来源：容么么看科技

像传感器CIS是一个200亿美元的芯片市场，每一个摄像头都需要1颗图像传感器。2000年左右CIS开始逐步替代CCD成为消费领域主流技术路线，2010年左右智能手机开始堆摄像头数量，更是开启了CIS十年4倍的爆发式增长。

全球CIS供应商主要是索尼、三星和豪威（韦尔）等，前三家合计市占率75%，国产厂商还有格科微、思特威、元视芯、芯视达、创视微等，整体国产化率估计达到了20%。

图：全球CIS市场规模十年4倍增长

国产厂商受益于客户距离近，这几年逐步进入客户的旗舰机，比如豪威就进了华为、荣耀、小米的旗舰机，华为P70就重点采用了豪威的。

图：国产旗舰机采用的CIS型号

索尼作为CIS龙头（市占率50%），其技术路线一直是国产厂商的追赶目标。从最开始的前照式结构（FI）到背照式结构（BI），再到近期的堆栈式结构（Stack BI），索尼在不断提升CIS的分辨率（5000万、1亿像素），像素尺寸（1um像素点）、光学尺寸（1英寸）等等。CIS芯片的制程并不先进（至多也是28nm），但需要用到先进封装，因此索尼经常在IEEE各类会议上披露其最新CIS进展。

索尼CIS封装技术路线规划：

2008年，开始采用背照式结构，提升灵敏度。

2012年，采用堆叠式结构，开始采用硅通孔（TSV）工艺，将上层CIS芯片与下层逻辑芯片链接。

2015 年，采用三维堆叠技术，铜-铜（Cu-Cu）混合键合技术，细间距 Cu-Cu 混合键合实现了宽动态范围和高速处理。

2023 年，发布了 400mm2 以上大芯片晶圆铜铜混合键合工艺。这种多层堆叠的 CIS 可附加各种功能（包括AI功能）

图：索尼CIS封装演进路线，从前照式结构、背照式结构一直到最新的混合键合堆叠式结构

一、索尼在2016年首次正式披露CIS采用铜/铜混合键合工艺

Nove_stacked_CMOS_image_sensor_with_advanced_Cu2Cu_hybrid_bonding（IEDM 2016）

2010年以来，堆叠式背照式 CMOS 图像传感器 (BI-CIS) 已普遍用于高端照相手机和数码单反相机。索尼2012年发布了一种带有 TSV 的 BI-CIS，它将 CIS 和图像信号处理器 (ISP) 连接在一起。而在2016年为BI-CIS 提出了一种新的堆叠结构，使用高强度的 Cu-Cu 混合键合。

混合键合是一种同时通过铜-铜金属键合和层间介质（ILD）-ILD 氧化物键合来连接两个基板的方法。传统的氧化物键合需要 TSV 来实现两个基底的电气连接。但混合键合不需要 TSV，因为它可以同时在物理和电气上连接两个基底。制作 TSV 需要特殊的制造设备，如深硅刻蚀机和高覆盖率金属/电介质沉积工具。除了制造问题，还有器件问题。特别是保留区（KOZ）对器件规格和电路设计有很大影响。而混合键合则不存在这些问题。它基本上可以通过传统的封装工艺制造，无需特殊设备。此外，铜连接垫位于封装层的顶部，在制造过程中不会干扰晶体管。

Cu2Cu 混合键合工艺流程如下图所示。沟槽和通孔是在每个晶片的封装外层制作的。然后，通过物理气相沉积（PVD）形成阻挡金属和铜种子。然后，通过电化学沉积 (ECD) 填充铜，并在适当的温度下退火。通过化学机械抛光 (CMP) 去除多余的铜，以显示铜连接垫和介电场。两个晶片面对面粘合后，对粘合的晶片进行退火处理，以形成刚性连接。

图：索尼2016年的混合键合工艺流程

采用 Cu2Cu 混合键合工艺制造出了具有 2250 万像素 1/2.6 英寸的堆叠式 BI-CIS，其特点是 1.0µm 单位像素尺寸和 ISP。如图所示，上下两侧的铜垫连接牢固，键合界面没有任何空隙。

（格科微直到2022年才做出类似的芯片，时间差距6年）

图：索尼2016年做到2250万像素 

二、索尼在2021年发布带有AI功能的图像传感器

9.6 A 1/2.3inch 12.3Mpixel with On-Chip 4.97TOPS/W CNN Processor Back-Illuminated Stacked CMOS Image Sensor（ISSCC 2021）

2021 年，索尼披露了一种堆叠式 CMOS 图像传感器，包括 1230 万像素和一个专用于 CNN 计算的 DSP。如图所示，该传感器由一个集成解决方案堆叠而成，将完整的图像捕获传输到一个 CNN 推理处理器，处理速度可达 120 fps，包括图像捕获和使用 4.97 TOPS/W DSP 的片上 CNN 处理。处理模块包括一个用于 CNN 输入预处理的 ISP、一个针对 CNN 处理进行了优化的 DSP 子系统，以及一个用于存储 CNN 权重和运行时内存的 8MB L2 SRAM。智能视觉传感器能够在传感器上运行完整的 CNN 推理过程，它可以通过 MIPI 接口在同一帧中输出所捕获图像的原始数据和 CNN 推理结果。该传感器还支持仅通过 SPI 接口输出 CNN 推理结果，以实现小型相机，降低系统功耗和成本。传感器上的 CNN 推断处理器允许用户将自己喜欢的人工智能AI模型编程到嵌入式存储器中，并根据系统使用地点的要求或条件重新编程。例如，安装在设施入口处时，它可以用来计算进入设施的访客人数；安装在商店货架上时，它可以用来检测库存短缺情况；安装在天花板上时，它可以用来绘制商店访客的热图。智能视觉传感器有望利用灵活的人工智能模型为各种应用提供低成本的边缘人工智能系统。

 （这一类产品国产CIS公司尚未布局，但不少AI边缘芯片创业公司有涉及）

三、索尼在2024年发布0.4um超细间距的混合键合（全球最小间距）

Study of Ultra-Fine 0.4 um Pitch Wafer-to-Wafer Hybrid Bonding and Impact of Bonding Misalignment（ECTC 2024）

索尼2015年在图像传感器（CIS）中成功应用了铜-铜混合接合技术，从背照式 CMOS 图像传感器（BI-CIS）发展到堆叠式 BI-CIS。铜-铜混合键合技术可促进顶部晶片上的铜垫和底部晶片之间的电气连接，在建立可靠、高效的电气通路方面发挥着至关重要的作用。如图所示，铜-铜混合键合技术发展的一个重要趋势是缩小连接间距。这一持续的趋势反映了在键合工艺中实现更高密度和微型化的不断努力。这种明显的减小可实现高密度 I/O 和增强功能。在晶圆上键合（涉及两个晶圆的连接）中，基板和底部基板上的铜垫之间实现小于 1 μm 的连接间距已变得越来越普遍。为了确保可靠的电气连接，尤其是间距小于 1 μm 的超精细铜-铜连接，必须对铜垫进行精确控制。此外，精确控制对于实现上晶圆和下晶圆之间高精度的接合错位也至关重要。为了应对这些挑战，索尼开发了一种新颖的铜连接垫工艺集成方法，成功实现了业界最小的 0.4 μm 间距和最多 5000 万个链接的超大规模铜-铜连接。在这种细间距铜-铜连接中，顶部和底部基板上铜垫的错位会对电气性能和可靠性产生重大影响。

图：CIS封装结构演进路线

图：CIS混合键合间距变化

下图展示了铜-铜混合键合测试模块的工艺流程。在对晶片表面的铜线、通孔和铜垫进行加工后，沉积了阻挡金属 Ta，并利用铜电镀将铜嵌入通孔垫。随后，通过化学机械抛光 (CMP) 对铜和阻挡金属进行抛光和压平，并将上层晶片粘合到下层晶片上。粘合后，晶片在 400 °C 下退火，以建立牢固的连接。

图：混合键合工艺流程

写在最后：

图像传感器两家头部企业索尼和三星都是IDM模式，国产厂商都是Fabless模式，国产厂商研发迭代时间明显更慢。为了改变这个状态，格科微在IPO时就募资74亿元做12 英寸 CIS 集成电路特色工艺研发与产业化项目，公司的经营模式由 Fabless 模式转变为 Fab-Lite 模式，这也是国产Fabless公司借助国产化的红利进行的探索，值得鼓励！

*注：

ECTC（Electronic Components and Technology Conference，电子器件与技术大会）是微电子封装行业的全球盛会，参与者包括半导体和电子产品制造商、设计公司、半导体代工厂、封测厂、基板生产商、设备制造商、材料供应商、研究机构、大学以及投资者。由 IEEE 电子封装协会 (EPS) 主办的这一顶级国际会议，每年都吸引众多行业专家和学者。第 74 届 IEEE ECTC于 2024 年 5 月 28 日至 31 日在科罗拉多州丹佛市举行。

【近期会议】

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