索尼在半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展歷程以及圖像傳感器的下一站

靠著早幾十年在消費(fèi)電子產(chǎn)品方面的持續(xù)高質(zhì)量輸出，索尼在粉絲之間積累了大量的人氣，也獲得了一個(gè)眾所周知的“索尼大法好”這句野生口號(hào)。但除了終端產(chǎn)品以外，索尼在半導(dǎo)體領(lǐng)域的地位也不遑多讓。

根據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，在2005年以前，索尼半導(dǎo)體常年出現(xiàn)在全球半導(dǎo)體廠商前二十的榜單上，后來隨著韓國半導(dǎo)體的崛起，美國的卷土重來，索尼半導(dǎo)體也隨著日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的整體下滑而跌出了這個(gè)榜單。但在最近幾年智能手機(jī)的浪潮中，索尼憑借CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，簡稱CIS）強(qiáng)勢回歸榜單，且有越戰(zhàn)越勇之勢。最近，他們將目光瞄向了車載和TOF傳感器。

從收音機(jī)配件供應(yīng)商到CIS龍頭

1945年，索尼創(chuàng)始人井深大在東京創(chuàng)立了“東京通信研究所”，這就是索尼公司的前身。在成立的前十年，索尼的發(fā)展都不盡如人意，但邀請(qǐng)到盛田昭夫的加入，為索尼的未來發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。到了1955年，他們投入研究當(dāng)時(shí)不被看好的晶體管技術(shù)，并開發(fā)出了日本第一部晶體管收音機(jī)TR-55，隨之在1958年改名“索尼株式會(huì)社”。這個(gè)名字也就一直沿用至今。

索尼 TR=55的內(nèi)部構(gòu)造

成立的第二個(gè)十年，索尼便靠領(lǐng)先于世界的半導(dǎo)體收音機(jī)、錄音、警惕收音機(jī)和固態(tài)電路的家用電視機(jī)在全球打響了名堂。后來在WALKMAN、CD、電視機(jī)等一列的產(chǎn)品助攻下，逐漸建立了“索尼大法”的威名，并將自己的半導(dǎo)體業(yè)務(wù)發(fā)展到全球的領(lǐng)先水平，業(yè)績也持續(xù)上漲，專注的范圍也在轉(zhuǎn)變：

回顧索尼1990年的財(cái)報(bào)，他們主要專注于SRAM和CCD等業(yè)務(wù)；到2000年，則是電子元器件和LCD面板等產(chǎn)品；到了2007年，他們的財(cái)報(bào)再次強(qiáng)調(diào)了對(duì)CIS的投入。

財(cái)報(bào)中表示：“由于移動(dòng)手機(jī)和視頻攝像機(jī)的出貨量增長明顯，CIS的需求正處在上升期，索尼會(huì)加強(qiáng)在這方面業(yè)務(wù)的研發(fā)”。

索尼2007年財(cái)報(bào)對(duì)CMOS傳感器和OLED的描述

現(xiàn)在回看，索尼當(dāng)時(shí)的決策是很明智的決定。因?yàn)?007年喬布斯發(fā)布了第一款全觸屏的智能手機(jī)iPhone，并引爆了智能手機(jī)的發(fā)展潮流。這些手機(jī)除了從交互上帶來革命性的體驗(yàn)，還搭配了攝像頭。隨后幾年智能機(jī)的爆發(fā)性增長，CIS的出貨量也水漲船高，成就了今日的索尼。但當(dāng)時(shí)能有這個(gè)眼光，且有如此強(qiáng)的執(zhí)行力，這才是索尼CIS成功的關(guān)鍵。

CIS的營收趨勢圖（source：Yole Développement）

作為對(duì)比，在當(dāng)年財(cái)報(bào)里，索尼還提到了要關(guān)注OLED，他們認(rèn)為這是下一代顯示的重要技術(shù)。但JDI（整合了索尼、東芝與日立的中小型屏幕的公司）的現(xiàn)狀再次證明，有眼光只是成功的必要非充分條件，有好的技術(shù)迭代方向和執(zhí)行力才是成功的關(guān)鍵：

過去十年蘋果iPhone的CIS變化（source：techinsights）

例如，在蘋果發(fā)布的第一代iPhone上用的是Micron傳感器，然后到iPhone 3GS換了供應(yīng)商，但只是換到了豪威科技。直到2011年的iPhone 4S，蘋果才用上了SONY的CIS，也就是從那時(shí)候開始，SONY才開始逐漸征服了高端客戶，現(xiàn)在的高端機(jī)幾乎都毫不例外地使用SONY的傳感器，也給SONY獲取了高額的利潤和遙遙領(lǐng)先的市場份額。儼然CIS領(lǐng)域的龍頭。

2016年CIS的營收分布（source：Yole Développement）

根據(jù)Yole Développement的數(shù)據(jù)顯示，索尼CMOS圖像傳感器2016年的營收為4.858億美元，占了當(dāng)年CIS總營收的42%的份額。而緊隨其后的三星和豪威科技的份額僅有18%和12%，可見索尼在CIS上是絕對(duì)壟斷的。

根據(jù)索尼預(yù)計(jì)，其2017財(cái)年（截止到2018年3月底）的營業(yè)利潤將達(dá)到6300億日元（約56億美元），比去年同期增長一倍以上，其中半導(dǎo)體部門（大部分由影像傳感器業(yè)務(wù)組成） 將成為公司業(yè)績?cè)鲩L的最大的貢獻(xiàn)者。

獨(dú)占CIS市場的資本

索尼的傳感器業(yè)務(wù)其實(shí)已經(jīng)存在很多年了，CIS是他們過去研發(fā)相機(jī)用的CCD技術(shù)上的積累。這也是他們?cè)?007年推出了Exmor系列首款傳感器倍受歡迎的根本。而索尼領(lǐng)先于市場的首先在于他們?cè)贑IS中內(nèi)置了ADC。

根據(jù)愛活網(wǎng)的報(bào)道，在外置ADC傳感器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，每列像素產(chǎn)生的信號(hào)先通過降噪電路，匯聚后再通過外部總線傳輸?shù)絾蝹€(gè)或數(shù)個(gè)ADC之中。而Exmor每列像素?fù)碛歇?dú)立的ADC，在CIS芯片上即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過數(shù)字總線傳輸出去。由于Exmor的ADC數(shù)量非常龐大，每個(gè)ADC能在低頻率下運(yùn)行，僅達(dá)到kHz級(jí)別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外置ADC的MHz級(jí)別，有效減少了噪聲，也利于實(shí)現(xiàn)高速讀取。而且Exmor輸出的是數(shù)字信號(hào)，抗干擾性更好，易于長距離布線，亦無須ADC靠近CIS布置，大幅度簡化了PCB設(shè)計(jì)。

Exmor傳感器與傳統(tǒng)CIS的不同

另外，他們?cè)?012年推出的堆棧式Exmor RS系列芯片，是他們獲得現(xiàn)在成績的另一個(gè)關(guān)鍵。

據(jù)介紹，在這種兩顆芯片的堆棧式結(jié)構(gòu)中，頂部的那一顆芯片是用來捕捉圖像像素，底部的另一顆芯片則用來布置傳感器的電路。這樣可以將頂部的感光元件面積做得更大，就大大提升了傳感器的感光性能，畫質(zhì)也自然而然地提高。這也是索尼當(dāng)時(shí)能夠打敗豪威科技，獲得了iPhone 4S訂單的關(guān)鍵。

背照式傳感器和堆棧式傳感器的區(qū)別

要說清楚索尼這個(gè)技術(shù)的優(yōu)勢，首先要了解一下傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的工作原理。

一般的CMOS都由片上透鏡（microlenses）、彩色濾光片（On-chip color filters）、金屬排線、光電二極管和基板幾部分組成。而傳統(tǒng)的CMOS是下圖左邊的前照式。當(dāng)光線射入像素，經(jīng)過了片上透鏡和彩色濾光片后，先通過金屬排線層，最后光線才被光電二極管接收。

而大家都知道金屬是不透光的，甚至還會(huì)反光。因此在金屬排線這層光線就會(huì)被部分阻擋和反射掉，光電二極管吸收的光線能就只有剛進(jìn)來的時(shí)候的70％或更少；而且這反射還有可能串?dāng)_旁邊的像素，導(dǎo)致顏色失真。（目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價(jià)的鋁（Al），鋁對(duì)整個(gè)可見光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率。），這就催生了被找事CMOS。因?yàn)樗呐啪€層和光電二極管的位置和“前照式”正好顛倒，光線幾乎沒有阻擋和干擾地就下到光電二極管，光線利用率極高，所以背照式CMOS傳感器能更好的利用照射入的光線，在低照度環(huán)境下成像質(zhì)量也就更好了。

索尼本來為了節(jié)省體積而設(shè)計(jì)的堆棧式CIS，卻意外帶來了質(zhì)量的提升。這就與傳感器的制造過程不無關(guān)系。

跟CPU一樣，CMOS傳感器的制造也需要光刻機(jī)對(duì)硅晶圓進(jìn)行時(shí)刻行程像素區(qū)和電路區(qū)，同時(shí)為了提高像素集合光的效率，還需要“干刻”光波導(dǎo)管，這時(shí)候就對(duì)CMOS造成了損傷。為了把CMOS從損傷中恢復(fù)過來。就引入了“退火”程序，在這過程中就需要對(duì)整塊CMOS加熱，這時(shí)候就會(huì)對(duì)電路造成印象。因此堆棧式的設(shè)計(jì)將像素區(qū)和電路區(qū)分離，就避免了這個(gè)問題。

兩種模式處理電路的不同打造方式

索尼這個(gè)堆棧式方案還有一個(gè)突破，那就是通過基板，實(shí)現(xiàn)像素區(qū)和電路區(qū)的不同工藝制造，將兩者的質(zhì)量提高到最大化。具體做法是先用SOI和基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)差異，通過加熱將像素區(qū)和電路區(qū)分開，然后使用不同的工藝加工，加工完之后平在一起，就完成了完美的堆棧式CIS制造。

這種設(shè)計(jì)不但繼承了背照式的有點(diǎn)，還克服了制造商的限制缺陷，成就了索尼CSI今天的地位。

現(xiàn)在的堆棧式傳感器已經(jīng)成為了手機(jī)攝像頭的主流CIS。索尼更是再接再厲，在2017年2月推出了業(yè)界首款配備DRAM的三層堆棧式CMOS影像傳感器IMX400。據(jù)他們?cè)贗SSCC2017的論文中介紹，這個(gè)新型CIS的像素?cái)?shù)組位于裸晶的頂層，DRAM數(shù)組和列驅(qū)動(dòng)器位于中間，其余的區(qū)塊則位于底部的ISP裸晶。加入了DRAM能夠大大提升數(shù)據(jù)的讀取速度，滿足高質(zhì)量照片的拍攝更多方向的需求。

Sony新開發(fā)配備DRAM的三層堆棧式CMOS影像傳感器

未來看好車載和TOF傳感器

隨著手機(jī)雙攝成為主流，移動(dòng)手機(jī)市場的CIS還會(huì)是索尼未來成長的主要?jiǎng)恿Γ缢髂岚雽?dǎo)體業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Shimizu在接受路透社采訪時(shí)表示：“顯然，我們目前依賴智能手機(jī)市場，單個(gè)攝像頭轉(zhuǎn)向雙鏡頭的市場發(fā)展，對(duì)我們非常有利，不過這只帶來1％或2％的市場增長，所以這種紅利能持續(xù)多久（未來仍面臨挑戰(zhàn)）？”

為此，正如十年前iPhone面世索尼加強(qiáng)CIS研發(fā)一樣，索尼正在根據(jù)新趨勢布局新的市場，車載和TOF傳感器就是他們的下一個(gè)目標(biāo)。

首先在汽車領(lǐng)域，隨著智能汽車和自動(dòng)駕駛汽車逐漸火熱，汽車中引入的攝像頭越來越多，這就帶動(dòng)汽車CMOS圖像傳感器的增長需求。據(jù)IC Insights預(yù)測，汽車電子將成為CMOS圖像傳感器市場增長最快的領(lǐng)域，2016-2021年復(fù)合增長率達(dá)到14%，銷售將達(dá)到23億美元。為此索尼正在投入其中。

其實(shí)索尼在2014年就推出了其首款車載影像傳感器IMX224MQV，但一直沒有太多的進(jìn)展。到了去年10月，他們又推出了業(yè)界最高分辨率最高的車載堆疊型CMOS影像傳感器“IMX324”，該傳感器搭載于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）前端的傳感照相機(jī)，有效像素高達(dá)742萬。此次也是業(yè)界首次在車載影像傳感器中采用像素與信號(hào)處理部分相結(jié)合的堆疊結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高精度成像、小尺寸和低能耗。

索尼總裁兼首席執(zhí)行官平井一夫在日前舉辦的CES上表示，將面向未來，為實(shí)現(xiàn)深度自動(dòng)駕駛而努力。但從目前來看，索尼離第一的安森美還有很大的差距。

據(jù)公開資料顯示，在收購了Aptina Imaging以后，安森美在汽車CMOS圖像床干起的市場份額已經(jīng)高達(dá)46%，他們?cè)贚MF技術(shù)、堆疊晶圓技術(shù)和全局快門技術(shù)方面的積累，讓他們筑起了汽車電子的護(hù)城河。對(duì)于這個(gè)市場排名第四的村田來說，需要做的事還很多。

汽車CMOS傳感器市場

TOF傳感器則是索尼關(guān)注的另一個(gè)重點(diǎn)。談這個(gè)之前首先談一下3D傳感這個(gè)隨著iPhone X發(fā)布而火爆全球的概念。所謂3D傳感，就是通過光學(xué)元件發(fā)出的不可見紅外光（這些元件將光線分布成一個(gè)結(jié)構(gòu)模型或一片光線），系統(tǒng)能夠捕獲整個(gè)房間的縱向信息。獲得這些信息之后，就可以延伸很多的應(yīng)用，為此手機(jī)很多手機(jī)廠商都在爭進(jìn)這個(gè)方案。但圍繞著當(dāng)中的3D成像，有結(jié)構(gòu)光、TOF和雙目測距三種方案。TOF，也就是Time of Flight，亦即是是飛行時(shí)間因?yàn)轶w積小、誤差小、直接輸出深度數(shù)據(jù)、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)勢獲得了廠商的一致認(rèn)可。索尼也不例外。

iPhone X頭部密集的傳感器

在2015年10月，索尼宣布收購比利時(shí)測距影像傳感器技術(shù)公司 Softkinetic Systems S.A.，目標(biāo)就是該公司所擁有的Time-of-Flight (下稱ToF)測距影像傳感器技術(shù)。2017年12月，索尼宣布面向市場正式推出背照式飛行時(shí)間（下稱ToF）測距傳感器IMX456QL，該傳感器較前代產(chǎn)品測距性能進(jìn)一步提高，同時(shí)體積減小，僅為1 / 2英寸，并擁有VGA分辨率，能在以10微米為像素間距進(jìn)行開發(fā)，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，遠(yuǎn)近距離均能精確測距。索尼認(rèn)為這個(gè)產(chǎn)品能在自主型機(jī)器人、無人機(jī)、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）外，AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）/MR（混合現(xiàn)實(shí)）等市場的應(yīng)用提供更多的額想象空間。但在TOF傳感器這方面，ST也有很大的領(lǐng)先優(yōu)勢。

傳統(tǒng)手機(jī)CIS業(yè)務(wù)，三星ISOCELL技術(shù)來勢洶洶。新興業(yè)務(wù)強(qiáng)者林立，對(duì)索尼來說，未來面臨的是一場困難的攻堅(jiān)戰(zhàn)，不知道愛笑的平井一夫準(zhǔn)備好了沒有。