ADAS受宠驱动CMOS图像传感技术升级 FSI与BSI合力挑战低照度与高像素新趋势
近年来，智能手机增长渐疲而汽车市场居高不下，无人驾驶技术在国内外均大受追捧，汽车摄像头市场已经成为CMOS图像传感器的一个重要增长领域。先进驾驶辅助系统(ADAS)的发展趋势进一步提高对传感器供应商的压力，以提升其传感技术能力。然而与手机用CMOS图像传感器不同，车规级摄像头在低照度下的性能要求更严格，为了获得更清晰的出图，分辨率也逐渐攀升至1080P甚至更高。对此，传统的FSI技术局限性凸显，各厂商加紧技术升级或研发BSI技术以期在ADAS领域抢占一席。那么ADAS领域CMOS图像传感器的FSI(前照式)技术与BSI(背照式)技术都有哪些技术挑战?它们在未来又会有怎样的发展?
ADAS技术发展迅猛 随即引爆CMOS图像传感器市场需求
截止2014年底，我国汽车保有量约1.5亿部，而90%以上为私家车，从2015年开始年均增量超过2000万部。随着智能汽车及无人驾驶的普及，车载传感器需求快速上升，根据IC Insights的报告，用于汽车安全系统的CMOS图像传感器未来五年将以年复合增长率55%的速度成长，在2020年时销售额有望达到22亿美元，占整个CMOS图像传感器市场的份额也从2015年的3%，增长到2020年的14%。另据IHS称，车载摄像头全球出货量也将从2014年的2800万枚增长至2020年的8270万枚，且随着无人驾驶时代的来临，车载摄像头市场更会呈几何增长。
因此我们可以预计在不久的将来，正如手机一样，由于摄像头可提供给ADAS的安全性和便利性，当消费者决定购买汽车时，摄像头将成为汽车关键的差异化因素。那么在ADAS汽车领域CMOS图像传感器有哪些特点?汽车ADAS领域的图像传感器又有哪些门槛呢?
太仓思比科微电子技术有限公司监控事业部副总经理冯军
对此，太仓思比科微电子技术有限公司监控事业部副总经理冯军在接受《华强电子》采访时表示，汽车领域CIS(CMOS IMAGE SENSOR)最重要的特点是灵敏度高，具体表现在低照度条件下的拍摄效果，这与手机领域有很大不同。
冯军提出：“它和手机最大的区别，首先就是低照度。客户最关心的就是晚上能不能看到车牌，如果看不到，那根本没法用。也是为什么说在谈到汽车分辨率时一般会说720p和1080p，为达到低照度要求目前顶多选个4k分辨率的车载监控，不像手机动不动就是上千万的。”
究其原因，汽车CMOS图像传感器的每个像素点都要做的非常大才能提供符合要求的低照度，而未来的ADAS对于低照度要求更为苛刻。冯军表示，在汽车领域提高CMOS图像传感器灵敏度的同时，高增益下的噪声会变得明显，因此如何抑制噪声也成为了设计门槛，没有长期的CIS设计积累，这些问题很难处理得好。
分辨率提升 主流FSI技术受限
目前主流的FSI技术原理可简单概括为，透镜排列在传感器的顶部，透镜、光接收部分和光电二极管之间均有配线。光落在IC的前面，通过读取电路和互连，最后汇聚到光电检测器中，然而斜射入传感器的光则会被这些配线挡住，部分反射到直射入的光上，导致整体的感光度降低，这便是FSI技术的物理局限性。
一直以来，无论是手机还是车载，对于较大尺寸的单个像素，由于像素堆叠高度与像素面积之比很大，致使像素的孔径也很大，因此FSI技术都十分有效。然而在汽车领域，车载监控对于摄像头模组整体大小限制比较小，要求的是图像质量好，伴随ADAS的日益成熟，图像传感器的分辨率逐渐从720P上升到1080P甚至是2K、4K。
然而对于CMOS图像传感器来说分辨率增强，单位面积上的像素个数增多，单个像素尺寸就会减小。冯军强调：“像素尺寸缩小也意味着像素点感光面积的减小，肯定会使得灵敏度降低，在低照度条件下的拍摄效果打了折扣。”
为解决像素日益缩小与分辨率日益增大之间的矛盾以及FSI技术的物理局限性，图像传感器厂商对FSI技术做了一系列像素技术创新，从而解决FSI技术在材料和制造方面的局限性。据格科微电子(上海)有限公司市场工程师程在接受记者采访时表示，格科微所采用的FSI改良技术FSI是通过电路优化改良实现的。他指出，FSI技术中电路在感光区上面，因此设计电路时尽量将电路往旁边放，从而将光电检测器空出来更好的接收光线。
思比科采用其自有的增强型FSI技术，在工艺制程上采用在光通道上注入填充因子的光通道改良等技术，以减少光路上的光电损耗，使得光电转换效率有所提高，从而满足汽车ADAS对于低照度的要求。
基于以上电路优化方式及光路优化方式，工程师表示格科微在针对汽车领域推出的GS1064芯片单个像素点为3.4微米，分辨率为720P，基本能满足现在车载对于CMOS图像传感器的要求。冯军也表示思比科目前主要推两款FSI的720P监控及车载用CIS，8月份将推出高性价比FSI技术的1080P CIS，他强调这些CIS产品在在监控及车载领域的高灵敏度、噪声抑制、坏点校正等方面都充分体现了思比科在CIS设计技术方面的积累。
像素转折点：3μm BSI与FSI各据一角
仅从车载监控来看，FSI技术中的分辨率1080PCMOS图像传感器基本满足目前需求。然而随着ADAS技术的成熟，诸如多目标跟踪等复杂算法实用化之后，汽车图像传感分辨率将会向1080P以上发展。而此时FSI技术缩小单个像素的尺寸将会变得十分棘手，BSI技术将会大放异彩。
据了解，与FSI技术不同，BSI技术透镜固定在平面衬底的后侧，将光直接传递到光电二极管，因此不会受到配线干扰，其感光度和整体性能较FSI技术都会有所提升。
冯军表示，在BSI方面，思比科已经率先推出了一款1080P的CMOS图像传感器用于监控与车载的。他强调：“虽然FSI和BSI在车载监控方面都能达到1080P，单个像素尺寸都能达到3μm*3μm，但是3μm*3μm标准下BSI的效果比FSI技术的效果要好得多，因此要达到相同的低照度效果，BSI的单个像素还可以缩小一点。”
冯军进一步表示，在4K分辨率的前提下，BSI要比FSI要好，其感光面积相对于1080P的2.7英寸要增大四倍。然而只有把像素点减小，像素减小采用FSI就会有一些问题出现，这时候就可以采用BSI技术。
格科微工程师也指出为满足汽车低照度要求，FSI技术的单个像素基本上都是做到3.0μm以上，3.0μm以下无法满足要求，但通过BSI技术完全可以达到3.0μm甚至更低，因此在格科微的后期规划中，ADAS领域的图像传感器采用单个像素2.2μm的BSI技术不仅会使CMOS图像传感器分辨率变高，动态范围变宽，整体效果都会比现有FSI技术更突出。
既然BSI相对于FSI在汽车ADAS应用中有如此突出的优势，是否BSI技术会独领汽车ADAS中CMOS图像传感器?对此冯军和格科微工程师提出了各自不同的看法。
在工艺上FSI技术的相当于是从硅的光孔里穿过去，再照到电路上，这样会损失一些光线，因此感光效果会大打折扣，但BSI技术在电路设计好了之后，需要对其背面进行打磨，而这个磨薄的过程在工艺成本上相对于BSI技术会有所增加。
格科微工程师告诉记者，目前由于BSI成本要比FSI高约30%-40%，因此FSI技术是目前的主流，但随着往后制作工艺的升级，越来越多厂家会掌握BSI技术，随着良率的提升，成本会有所降低，且将来汽车ADAS所需求的CMOS图像传感器将会沿着2k、4k甚至更高的分辨率方向发展，此时FSI感光会严重不足，因此BSI会取代FSI技术。格科微工程师告诉记者：“虽然现在格科微在车载领域主推FSI技术的CMOS图像传感器，但在后期规划过程中，格科微在汽车ADAS的CMOS图像传感器应用中将会集中在BSI技术。”
而思比科的冯军则提出BSI技术与FSI技术在未来仍将共存，他表示：“目前FSI技术和BSI技术的CMOS图像传感器良率都差不多。在国内限制BSI应用的是成本较高昂，因此国内少有厂家推出这样的产品，FSI 1080P像素及低照已基本满足现在ADAS低照度要求，但在追求夜晚或者环境光照非常差的情况下FSI显得有些乏力。”他接着说到，“但是长期来说，两种技术是会共存的，像手机的像素也是在几十万的时候采用的FSI技术，当像素上了100万才开始使用BSI技术的。”
对于FSI技术存在的应用市场，冯军表示：“由于工艺制造成本的增加从而导致BSI技术相对于FSI技术在成本更为高昂，而在具体应用中主要看性价比，不是仅仅单纯根据价格来选择。分辨率越高BSI技术优势越明显。由于FSI缩小了单个像素面积，在1080P的分辨率条件下，BSI低照度方面比FSI要好。720P的分辨率条件下，改良的FSI技术与BSI技术可以达到差不多的效果但成本更低。但是车载图像传感器也有高中低端层次之分，现在看来由于低照度原因导致的车祸影响很大，因此在中高端车型上采用BSI技术的CMOS图像传感器更为合适，而低端车型配备相应的FSI技术的CMOS图像传感器则更具性价比。”
总的来说，从市场前景来看，伴随无人驾驶技术的一步步成熟，用于汽车ADAS领域的CMOS图像传感器激增之势已经非常明确。在此形势下，汽车低照度成为ADAS技术的一项重要指标，为在低照甚至微光条件下能达到良好的图像效果，CMOS的单个像素尺寸与分辨率之间的矛盾亟待解决。至此，与手机领域的图像传感器类似，由于目前汽车驾驶技术仍处于较为初级阶段，因此大部分CMOS图像传感器都采用了光路和电路优化的两种FSI技术，在提供720P或少量1080P分辨率的同时满足汽车低照度要求。然而随着无人驾驶技术的进一步提升，图像分辨率沿1K、2K甚至更高的方向发展时，FSI技术下的单个像素点尺寸将缩小至3μm之下，而此时通过优化的FSI技术已无法达到汽车的低照度要求，在暗黑条件下无法提供良好的感光效果，此时BSI技术大有可为。（责编：振鹏）
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