SWIR（短波紅外線）圖像傳感器在產品的品質檢測中發揮著重要作用。不同于可見光，SWIR是一種紅外線，可被廣泛應用于檢測，用以識別肉眼難以捕捉的劃痕、異物混入等。此次，索尼開發的SWIR圖像傳感器，以業界較小*1 的5μm像素實現了多像素化和小型化，并且以其高動態范圍的突出特點實現在可見光下成像。這款傳感器擁有超出市面一般產品的高規格。由于是首次開發，團隊也面臨諸多前所未有的挑戰。正是基于索尼半導體集團（以下簡稱本公司）獨有的技術經驗，這款產品才得以誕生。通過SWIR圖像傳感器開發故事的采訪，我們可以通過這款全球創新產品的開發，一窺本集團公司的實力。

*1 在使用化合物半導體InGaAs（銦鎵砷）的SWIR圖像傳感器中。索尼調查結果。（截至2020年5月）

受訪人簡介

索尼首款SWIR圖像傳感器

開發前即已積累行業標桿式的技術實力

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波段的光被稱為短波長紅外線SWIR。

SWIR波段和可見光的反射/吸收方式不同，SWIR圖像傳感器運用這個特性，可以捕捉以往人眼無法識別的物體。另外，一部分物質不反射SWIR光，但可以讓其透過，因此讓SWIR光透過物體就可以對其內部進行辨識。

SWIR光還有一個特性，就是相比可見光不那么容易散射，因此可以穿透霞、霧，識別它們后面的物體。

憑借公司獨有的技術，我們開發的SWIR圖像傳感器不僅可以捕捉波長1.7μm以下SWIR波段的影像，還能拍攝可見光波段的影像。

SWIR圖像傳感器應用于哪些行業和用途？

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行業，其中以半導體和食品行業中的檢測為主。例如，在半導體的檢測中，半導體晶圓以硅為主材料，而硅具有吸收可見光的特性，因此如果使用捕捉可見光的設備進行拍攝，所呈現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圖像傳感器的相機拍攝，硅就會像透明玻璃一樣一目了然，從而能夠檢測出晶圓內部的開裂以及混入的異物。
另外，水可以被可見光穿透，所以看起來是透明的。但如果利用某一SWIR波段的光進行觀察，水會吸收這一波段的光線，呈現出與周圍環境/物體不同的顏色。這種特性可以被用于了解物體哪個部分含有水分，例如食品檢測行業，用于檢測水果表面是否有傷痕，這是可見光相機難以做到的。

傳統的SWIR圖像傳感器存在著哪些難題？

Osawa：SWIR圖像傳感器已經在很多行業得到廣泛應用，但在技術上還存在重大難題。像素尺寸就是其中之一。傳統的SWIR傳感器每一個像素尺寸都比較大，因此，很難在一個傳感器中配置許多像素，提升解像度是一大難題。從畫質角度來說，這個問題導致難以拍攝清晰的影像，相機制造商必須在后期進行圖像處理。另外，市面上現有的傳感器都是模擬輸出類的，因此，必須由相機進行數字轉換，這樣會造成相機信號電路處理的負荷增大，而且設計難度也非常大。

Maruyama：傳統的SWIR圖像傳感器采用凸點（Bump）連接方式，用金屬球連接像素內的磷化銦層和硅層。為了在凸點（Bump）連接下縮小像素尺寸，就必須以微米單位的間距精準配置這種金屬球，而這樣做非常困難。因為這種技術上的難題，傳感器的微細化一直難以取得進展，圖像傳感器的價格也因此居高不下。

索尼首款SWIR圖像傳感器的開發是如何開始的？

Maruyama：剛才我也提到了，傳統的SWIR圖像傳感器因為凸點（Bump）連接，微細化難以取得進展，但是我們發現，似乎可以使用索尼堆棧式圖像傳感器開發中研發的銅-銅連接*2技術來解決這個問題。利用這項技術，就能夠以細微的間距配置像素。另外，傳統的圖像傳感器使用硅作為光電轉換膜，而SWIR波段的光可以透過硅材料，無法達到集光的效果。因此，必須使用銦砷化鎵（以下稱InGaAs）代替硅，用作光電二極管的材料，捕捉SWIR的光能，轉換為電子信號。這是索尼的圖像傳感器不曾使用過的材料，但索尼其他的事業團隊掌握了能夠制造InGaAs化合物的半導體技術。并且，本集團公司還擁有光電數字轉換技術。事實上，解決問題所需要的基礎技術都已被我們公司掌握。將這些技術結合起來，就能開發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目小組。

*2 將像素芯片（上方）與邏輯芯片（下方）堆棧在一起時，通過連接兩個Cu（銅）片導通電流的技術。Cu-Cu技術與TSV技術（ 通過像素區外的周邊區域放置過孔來導通上下芯片電路的連接技術）相比，可提高設計自由度和生產效率，有望實現小型化、高性能化。

請介紹開發時的理念和力求實現的目標

Tsuji：我們堅信只要充分應用本集團公司掌握的技術，就能創造出優秀的產品，所以剩下的就是思考如何應用這些技術，創造出對客戶而言好用的產品。我們首先搭載了應用于CMOS圖像傳感器中的列并行A/D轉換電路，實現了SWIR圖像傳感器輸出的數字化。這樣，不僅相機制造商無需在后期準備A/D轉換用的零部件，而且其他公司產品面臨的畫質問題也迎刃而解，大幅減輕了相機制造商在校正處理方面的負擔。另外，InGaAs容易受到溫度影響，因此，我們在圖像傳感器中搭載了數字溫度計，使設備冷卻時的溫度控制變得方便。

Maruyama：我們已經知道，像素的微細化是可以實現的。但是我們認為“索尼不能只滿足于此”。
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InP）層會導致無法捕捉可見光光譜中的影像。但是本集團公司采用的銅-銅連接的結構適合減小InP層的厚度。于是，我們決定開發也能夠捕捉可見光影像的獨特的SWIR圖像傳感器。

Osawa：我們認為，如果能開發出可捕捉可見光影像的SWIR圖像傳感器，結合在多光譜、高光譜等多種波長范圍內皆能成像的系統，就能充分發揮傳感器寬波段的特點，大幅提升產品的市場價值。

Maruyama：還有一點。傳統的SWIR圖像傳感器存在很多缺陷。比如，拍攝暗處時會出現大片白斑。這種現象源于InGaAs材料的品質問題。我們公司在以往的激光開發過程中已經成功掌握化合物半導體制造技術，應用該技術，我們開發出了沒有缺陷的高品質傳感器。

Ogasawara：我負責傳感器封裝的規格制定，主要工作就是制定并開發實現內置電子冷卻元件的陶瓷PGA封裝（以下稱冷卻封裝）的冷卻規格。

相比可見光，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℃的微弱差異就會影響畫質。這一問題勢必會增加成本和供貨挑戰，如不能解決，較終產品的市場化也會受到影響。為了全面發揮它的優勢，我們決定，除了一般的封裝式樣，再新開發一款內置冷卻裝置的封裝。

但是如果通過單純的降溫進行冷卻會出現結露，為了避免結露，我們在傳感器周圍采用了密閉結構。另外，因為傳感器的數字化，從貼裝中伸出的引腳數增加，封裝內的散熱空間變小。我們分析并權衡這些利弊，確保了規格的設定考慮到兩方面的平衡。

我們有信心開發出超越其他公司的產品，

但是另一方面，在開發初期階段，遇到的挑戰多達300項

在開發中經歷了哪些困難

Tsuji：因為要開發公司第一款使用InGaAs的SWIR圖像傳感器，我們在開發初期就細查可能出現的問題點，結果發現了大大小小300多條。而且，隨著開發的推進，不斷有新的問題被發現，總而言之，有堆積如山的難點需要我們去解決。并且，還出現了一些過去使用晶圓時不曾看到、使用InGaAs才有的現象，站在終端產品的角度要如何處理這些現象，也是必須討論解決的。

Maruyama：我們整個圖像傳感器的開發團隊并不了解InGaAs相關知識。激光開發團隊的同事雖然不具備圖像傳感器的知識，但是擅長制造InGaAs所需的化合物半導體技術。于是我們決定從一開始就聯手，共同進行技術開發。

另外，硅材料已經實現大晶圓大批量的生產，而傳統的InGaAs材料只能用小晶圓來量產，如果我們的SWIR圖像傳感器不能像硅材料那樣大批量生產，那從成本和供應穩定性來說，就不能算是一款合格的產品。另外，考慮到我們的工廠是首次采用InGaAs材料，我們決定邀請工廠方面的員工從開發初期就參與項目，共同探討量產方案。

Ogasawara：與一般的圖像傳感器的開發不同，此次的開發參與人數眾多，各自的職責和體制也不同于往常。作為開發小組的副組長，我非常關注信息共享，努力讓各個團隊分工明確而又緊密合作。
在封裝的開發中我們經歷的困難是，在原型樣機上工作沒問題的冷卻功能，到了量產開發階段卻突發異常。以冷卻封裝為宣傳點的產品無法正常冷卻，這是生死攸關的問題。為此，我們決定回到起點，從較初設計開始全面徹查原因，較終解決了問題。

Osawa：公司的品質管理要求非常嚴格。此次的SWIR圖像傳感器，雖然是第一次開發和產品化，但是為了確保與過去的CMOS圖像傳感器具備相同的高品質，開發和制造團隊都付出了很多努力。

攻克這些挑戰的關鍵在哪里？

Tsuji：通常，問題管控與解決是由項目組長主導的，但是此次，我們面臨的挑戰多達300項，僅憑一人之力難以實現，因此，這些課題被分配給各個團隊，如果是涉及多個團隊的難題，我會牽頭進行解決。雖然存在很多挑戰，但是我們向客戶展示了預先制作的樣機后，得到了客戶的好評，甚至聽到了“完全是不同維度的高畫質”這樣的超高評價，成員們因此熱情高漲，開發工作順利推進。
在碰到與普通硅材料不同的問題時，我們積極向客戶公開信息，努力讓客戶理解這款傳感器的特點。

Maruyama：關于晶圓大型化的難題，我們從初期階段就認識到，只能采用切割再粘貼的方式。問題就是粘貼的方法。雖然大家想了很多方案，但是都不順利。于是，我們咨詢了集團公司內的許多工程師。我一直認為“在技術面前，沒有職位高低之分，人人平等”，因此，從老員工到新人，切切實實地從頭到尾問了個遍。就這樣，我們收集了各種方案，經過討論和驗證，較終攻克了難題。在這些方案中，還包含了許多半導體上不曾應用過的技術。這些方案，只靠我們自己是絕對想不到的，實際上，正是憑借這些半導體以外的方案，我們才實現了晶圓的大型化。

公司聚集了各種人才，因此能提出各種方案。而且公司鼓勵大家相互學習、咨詢，對于你的問題，大家都會熱情回答。有時對方還會一起加入到團隊中來。“即使寫在白板上，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，實際上手提供幫助的人也不少。開發者往往是技術難度越高，熱情越高漲。

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

然后回歸基礎，從熱能是如何傳遞開始，理解相關知識。在此基礎上進行仿真，用樣品測定熱能的移動，徹底掌握使用這種封裝時熱能的移動方式，終于找到了無法冷卻的原因，基于對產品封裝技術的理解，掌握了較終量產所需的評估測試，為產品的品質管理做出了自己的貢獻。

顛覆性的索尼SWIR圖像傳感器
有望迅速開拓市場

憑借索尼的SWIR圖像傳感器有望提供哪些解決方案

Osawa：像素的微細化和多像素化將帶來很多好處，比如可識別過去無法檢測的細微劃痕等，檢測品質有望提升。另外，數字化讓相機設計變得更加簡單，再加上成本優勢，這款SWIR圖像傳感器的價格非常易于讓客戶接受。“讓更高品質的檢測在世界范圍內得到普及”，是我們的心愿，我們確信，此次的SWIR圖像傳感器將為我們達成心愿發揮重大作用。甚至一些客戶高度評價這款產品為“杰作”。

我們的SWIR圖像傳感器具備很多本集團公司產品特有的特點，比如使用方便和性能卓越等等，相信在市場帶上將不同凡響。我們還將利用這些特點，思考開發新的應用方案。

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請介紹未來SWIR圖像傳感器的可能性

Osawa：一般認為圖像傳感器的檢測精度會因為AI的應用而提升，但是，對于實現這一點，能否提供清晰的圖像讓AI進行學習這個問題非常重要。如果AI獲取到我們的傳感器拍攝的精細圖像，它就可能提高傳感器的精度，從而發現過去難以發現的更加細微的問題。另外，如果能在同時覆蓋可見光和SWIR波長范圍的超高光譜下進行檢測，將達到超乎想象的檢測品質。

請介紹未來要挑戰的目標

Osawa：索尼首款SWIR圖像傳感器是在許多人的熱情支持下開發而成的。憑借SWIR圖像傳感器，我們有望向過去不曾導入、甚至不曾考慮索尼產品的客戶提供解決方案，讓他們考慮導入我們的產品。SWIR的波長范圍蘊含著許多的可能性，可以滿足各領域客戶的各種需求，我們將努力幫助更多客戶發現問題、解決問題。

Tsuji：今后，希望不曾使用過SWIR圖像傳感器的客戶也能考慮使用我們的產品。為此，我們還要進一步提升產品的易用性，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，目前我們的產品比其他公司領先一籌，我們還會繼續努力，力爭進一步擴大我們的產品優勢。我們希望為產品增加索尼才能提供的各種獨特的功能，打造獨一無二的傳感器。

Ogasawara：此次，我們的開發經歷了許多第一次。產品一經推出，將會收到客戶的反饋。我們將重視這些意見，創造出更加優秀的下一代產品。另外，就封裝的新方案而言，我們認為如果不深思熟慮，就無法創造出好用的產品。所以我們將聽取客戶意見，思考超越客戶期待的易于使用的封裝，將其反映到下一代產品上。