堆栈式和背照式的cmos区别

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导读

堆栈式CMOS与背照式CMOS是两种主要的图像传感器类型，它们最大的区别在于光从何时进入成像芯片，如何减少光学损耗以及如何安排芯片结构。

首先，我们来了解一下它们的工作原理。

想象一下传统的图像传感器结构。光进入传感器，照射到光敏层（像素区）。在这两种类型中，感光的核心都相似，但信号路径大不相同。

• 背照式（Backside Illumination， BSI）CMOS： 这是一种结构上的革新。传统的传感器是“底照式”或“前照式”，电路和光敏层都在光电二极管（感光层）的上方，光线需要穿过这层电路才能到达感光区，造成了一定的光学损失（类似隔着一层纱布看东西）。背照式CMOS反转了这个结构。它将感光区（像素区）移动到最前面，把原来位于上面的电路层移动或者说剥离到芯片的背面去了。

  • 工作原理：光线现在是从芯片物理表面的正面垂直射入，在没有任何障碍层阻挡的情况下，直接照射到感光理论上最理想的区域——光电二极管。因此，光损失大大减少，感光性能显著提高，尤其是在低光环境下。
  • 概括：光线直接照到感光层，信号传输层在背面。

• 堆栈式（Stacked CMOS）CMOS： 堆栈式结构更像是一个“三明治”或者多个堆叠的芯片。它通常包含两个主要部分：一个像素芯片（光敏芯片）负责感光，另一个驱动/处理芯片（逻辑芯片）负责控制传感器工作并读取信号。在基本的堆栈式结构中，首先是像素芯片，然后是光导环（Optical Buffering, OB或称为Optical Bump），再后是驱动芯片。

  • 工作原理：光线从顶部进入到像素芯片，感光部分只占芯片厚度的一半，其余更厚的部分是用来作为光耦合器（传输层）的。驱动芯片读取像素芯片产生的电信号。在更复杂的堆栈式设计（如双金字塔结构，如下文所述）中，可以在驱动芯片和像素芯片之间加入传输芯片，用于分离信号层，实现更复杂的功能（如双像素CMOS AF）。
  • 概括：光线首先进入最底部的像素芯片进行感光，然后通过顶部的传输层（有时是磁性耦合等方式）传输到上方的芯片进行信号处理。

这两种结构各有特点：

• 背照式BSI：优点是光学性能优异，低光性能好，动态范围可以做得更大，功耗和发热也可能略有降低（因为结构简化）。缺点是制造工艺相对复杂，芯片面积较大（在同样像素数下），成本较高。
• 堆栈式Stacked CMOS：优点在于可以大幅降低成本（可以通过建立独立工艺线），实现复杂的片上功能集成（例如信号处理、防闪烁控制），对散热比较好。缺点是总厚度会增加，光学通路可能有损耗（尤其是在简单的堆叠结构中），在同等感光面积下成本可能更低，但画质通常不及顶尖的BSI感光部分。

寻找应用最佳场景，要看具体需求：

• 背照式CMOS： 因其出色的成像质量，特别是明亮和低光条件下的表现，广泛应用于中高端以上的数码相机（包括单反、无反相机）、许多智能手机（虽然近年来手机厂商也开始在高端机型采用堆栈式，但起源与性能优势多见于更大光圈或需要更高画质的应用），甚至一些高端监控摄像头。当你看到强调“明亮环境下细节丰富”、“出色的黑暗场景表现”时，背后可能就是背照式技术的身影。
• 堆栈式CMOS： 主要用户是大批量、高性价比、需要集成多种复杂处理功能的场景。几乎所有入门级和中端数码相机，非常多的安全摄像头，可以说是监控摄像头的绝对主力，同时由于能实现专用于高速抓拍的双像素CMOS AF，也大量应用于汽车驾驶辅助摄像头、需要高速拍摄的应用等。它提供了一种平衡性能与成本的有效途径。

总的来说，如果你追求极致的画质，尤其是在低光和静态拍摄条件下，背照式CMOS是更强的竞争对手。但如果你预算敏感、需要批量生产、希望集成更复杂的功能或满足特殊的环境要求，堆栈式CMOS无疑是目前更成熟且成本效益更高的选择。两种技术代表了CMOS图像传感器发展的不同路径。