1，背照式技術(shù)（Gen1架構(gòu)）

前照式的CMOS圖像傳感器中，當(dāng)光經(jīng)過(guò)微透鏡和顏色過(guò)濾器后還要經(jīng)過(guò)金屬布線(xiàn)層，才能到達(dá)光電二極管處并開(kāi)始累積光生電子。

在光電二極管的旁邊還有負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲(chǔ)光生電子的區(qū)域，于是為了防止存儲(chǔ)區(qū)域中的電荷信號(hào)漏光便有了“遮光罩”的設(shè)計(jì)，而那些金屬布線(xiàn)層正是位于這個(gè)遮光罩的上面。

也就是說(shuō)，由于這個(gè)遮光罩是一定要存在的，所以金屬布線(xiàn)層設(shè)計(jì)在其上面就可以充分利用像素內(nèi)之縱向空間，而這就是前照式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

但是隨著2005年后，諾基亞和索尼愛(ài)立信都在手機(jī)鏡頭上互飆像素量，手機(jī)CMOS傳感器的總像素量就變得越來(lái)越高了。

于是在手機(jī)傳感器的底緩慢變大之情況下，像素尺寸就變得越來(lái)越小，這時(shí)候前照式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)便開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)。

首先就是金屬布線(xiàn)層在受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，本來(lái)像素尺寸越小進(jìn)光量就越小，有了光損后劣勢(shì)就更明顯了。

然后就是衍射這個(gè)棘手問(wèn)題了，因?yàn)榻饘俨季€(xiàn)層所覆蓋區(qū)域其比例是保持不變的，所以隨著像素尺寸的縮小光通道就會(huì)變得越來(lái)越窄。

當(dāng)光通過(guò)的區(qū)域變小后衍射現(xiàn)象就會(huì)增強(qiáng)，最終這個(gè)衍射影響便會(huì)結(jié)合金屬布線(xiàn)層的反射影響，讓旁像素受到嚴(yán)重光串?dāng)_而使圖像中的顏色混合在一起。

而根據(jù)衍射計(jì)算公式可以知道（下圖所示），若要改善單個(gè)區(qū)域的衍射問(wèn)題，就必須縮短微透鏡到光電二極管的距離。

此時(shí)若先在形成光電二極管的一側(cè)制作所有電路部分，然后將晶圓翻轉(zhuǎn)倒置在基板上，接著將上面硅層打薄再覆蓋彩色濾波片和微透鏡，于是便有了背照式結(jié)構(gòu)。

這樣其既可以消除前照式結(jié)構(gòu)中金屬布線(xiàn)層造成的衍射干擾，又能解決金屬布線(xiàn)層因反射而造成的光損問(wèn)題，從而得以在同一大小像素條件下大幅提高量子效率和進(jìn)光量！

另外由于金屬布線(xiàn)層被轉(zhuǎn)移到了背面，這樣就可以毫無(wú)顧忌地拓展電路規(guī)模，從而大幅提升傳感器的讀取速度——借此實(shí)現(xiàn)更高速的連拍和更高清的視頻錄制！

2，堆棧式技術(shù)（Gen2架構(gòu)）

雖然背照式技術(shù)在2007年已由豪威對(duì)外展示了樣品，但真正將基于該技術(shù)產(chǎn)品量產(chǎn)的CIS廠(chǎng)家卻是索尼，只不過(guò)索尼先量產(chǎn)并商業(yè)化的都是一些相機(jī)傳感器。

所以最終率先在手機(jī)上應(yīng)用這個(gè)技術(shù)的還是豪威傳感器，而其所對(duì)應(yīng)的手機(jī)便是蘋(píng)果在2010年發(fā)布的一代傳奇型號(hào) iPhone4。

但此時(shí)索尼的工程師們?cè)诠綜IS業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，還在開(kāi)發(fā)事關(guān)制造成本的新工藝，最終經(jīng)歷了兩年開(kāi)發(fā)歷程的業(yè)界首款堆棧式傳感器，便在2011年正式量產(chǎn)！

那么堆棧式技術(shù)，是怎么降低傳感器制造成本的呢？答案就是小型化。因?yàn)橐黄A上能夠切出的產(chǎn)品數(shù)量越多，那么良率就越高，同時(shí)邊緣損耗也會(huì)因此而變少。

此外隨著手機(jī)影像的發(fā)展，其對(duì)于傳感器處理性能之需求也日漸增長(zhǎng)——這樣就得增加處理回路的晶體管數(shù)量，簡(jiǎn)而言之就是得提高制程，從而在同等面積內(nèi)容納更多的晶體管。

但尷尬的是與處理回路處于同一層的像素區(qū)域，對(duì)制程工藝卻并不“感冒”（與像素尺寸有關(guān)），這時(shí)若采用堆棧式工藝便可將像素層和電路層分開(kāi)而避免此問(wèn)題。

此外，處理回路基于自身單層的“獨(dú)棟別墅”其規(guī)模便得到了大幅擴(kuò)張！從而得以配置性能更強(qiáng)、功耗更低的圖像信號(hào)處理器以及配套電路，并實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)HDR以及慢動(dòng)作拍攝等功能。

這時(shí)候若不需要考慮成本向的小型化需求，那么分離出電路層的像素層便可在原處理回路區(qū)域種植更多像素，從而在像素尺寸不變的情況下實(shí)現(xiàn)“高畫(huà)質(zhì)”。

以上就是堆棧式技術(shù)，所帶來(lái)的多功能、小型化或高畫(huà)質(zhì)等特性；而且在堆棧式分離電路層的基礎(chǔ)上，由于像素層依然可以采用背照式技術(shù)，所以之前背照式的優(yōu)點(diǎn)也得以全部繼承！

3，進(jìn)階版堆棧式技術(shù)

堆棧式技術(shù)的像素層與電路層方案，最初是采用硅通孔技術(shù)即 TSV 將兩層連接在一起，這個(gè)方案需要在像素層的三邊設(shè)置獨(dú)立的 TSV 連接層，也就是說(shuō)小型化做得還不夠徹底。

于是在出貨量連年大增的情況下，索尼于2015年又業(yè)界首創(chuàng)了基于 Cu-Cu 連接（銅互聯(lián)）之 DBI 混合鍵合技術(shù)，這樣就不再需要 TSV 連接層從而實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的小型化。

此外，這個(gè)技術(shù)還有更短的互聯(lián)距離和更高的互聯(lián)密度等優(yōu)勢(shì)，基于此便可提高傳感器的讀出速度。而且該技術(shù)無(wú)需針對(duì)每顆Die進(jìn)行單獨(dú)互聯(lián)，所以其生產(chǎn)效率也有飛躍式提升！

這個(gè)基于 DBI 混合鍵合的堆棧式技術(shù)就是索尼Gen3架構(gòu)了，后來(lái)于2018年索尼又在Gen3架構(gòu)的基礎(chǔ)上，展示了基于像素級(jí)銅互聯(lián)的像素直連技術(shù)——而這就是索尼的Gen5架構(gòu)。

Gen5架構(gòu)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，皆是得益于 DBI 混合鍵合技術(shù)持續(xù)進(jìn)步所帶來(lái)的銅互聯(lián)間距之不斷縮小，最終得以實(shí)現(xiàn)將像素層和電路層所需要的銅互聯(lián)連接端子直接嵌入硅片之中。

這樣便可實(shí)現(xiàn)上層任意一個(gè)像素都能和下層邏輯電路進(jìn)行直接鍵合高速連接，并直接省去之前分布于四邊的銅互聯(lián)電路連接區(qū)域，于是便成就了最極致的傳感器高速化和小型化！

實(shí)際上在Gen5架構(gòu)出現(xiàn)之前的2017年，索尼還業(yè)界首發(fā)了基于三層堆棧式技術(shù)的Gen4架構(gòu)，直接在傳感器中加入了容量高達(dá)1GB的DRAM層。

有了這個(gè)超大緩存載體的存在，那么就可將處理電路的層數(shù)增多以實(shí)現(xiàn)高速讀出，從而在拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)實(shí)現(xiàn)最小失真度的靜止圖像，并支持1080P的1000fps慢動(dòng)作視頻拍攝。

不過(guò)Gen4架構(gòu)依然是 TSV 技術(shù)的產(chǎn)物，于是在2019年索尼又推出了基于 DBI 混合鍵合技術(shù)的三層堆棧式技術(shù)，這便是傳說(shuō)中的Gen6架構(gòu)。

4，雙層晶體管技術(shù)

雖然上述的四種進(jìn)階版堆棧式技術(shù)優(yōu)點(diǎn)很多，但其中唯一在手機(jī)端被堅(jiān)持用下來(lái)的只有Gen3架構(gòu)；例如蘋(píng)果2017年的iPhone8系列主攝傳感器，就開(kāi)始引入該技術(shù)并一直沿用至今。

有趣的是，這些技術(shù)三星手機(jī)大部分都用過(guò)，只不過(guò)其另有圖謀。例如S7和S8時(shí)代的Gen3架構(gòu)，S9、S10時(shí)代的Gen4架構(gòu)，以及S20、S21時(shí)代的Gen6架構(gòu)。

這種合作的深度在業(yè)界十分罕見(jiàn)，因此索尼手機(jī)出貨量那么稀少結(jié)果卻能用上三星的M系列屏幕，基本就能解釋通了。不過(guò)三星后面卻只玩自己的傳感器，索尼瞬間成了“牛夫人”。

包括索尼在2021年尾開(kāi)發(fā)成功的雙層晶體管技術(shù)，縱使國(guó)產(chǎn)手機(jī)品牌和蘋(píng)果手機(jī)都有零星采用，但三星依然不為所動(dòng)，還是在頂級(jí)旗艦 S24 Ultra 上沿用其自家的旗艦傳感器HP2。

當(dāng)然三星這么強(qiáng)勢(shì)也是有底氣的，因?yàn)槠鋺{借自身的先進(jìn)半導(dǎo)體工藝制造能力，不僅大力發(fā)展ISOCELL技術(shù)還在超高像素路線(xiàn)方面走得最遠(yuǎn)，從而得以在傳感器技術(shù)領(lǐng)域自成一派。

不過(guò)索尼在傳感器技術(shù)領(lǐng)域之霸主地位還是不能撼動(dòng)的，例如其最新的雙層晶體管技術(shù)就是基于堆棧式理念而開(kāi)發(fā)的指引未來(lái)之作，只可惜因?yàn)榱悸实秃统杀靖叨鴷簳r(shí)難以普及。

至于雙層晶體管的技術(shù)原理其實(shí)就是針對(duì)像素層的又一次分層堆棧，將原先和光電二極管、傳輸晶體管同一層的三種像素晶體管單獨(dú)分離出來(lái)，從而順利實(shí)現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

其中，光電二極管層在更充?？臻g基礎(chǔ)上可大幅拓展光子容量，并同比例拓展傳輸晶體管的傳輸效率和浮置單元的滿(mǎn)阱容量，簡(jiǎn)單說(shuō)就是擴(kuò)大了代表可成像的明暗差范圍之動(dòng)態(tài)范圍。

同時(shí)，像素晶體管層的放大晶體管基于分層后之充?？臻g尺寸也得以做大，這樣經(jīng)其讀出的轉(zhuǎn)換增益值便可得到更上一層樓的放大效益，從而顯著減少暗光環(huán)境下產(chǎn)生的噪點(diǎn)。

以首發(fā)雙層晶體管技術(shù)的索尼IMX888（亦名為L(zhǎng)YT-T808）為例，其像素四合一滿(mǎn)阱容量就高達(dá)40000e！而一英寸的IMX989其像素四合一滿(mǎn)阱容量也就48000e而已。

也就是說(shuō)，IMX888以?xún)H為IMX989一半的像素尺寸，就實(shí)現(xiàn)了后者83%的滿(mǎn)阱容量！結(jié)合提升非常顯著的前端降噪能力，在底沒(méi)增大的基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘出了縱向堆棧的巨大潛力。

另外從IMX888的橫截面透視圖中可以看出，連接電路層所基于的還是Gen3架構(gòu)之 DBI 混合鍵合技術(shù)，但連接光電二極管層和像素晶體管層所基于的卻是 TSV 技術(shù)。