背照式、堆叠、部分堆叠有什么区别？ | 摄影名词

在CCD传感器诞生之初，光线是直接落到CCD上的，这意味着落在电路区域的光线会被白白浪费掉。1992年左右，索尼开始量产带微透镜的CCD传感器。微透镜可以大幅提升光线利用率，由此成为数字感光元件的标准配置，并延续到CMOS传感器。

对于典型的CMOS传感器，自上向下分别是微透镜、滤光片、金属布线层、光电二极管。光线穿过微透镜和滤光片后，会有一部分被金属布线层遮挡。为此，索尼在2012年左右导入“光聚合技术”，通过压低布线层高度，提升光线利用率。

▲ 来自索尼α99的商品介绍页

背照式

2007年，豪威率先拿出背照式CMOS样片：金属布线层挪到光电二极管下方，光线在通过微透镜和滤光片后不会再有遮挡、提高了光线利用率；电路规模也有扩大，有助于提升数据读出速度。

由于光线是从原本光电二极管的背部摄入，所以称为“背部入射”或“背照式”（back-illuminated或back-side illumination，简称BI或BSI）。与之相对的，传统CMOS被封为“前照式”（Front-side illumination，简称FSI）。

▲ 来自索尼半导体的技术介绍页面

2008年6月，索尼发布面向消费数码产品的背照式CMOS，在1.75μm尺寸上，可以提供相比传统前照式CMOS两倍的灵敏度。

▲ 索尼发布背照式CMOS的新闻

2009年8月，索尼推出首批采用背照式CMOS的数码相机WX1与TX1。自此之后，越来越多的相机、摄像机、手机开始采用背照式CMOS。

▲ 索尼WX1是首批采用背照式CMOS的数码相机

背照式结构的优点是增大进光量，减少因为光线入射角度变化而造成的画质下降。但因为结构和工序，早期背照式CMOS也存在暗电流、像素缺陷、混色等瑕疵。

需要指出的是，不仅CMOS有背照式，CCD其实也有背照式。就是生产成本非常高，只用于科研等少数领域。

堆叠式

2012年8月，索尼发布全球首款堆叠式（Stacked）CMOS。一些厂商也翻译为“堆栈式”，但从结构上还是叫“堆叠式”更合理。

▲ 索尼发布堆叠式CMOS的新闻

在今天，我们知道实际产品上有“全堆叠”和“部分堆叠”的差别，这里我们先说“全堆叠”。

“全堆叠”CMOS使用包含信号处理电路的芯片替代背照式CMOS里的电路基板。像素层与电路层两块晶圆贴合在一起（Wafer-on-Wafer，简称WoW），通过硅通孔（Through Silicon Via，简称TSV）技术将层与层连接在一起，实现信号传输。

▲ 来自索尼半导体的技术介绍页面

2015年，索尼又在堆叠式CMOS中引入Cu-Cu铜互联以替代TSV，促进传感器的小型化、高功能化与提升生产效率。在最新产品上，可能会根据实际情况同时使用TSV和铜互联。

▲ 来自索尼半导体的技术介绍页面

“全堆叠”结构不仅提升了芯片集成度、扩大了电路规模，最重要的是让像素层、电路层可以使用不同制程，从而在性能、功耗与成本中求得平衡。最近两年，涉及手机传感器时会提到的40nm、22nm，就是指堆叠式CMOS中电路层的制程。

目前，绝大多数“全堆叠”传感器均为像素层+电路层的两层结构。一些高端产品，比如索尼IMX310（α9/α9 II）、IMX610（α1/α1 II），还会在电路层上加入DRAM进一步提升数据读出速度。

▲ 采用两层堆叠结构带DRAM的堆叠式CMOS

少数产品具有三层结构，包括因为尺寸较小需要将DRAM作为单独一层的索尼IMX400（用于部分手机），以及将像素部分进一步拆分为光电二极管与像素晶体管的索尼IMX888（用于部分手机）。

▲ 采用三层堆叠结构带DRAM的堆叠式CMOS

▲ 采用三层堆叠结构的双层晶体管像素传感器

部分堆叠式

“全堆叠”的优点有很多，但不足也很明显，那就是“贵”。于是，“部分堆叠式”作为一种更经济的传感器提速方案，自2024年6月起进入大众视野。

以尼康Z6 III/ZR、松下S1M2所采用的索尼IMX820传感器为例，可以视作在原有背照式传感器（IMX410）的基础上，以芯片堆叠（Chip-On-Wafer，简称CoW）工艺附加了更大规模的信号处理电路，从而提升数据读出速度。

▲ 尼康Z6 III传感器的概念示意图

与“全堆叠”相比，“部分堆叠式”只在有效像素区域外做分层堆叠，既不会彻底改变整个传感器的生产流程，也降低了堆叠所需要的对准精度、减少了通信所需要的连接数量，从而大幅降低生产成本。

需要指出的是，部分堆叠式概念其实很早就应用在图像传感器上了。2016年，索尼推出了一款采用Super35全域快门CMOS，支持最高4K 480fps拍摄的高速摄像机 —— 根据论文，它采用了传感器就采用了部分堆叠式结构，并且感光部分还是前照式CMOS。2021年，索尼还发布了一款具有1.27亿像素的44×33画幅全域快门CMOS（IMX661），也采用了前照式+部分堆叠结构。

▲ 2016年索尼发布论文的配图

▲ 索尼IMX661的新闻配图，明确了使用CoW工艺。

结语

从结构上来说，全堆叠肯定是目前最先进的，之后依次是基于背照式的部分堆叠、背照式、前照式。但在实际产品层面，一些前照式CMOS也可以提供不输同级别背照式CMOS的速度，而一些采用部分堆叠式CMOS的产品则拥有部分超越全堆叠CMOS的性能指标。

是选“全堆叠”还是“部分堆叠”，主要取决于有效像素数量与所期望达到的数据读出速度。对于全画幅约2400万像素、3300万像素，通过部分堆叠“贴”上一些电路就能实现每秒30FPS的14bit连拍；而对6680万有效像素，想要实现近似速度还是得依赖于更昂贵的“全堆叠”结构。

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