于对产品封装技术的理解，掌握了较终量产所需的评估测试，为产品的品质管理做出了自己的贡献。

颠覆性的索尼SWIR图像传感器
有望迅速开拓市场

凭借索尼的SWIR图像传感器有望提供哪些解决方案

Osawa：像素的微细化和多像素化将带来很多好处，比如可识别过去无法检测的细微划痕等，检测品质有望提升。另外，数字化让相机设计变得更加简单，再加上成本优势，这款SWIR图像传感器的价格非常易于让客户接受。“让更高品质的检测在世界范围内得到普及”，是我们的心愿，我们确信，此次的SWIR图像传感器将为我们达成心愿发挥重大作用。甚至一些客户高度评价这款产品为“杰作”。

我们的SWIR图像传感器具备很多本集团公司产品特有的特点，比如使用方便和性能卓越等等，相信在市场带上将不同凡响。我们还将利用这些特点，思考开发新的应用方案。

相关新闻稿 :
索尼发布工业设备用SWIR图像传感器，采用业界震惊的5微米像素尺寸，在可见光和不可见光光谱中均可捕捉影像

相关页面　：　SWIR技术

请介绍未来SWIR图像传感器的可能性

Osawa：一般认为图像传感器的检测精度会因为AI的应用而提升，但是，对于实现这一点，能否提供清晰的图像让AI进行学习这个问题非常重要。如果AI获取到我们的传感器拍摄的精细图像，它就可能提高传感器的精度，从而发现过去难以发现的更加细微的问题。另外，如果能在同时覆盖可见光和SWIR波长范围的超高光谱下进行检测，将达到超乎想象的检测品质。

请介绍未来要挑战的目标

Osawa：索尼首款SWIR图像传感器是在许多人的热情支持下开发而成的。凭借SWIR图像传感器，我们有望向过去不曾导入、甚至不曾考虑索尼产品的客户提供解决方案，让他们考虑导入我们的产品。SWIR的波长范围蕴含着许多的可能性，可以满足各领域客户的各种需求，我们将努力帮助更多客户发现问题、解决问题。

Tsuji：今后，希望不曾使用过SWIR图像传感器的客户也能考虑使用我们的产品。为此，我们还要进一步提升产品的易用性，将其打造为一款任何人都能轻松使用的图像传感器，绝不输于本集团公司的其他CMOS图像传感器。

Maruyama：此次的SWIR图像传感器在性能方面还有很大的提升空间。我们非常自豪，目前我们的产品比其他公司领先一筹，我们还会继续努力，力争进一步扩大我们的产品优势。我们希望为产品增加索尼才能提供的各种独特的功能，打造独一无二的传感器。

Ogasawara：此次，我们的开发经历了许多第一次。产品一经推出，将会收到客户的反馈。我们将重视这些意见，创造出更加优秀的下一代产品。另外，就封装的新方案而言，我们认为如果不深思熟虑，就无法创造出好用的产品。所以我们将听取客户意见，思考超越客户期待的易于使用的封装，将其反映到下一代产品上。