SWIR（短波紅外線）圖像傳感器在產(chǎn)品的品質(zhì)檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用。不同于可見(jiàn)光，SWIR是一種紅外線，可被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)，用以識(shí)別肉眼難以捕捉的劃痕、異物混入等。此次，索尼開(kāi)發(fā)的SWIR圖像傳感器，以業(yè)界較小*1 的5μm像素實(shí)現(xiàn)了多像素化和小型化，并且以其高動(dòng)態(tài)范圍的突出特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在可見(jiàn)光下成像。這款傳感器擁有超出市面一般產(chǎn)品的高規(guī)格。由于是首次開(kāi)發(fā)，團(tuán)隊(duì)也面臨諸多前所未有的挑戰(zhàn)。正是基于索尼半導(dǎo)體集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)本公司）獨(dú)有的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，這款產(chǎn)品才得以誕生。通過(guò)SWIR圖像傳感器開(kāi)發(fā)故事的采訪，我們可以通過(guò)這款全球創(chuàng)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，一窺本集團(tuán)公司的實(shí)力。

*1 在使用化合物半導(dǎo)體InGaAs（銦鎵砷）的SWIR圖像傳感器中。索尼調(diào)查結(jié)果。（截至2020年5月）

受訪人簡(jiǎn)介

索尼首款SWIR圖像傳感器

開(kāi)發(fā)前即已積累行業(yè)標(biāo)桿式的技術(shù)實(shí)力

SWIR、SWIR圖像傳感器究竟是什么？

Maruyama：SWIR（Short Wavelength Infra-Red）是紅外線的一種。有些波段范圍的紅外線可以用于熱成像技術(shù)以感知溫度，比如人的體溫，有些具備其他特性。其中，0.9μm-2.5μm波段的光被稱(chēng)為短波長(zhǎng)紅外線SWIR。

SWIR波段和可見(jiàn)光的反射/吸收方式不同，SWIR圖像傳感器運(yùn)用這個(gè)特性，可以捕捉以往人眼無(wú)法識(shí)別的物體。另外，一部分物質(zhì)不反射SWIR光，但可以讓其透過(guò)，因此讓SWIR光透過(guò)物體就可以對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行辨識(shí)。

SWIR光還有一個(gè)特性，就是相比可見(jiàn)光不那么容易散射，因此可以穿透霞、霧，識(shí)別它們后面的物體。

憑借公司獨(dú)有的技術(shù)，我們開(kāi)發(fā)的SWIR圖像傳感器不僅可以捕捉波長(zhǎng)1.7μm以下SWIR波段的影像，還能拍攝可見(jiàn)光波段的影像。

SWIR圖像傳感器應(yīng)用于哪些行業(yè)和用途？

Osawa：SWIR可以穿透硅，還能將水分含量可視化。利用這一特性，SWIR圖像傳感器可被用于多個(gè)行業(yè)，其中以半導(dǎo)體和食品行業(yè)中的檢測(cè)為主。例如，在半導(dǎo)體的檢測(cè)中，半導(dǎo)體晶圓以硅為主材料，而硅具有吸收可見(jiàn)光的特性，因此如果使用捕捉可見(jiàn)光的設(shè)備進(jìn)行拍攝，所呈現(xiàn)的圖像就只是單純的金屬板。而紅外線中的SWIR具備可穿透硅的特性，因此，用搭載SWIR圖像傳感器的相機(jī)拍攝，硅就會(huì)像透明玻璃一樣一目了然，從而能夠檢測(cè)出晶圓內(nèi)部的開(kāi)裂以及混入的異物。
另外，水可以被可見(jiàn)光穿透，所以看起來(lái)是透明的。但如果利用某一SWIR波段的光進(jìn)行觀察，水會(huì)吸收這一波段的光線，呈現(xiàn)出與周?chē)h(huán)境/物體不同的顏色。這種特性可以被用于了解物體哪個(gè)部分含有水分，例如食品檢測(cè)行業(yè)，用于檢測(cè)水果表面是否有傷痕，這是可見(jiàn)光相機(jī)難以做到的。

傳統(tǒng)的SWIR圖像傳感器存在著哪些難題？

Osawa：SWIR圖像傳感器已經(jīng)在很多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但在技術(shù)上還存在重大難題。像素尺寸就是其中之一。傳統(tǒng)的SWIR傳感器每一個(gè)像素尺寸都比較大，因此，很難在一個(gè)傳感器中配置許多像素，提升解像度是一大難題。從畫(huà)質(zhì)角度來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致難以拍攝清晰的影像，相機(jī)制造商必須在后期進(jìn)行圖像處理。另外，市面上現(xiàn)有的傳感器都是模擬輸出類(lèi)的，因此，必須由相機(jī)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，這樣會(huì)造成相機(jī)信號(hào)電路處理的負(fù)荷增大，而且設(shè)計(jì)難度也非常大。

Maruyama：傳統(tǒng)的SWIR圖像傳感器采用凸點(diǎn)（Bump）連接方式，用金屬球連接像素內(nèi)的磷化銦層和硅層。為了在凸點(diǎn)（Bump）連接下縮小像素尺寸，就必須以微米單位的間距精準(zhǔn)配置這種金屬球，而這樣做非常困難。因?yàn)檫@種技術(shù)上的難題，傳感器的微細(xì)化一直難以取得進(jìn)展，圖像傳感器的價(jià)格也因此居高不下。

索尼首款SWIR圖像傳感器的開(kāi)發(fā)是如何開(kāi)始的？

Maruyama：剛才我也提到了，傳統(tǒng)的SWIR圖像傳感器因?yàn)橥裹c(diǎn)（Bump）連接，微細(xì)化難以取得進(jìn)展，但是我們發(fā)現(xiàn)，似乎可以使用索尼堆棧式圖像傳感器開(kāi)發(fā)中研發(fā)的銅-銅連接*2技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。利用這項(xiàng)技術(shù)，就能夠以細(xì)微的間距配置像素。另外，傳統(tǒng)的圖像傳感器使用硅作為光電轉(zhuǎn)換膜，而SWIR波段的光可以透過(guò)硅材料，無(wú)法達(dá)到集光的效果。因此，必須使用銦砷化鎵（以下稱(chēng)InGaAs）代替硅，用作光電二極管的材料，捕捉SWIR的光能，轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。這是索尼的圖像傳感器不曾使用過(guò)的材料，但索尼其他的事業(yè)團(tuán)隊(duì)掌握了能夠制造InGaAs化合物的半導(dǎo)體技術(shù)。并且，本集團(tuán)公司還擁有光電數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)。事實(shí)上，解決問(wèn)題所需要的基礎(chǔ)技術(shù)都已被我們公司掌握。將這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)，就能開(kāi)發(fā)出前所未有的小型且高解像度的SWIR圖像傳感器，我們帶著這樣的想法成立了項(xiàng)目小組。

*2 將像素芯片（上方）與邏輯芯片（下方）堆棧在一起時(shí)，通過(guò)連接兩個(gè)Cu（銅）片導(dǎo)通電流的技術(shù)。Cu-Cu技術(shù)與TSV技術(shù)（ 通過(guò)像素區(qū)外的周邊區(qū)域放置過(guò)孔來(lái)導(dǎo)通上下芯片電路的連接技術(shù)）相比，可提高設(shè)計(jì)自由度和生產(chǎn)效率，有望實(shí)現(xiàn)小型化、高性能化。

請(qǐng)介紹開(kāi)發(fā)時(shí)的理念和力求實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

Tsuji：我們堅(jiān)信只要充分應(yīng)用本集團(tuán)公司掌握的技術(shù)，就能創(chuàng)造出優(yōu)秀的產(chǎn)品，所以剩下的就是思考如何應(yīng)用這些技術(shù)，創(chuàng)造出對(duì)客戶(hù)而言好用的產(chǎn)品。我們首先搭載了應(yīng)用于CMOS圖像傳感器中的列并行A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了SWIR圖像傳感器輸出的數(shù)字化。這樣，不僅相機(jī)制造商無(wú)需在后期準(zhǔn)備A/D轉(zhuǎn)換用的零部件，而且其他公司產(chǎn)品面臨的畫(huà)質(zhì)問(wèn)題也迎刃而解，大幅減輕了相機(jī)制造商在校正處理方面的負(fù)擔(dān)。另外，InGaAs容易受到溫度影響，因此，我們?cè)趫D像傳感器中搭載了數(shù)字溫度計(jì)，使設(shè)備冷卻時(shí)的溫度控制變得方便。

Maruyama：我們已經(jīng)知道，像素的微細(xì)化是可以實(shí)現(xiàn)的。但是我們認(rèn)為“索尼不能只滿(mǎn)足于此”。
SWIR圖像傳感器在光電二極管中使用了InGaAs，而制造InGaAs所必須的磷化銦 （以下稱(chēng)InP）層會(huì)導(dǎo)致無(wú)法捕捉可見(jiàn)光光譜中的影像。但是本集團(tuán)公司采用的銅-銅連接的結(jié)構(gòu)適合減小InP層的厚度。于是，我們決定開(kāi)發(fā)也能夠捕捉可見(jiàn)光影像的獨(dú)特的SWIR圖像傳感器。

Osawa：我們認(rèn)為，如果能開(kāi)發(fā)出可捕捉可見(jiàn)光影像的SWIR圖像傳感器，結(jié)合在多光譜、高光譜等多種波長(zhǎng)范圍內(nèi)皆能成像的系統(tǒng)，就能充分發(fā)揮傳感器寬波段的特點(diǎn)，大幅提升產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值。

Maruyama：還有一點(diǎn)。傳統(tǒng)的SWIR圖像傳感器存在很多缺陷。比如，拍攝暗處時(shí)會(huì)出現(xiàn)大片白斑。這種現(xiàn)象源于InGaAs材料的品質(zhì)問(wèn)題。我們公司在以往的激光開(kāi)發(fā)過(guò)程中已經(jīng)成功掌握化合物半導(dǎo)體制造技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)，我們開(kāi)發(fā)出了沒(méi)有缺陷的高品質(zhì)傳感器。

Ogasawara：我負(fù)責(zé)傳感器封裝的規(guī)格制定，主要工作就是制定并開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)內(nèi)置電子冷卻元件的陶瓷PGA封裝（以下稱(chēng)冷卻封裝）的冷卻規(guī)格。

相比可見(jiàn)光，SWIR波段的能量更弱，所以，捕捉SWIR的圖像傳感器非常敏感，極易受到溫度的影響，1℃、2℃的微弱差異就會(huì)影響畫(huà)質(zhì)。這一問(wèn)題勢(shì)必會(huì)增加成本和供貨挑戰(zhàn)，如不能解決，較終產(chǎn)品的市場(chǎng)化也會(huì)受到影響。為了全面發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，我們決定，除了一般的封裝式樣，再新開(kāi)發(fā)一款內(nèi)置冷卻裝置的封裝。

但是如果通過(guò)單純的降溫進(jìn)行冷卻會(huì)出現(xiàn)結(jié)露，為了避免結(jié)露，我們?cè)趥鞲衅髦車(chē)捎昧嗣荛]結(jié)構(gòu)。另外，因?yàn)閭鞲衅鞯臄?shù)字化，從貼裝中伸出的引腳數(shù)增加，封裝內(nèi)的散熱空間變小。我們分析并權(quán)衡這些利弊，確保了規(guī)格的設(shè)定考慮到兩方面的平衡。

我們有信心開(kāi)發(fā)出超越其他公司的產(chǎn)品，

但是另一方面，在開(kāi)發(fā)初期階段，遇到的挑戰(zhàn)多達(dá)300項(xiàng)

在開(kāi)發(fā)中經(jīng)歷了哪些困難

Tsuji：因?yàn)橐_(kāi)發(fā)公司第一款使用InGaAs的SWIR圖像傳感器，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)初期就細(xì)查可能出現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了大大小小300多條。而且，隨著開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，不斷有新的問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)，總而言之，有堆積如山的難點(diǎn)需要我們?nèi)ソ鉀Q。并且，還出現(xiàn)了一些過(guò)去使用晶圓時(shí)不曾看到、使用InGaAs才有的現(xiàn)象，站在終端產(chǎn)品的角度要如何處理這些現(xiàn)象，也是必須討論解決的。

Maruyama：我們整個(gè)圖像傳感器的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)并不了解InGaAs相關(guān)知識(shí)。激光開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的同事雖然不具備圖像傳感器的知識(shí)，但是擅長(zhǎng)制造InGaAs所需的化合物半導(dǎo)體技術(shù)。于是我們決定從一開(kāi)始就聯(lián)手，共同進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)。

另外，硅材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大晶圓大批量的生產(chǎn)，而傳統(tǒng)的InGaAs材料只能用小晶圓來(lái)量產(chǎn)，如果我們的SWIR圖像傳感器不能像硅材料那樣大批量生產(chǎn)，那從成本和供應(yīng)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，就不能算是一款合格的產(chǎn)品。另外，考慮到我們的工廠是首次采用InGaAs材料，我們決定邀請(qǐng)工廠方面的員工從開(kāi)發(fā)初期就參與項(xiàng)目，共同探討量產(chǎn)方案。

Ogasawara：與一般的圖像傳感器的開(kāi)發(fā)不同，此次的開(kāi)發(fā)參與人數(shù)眾多，各自的職責(zé)和體制也不同于往常。作為開(kāi)發(fā)小組的副組長(zhǎng)，我非常關(guān)注信息共享，努力讓各個(gè)團(tuán)隊(duì)分工明確而又緊密合作。
在封裝的開(kāi)發(fā)中我們經(jīng)歷的困難是，在原型樣機(jī)上工作沒(méi)問(wèn)題的冷卻功能，到了量產(chǎn)開(kāi)發(fā)階段卻突發(fā)異常。以冷卻封裝為宣傳點(diǎn)的產(chǎn)品無(wú)法正常冷卻，這是生死攸關(guān)的問(wèn)題。為此，我們決定回到起點(diǎn)，從較初設(shè)計(jì)開(kāi)始全面徹查原因，較終解決了問(wèn)題。

Osawa：公司的品質(zhì)管理要求非常嚴(yán)格。此次的SWIR圖像傳感器，雖然是第一次開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品化，但是為了確保與過(guò)去的CMOS圖像傳感器具備相同的高品質(zhì)，開(kāi)發(fā)和制造團(tuán)隊(duì)都付出了很多努力。

攻克這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在哪里？

Tsuji：通常，問(wèn)題管控與解決是由項(xiàng)目組長(zhǎng)主導(dǎo)的，但是此次，我們面臨的挑戰(zhàn)多達(dá)300項(xiàng)，僅憑一人之力難以實(shí)現(xiàn)，因此，這些課題被分配給各個(gè)團(tuán)隊(duì)，如果是涉及多個(gè)團(tuán)隊(duì)的難題，我會(huì)牽頭進(jìn)行解決。雖然存在很多挑戰(zhàn)，但是我們向客戶(hù)展示了預(yù)先制作的樣機(jī)后，得到了客戶(hù)的好評(píng)，甚至聽(tīng)到了“完全是不同維度的高畫(huà)質(zhì)”這樣的超高評(píng)價(jià)，成員們因此熱情高漲，開(kāi)發(fā)工作順利推進(jìn)。
在碰到與普通硅材料不同的問(wèn)題時(shí)，我們積極向客戶(hù)公開(kāi)信息，努力讓客戶(hù)理解這款傳感器的特點(diǎn)。

Maruyama：關(guān)于晶圓大型化的難題，我們從初期階段就認(rèn)識(shí)到，只能采用切割再粘貼的方式。問(wèn)題就是粘貼的方法。雖然大家想了很多方案，但是都不順利。于是，我們咨詢(xún)了集團(tuán)公司內(nèi)的許多工程師。我一直認(rèn)為“在技術(shù)面前，沒(méi)有職位高低之分，人人平等”，因此，從老員工到新人，切切實(shí)實(shí)地從頭到尾問(wèn)了個(gè)遍。就這樣，我們收集了各種方案，經(jīng)過(guò)討論和驗(yàn)證，較終攻克了難題。在這些方案中，還包含了許多半導(dǎo)體上不曾應(yīng)用過(guò)的技術(shù)。這些方案，只靠我們自己是絕對(duì)想不到的，實(shí)際上，正是憑借這些半導(dǎo)體以外的方案，我們才實(shí)現(xiàn)了晶圓的大型化。

公司聚集了各種人才，因此能提出各種方案。而且公司鼓勵(lì)大家相互學(xué)習(xí)、咨詢(xún)，對(duì)于你的問(wèn)題，大家都會(huì)熱情回答。有時(shí)對(duì)方還會(huì)一起加入到團(tuán)隊(duì)中來(lái)?！凹词箤?xiě)在白板上，告訴你們要這樣做，你們大概也不明白，所以直接看我做吧”，像這樣，實(shí)際上手提供幫助的人也不少。開(kāi)發(fā)者往往是技術(shù)難度越高，熱情越高漲。

Ogasawara：公司里有一些人具備豐富的熱能知識(shí)，我想要找他們進(jìn)行咨詢(xún)，但是他們對(duì)于圖像傳感器并不熟悉，因此，面臨的熱能問(wèn)題的關(guān)鍵在哪里，自己必須要清楚。如果不了解應(yīng)該咨詢(xún)的要點(diǎn)，那么回答的一方就會(huì)偏離方向。因此，即使我在熱能方面缺少知識(shí)，也要徹底思考，整理事實(shí)，掌握問(wèn)題所在。

然后回歸基礎(chǔ)，從熱能是如何傳遞開(kāi)始，理解相關(guān)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，用樣品測(cè)定熱能的移動(dòng)，徹底掌握使用這種封裝時(shí)熱能的移動(dòng)方式，終于找到了無(wú)法冷卻的原因，基于對(duì)產(chǎn)品封裝技術(shù)的理解，掌握了較終量產(chǎn)所需的評(píng)估測(cè)試，為產(chǎn)品的品質(zhì)管理做出了自己的貢獻(xiàn)。

顛覆性的索尼SWIR圖像傳感器
有望迅速開(kāi)拓市場(chǎng)

憑借索尼的SWIR圖像傳感器有望提供哪些解決方案

Osawa：像素的微細(xì)化和多像素化將帶來(lái)很多好處，比如可識(shí)別過(guò)去無(wú)法檢測(cè)的細(xì)微劃痕等，檢測(cè)品質(zhì)有望提升。另外，數(shù)字化讓相機(jī)設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單，再加上成本優(yōu)勢(shì)，這款SWIR圖像傳感器的價(jià)格非常易于讓客戶(hù)接受?！白尭咂焚|(zhì)的檢測(cè)在世界范圍內(nèi)得到普及”，是我們的心愿，我們確信，此次的SWIR圖像傳感器將為我們達(dá)成心愿發(fā)揮重大作用。甚至一些客戶(hù)高度評(píng)價(jià)這款產(chǎn)品為“杰作”。

我們的SWIR圖像傳感器具備很多本集團(tuán)公司產(chǎn)品特有的特點(diǎn)，比如使用方便和性能卓越等等，相信在市場(chǎng)帶上將不同凡響。我們還將利用這些特點(diǎn)，思考開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用方案。

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索尼發(fā)布工業(yè)設(shè)備用SWIR圖像傳感器，采用業(yè)界震驚的5微米像素尺寸，在可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光光譜中均可捕捉影像

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請(qǐng)介紹未來(lái)SWIR圖像傳感器的可能性

Osawa：一般認(rèn)為圖像傳感器的檢測(cè)精度會(huì)因?yàn)锳I的應(yīng)用而提升，但是，對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，能否提供清晰的圖像讓AI進(jìn)行學(xué)習(xí)這個(gè)問(wèn)題非常重要。如果AI獲取到我們的傳感器拍攝的精細(xì)圖像，它就可能提高傳感器的精度，從而發(fā)現(xiàn)過(guò)去難以發(fā)現(xiàn)的更加細(xì)微的問(wèn)題。另外，如果能在同時(shí)覆蓋可見(jiàn)光和SWIR波長(zhǎng)范圍的超高光譜下進(jìn)行檢測(cè)，將達(dá)到超乎想象的檢測(cè)品質(zhì)。

請(qǐng)介紹未來(lái)要挑戰(zhàn)的目標(biāo)

Osawa：索尼首款SWIR圖像傳感器是在許多人的熱情支持下開(kāi)發(fā)而成的。憑借SWIR圖像傳感器，我們有望向過(guò)去不曾導(dǎo)入、甚至不曾考慮索尼產(chǎn)品的客戶(hù)提供解決方案，讓他們考慮導(dǎo)入我們的產(chǎn)品。SWIR的波長(zhǎng)范圍蘊(yùn)含著許多的可能性，可以滿(mǎn)足各領(lǐng)域客戶(hù)的各種需求，我們將努力幫助更多客戶(hù)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。

Tsuji：今后，希望不曾使用過(guò)SWIR圖像傳感器的客戶(hù)也能考慮使用我們的產(chǎn)品。為此，我們還要進(jìn)一步提升產(chǎn)品的易用性，將其打造為一款任何人都能輕松使用的圖像傳感器，絕不輸于本集團(tuán)公司的其他CMOS圖像傳感器。

Maruyama：此次的SWIR圖像傳感器在性能方面還有很大的提升空間。我們非常自豪，目前我們的產(chǎn)品比其他公司領(lǐng)先一籌，我們還會(huì)繼續(xù)努力，力爭(zhēng)進(jìn)一步擴(kuò)大我們的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。我們希望為產(chǎn)品增加索尼才能提供的各種獨(dú)特的功能，打造獨(dú)一無(wú)二的傳感器。

Ogasawara：此次，我們的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了許多第一次。產(chǎn)品一經(jīng)推出，將會(huì)收到客戶(hù)的反饋。我們將重視這些意見(jiàn)，創(chuàng)造出更加優(yōu)秀的下一代產(chǎn)品。另外，就封裝的新方案而言，我們認(rèn)為如果不深思熟慮，就無(wú)法創(chuàng)造出好用的產(chǎn)品。所以我們將聽(tīng)取客戶(hù)意見(jiàn)，思考超越客戶(hù)期待的易于使用的封裝，將其反映到下一代產(chǎn)品上。