汽車應用的圖像傳感器是汽車安全和未來不可或缺的功能。索尼半導體解決方案集團（“集團”）在圖像傳感器領域擁有全球第一的市場份額，但在汽車應用領域，索尼卻相對落后。為了在該領域獲得競爭力，索尼開發(fā)了一種用于汽車攝像頭的圖像傳感器，可提供高水平的高動態(tài)范圍 （HDR） 和 LED 閃爍抑制 （LFM）。
在索尼看來，開發(fā)具有不熟悉的技術特性的圖像傳感器的任務意味著進入新業(yè)務領域時常見的各種困難。汽車給開發(fā)者提出了難以克服的嚴酷條件，例如高溫、潮濕和振動，同時必須確保高質(zhì)量。這意味著設計、制造、和質(zhì)量保證部門都有自己獨特的挑戰(zhàn)需要解決和克服。
在這次采訪中，索尼展現(xiàn)了SafetyCocoon 概念和有關開發(fā)汽車圖像傳感器的幕后故事，這是自動駕駛汽車技術的一個關鍵要素。
汽車圖像傳感器始于安防，但客戶的要求空前嚴格
問：公司決定進入汽車圖像傳感器業(yè)務背后的故事是什么？
Azami：我最初是安全和工業(yè)應用圖像傳感器的設計項目負責人（D-PL）。2012 年左右，集團開始研究汽車業(yè)務，我被任命為該項目的第一個產(chǎn)品 IMX224 的 D-PL。我認為這是一個很好的機會，因為我當時對與外國公司合作很感興趣。
一開始，該項目開始開發(fā)以安全圖像傳感器為模型的汽車圖像傳感器。其基本思想是安全傳感器具有對汽車傳感器有用的屬性，例如廣泛的耐用性和在暗處捕獲圖像的能力。然而，一旦業(yè)務成立，我們發(fā)現(xiàn)汽車圖像傳感器有一系列不同的要求。那些日子里，我會拜訪海外客戶，然后一次又一次地對他們的反饋感到沮喪。
問：汽車圖像傳感器面臨哪些特殊挑戰(zhàn)？
Azami：與安全或工業(yè)圖像傳感器不同，汽車圖像傳感器有專門為汽車應用制定的標準，例如我們已經(jīng)知道的IATF16949 *1和AEC-Q100, *2。我們非常努力地使我們的設計符合這些標準，但我們的提案被一位客戶難道了。
問題是高動態(tài)范圍 （HDR）。HDR 允許在從暗到亮的廣泛亮度范圍內(nèi)捕獲圖像，這必須是傳感器內(nèi)的完整系統(tǒng)。對于安防圖像傳感器，有一種叫做DOL（數(shù)字重疊）的方法可以實現(xiàn)HDR，但是這種方法是在傳感器外合成不同曝光下的圖像。因為索尼不具備在傳感器內(nèi)完成圖像合成的專業(yè)知識，所以必須從頭開始開發(fā)。
另一個挑戰(zhàn)是 LED 閃爍，*3當今社會無處不在的現(xiàn)象?？蛻粢蟊仨氃诿恳粠胁蹲?LED 燈，例如剎車燈和交通燈。這被證明是一個艱難的挑戰(zhàn)，因為 LED 光頻率沒有既定的工業(yè)標準，這給確保覆蓋所有 LED 帶來了困難。我需要幫助，所以我請設計部門的Sakano-san加入我，我們一次又一次地進行頭腦風暴。
*1：專為汽車行業(yè)設計的質(zhì)量管理體系國際標準。
*2：AEC（汽車電子委員會）規(guī)定的汽車IC質(zhì)量標準。
*3：拍攝 LED 指示燈、交通信號燈等時發(fā)生的 LED 閃爍。
Sakano：我一直對HDR很感興趣，歡迎Azami-san的邀請。但有一個問題。汽車攝像頭的圖像傳感器需要非常高的質(zhì)量標準，初始缺陷率必須極低。通常，其他圖像傳感器通過重復生產(chǎn)周期的過程迭代改進。而汽車圖像傳感器必須采用成熟的工藝制造，這是不成文的規(guī)定。出于這個原因，我所在的負責工藝開發(fā)的研究部門有一個規(guī)定，即汽車應用的圖像傳感器超出了我的負責范圍。因此，我參與該項目最初是非官方的，是自愿參與的。
Azami：除了設計，制造方面也有挑戰(zhàn)。那時，我們沒有汽車行業(yè)的信息網(wǎng)絡、知識和專有技術。因此，即使學習IATF 16949和ISO 26262等該行業(yè)特有的標準也是一項艱巨的工作。*4我們一次又一次地與、Nishizuka-san和Shimozono-san舉行了學習會。
*4：關于道路車輛電氣/電子系統(tǒng)功能安全的國際標準。
Nishizuka：IATF 16949 和 ISO 26262 等標準本身已經(jīng)很清楚了，但是我們的工作流程很難適應它們。探索和理解每個標準本身就很困難，但讓我們的項目成員適應這種理解更具挑戰(zhàn)性。有必要讓每個成員都了解并執(zhí)行我們不熟悉的做事方式。
盡管存在這些困難，但有一個積極的方面，即為實現(xiàn)該項目所做的所有努力都是為了實現(xiàn)自動駕駛和其他未來的進步。
Shimozono：IATF 16949 和 ISO 26262 等標準中的要求非常具體，與我們通常處理的不同。我們需要找出在實際制造中應用它們的方法。汽車應用的另一個特殊性是涉及到如此多的客戶檢查。我們對標準的解釋往往令我們的客戶不滿意，他們也向我們反饋了他們的具體要求。滿足所有這些要求和要求真是太辛苦了。
要求性能和生產(chǎn)管理提高一百倍，不超過 1 ppm
問：您是如何克服汽車應用中預期的高可靠性問題的？
Nishizuka：這個問題成為重大挑戰(zhàn)的原因有幾個方面。例如，儀表板在夏季可以加熱超過 100°C。因此，傳感器必須能夠承受這些溫度。其次，在道路上行駛會引起振動。制造能夠承受振動和運行而不會出錯的精密設備需要極高的工程水平。
另外，正如 Sakano-san 之前提到的，存在零缺陷期望，即最小化初始缺陷。該要求低于 1 ppm，這意味著每生產(chǎn) 100 萬件產(chǎn)品中只能有不到一個缺陷產(chǎn)品。為了同時滿足高性能和高可靠性的要求，我們不得不建立前所未有的嚴格的產(chǎn)品評估環(huán)境。
Sakano：在HDR方面，汽車傳感器需要120分貝，而其他應用大約是70分貝。將動態(tài)范圍從70分貝提高到120分貝，并不是簡單地將信號處理能力提高120除以70，即1.7倍。實際上是將其增加了 320 倍。這個數(shù)字是傳統(tǒng)圖像傳感器架構無法實現(xiàn)的。我們需要開發(fā)一個全新的架構。
以前，傳感器設計用于在光電二極管中存儲電荷。為了騰出數(shù)百倍的空間來處理信號，我們決定創(chuàng)建一個單獨的容器來存儲電荷。在這一點上，我們將DRAM等內(nèi)存使用的容量用于圖像傳感器，之前圖像傳感器沒有使用過。新的像素結構和像素控制方法使傳感器能夠同時捕捉不同曝光下的多個圖像。這極大地增強了動態(tài)范圍。
Shimozono：對于制造部門來說，任務是為新架構提供新的結構。為了實現(xiàn)汽車應用所需的性能，我們調(diào)整了每條生產(chǎn)線工藝。生產(chǎn)以最小的余量運行。最終的粉塵控制水平是確保生產(chǎn)線無塵的必要條件，以消除缺陷，實現(xiàn)零缺陷的目標。
汽車圖像傳感器需要在-40至125°C的溫度范圍內(nèi)保證性能，因此需要在許多方面進行改進，例如高溫環(huán)境下的黑暗期性能。為了實現(xiàn)HDR功能，光電二極管的性能需要提高。此外，像素必須平衡。開發(fā)過程中有很多問題需要解決。因此，我們與設計團隊密切合作并制定了工藝要求。
至于封裝，我們面臨的挑戰(zhàn)是確?？煽堪惭b，盡管在汽車應用所需的不同極端溫度和 250 度的高溫回流下膨脹系數(shù)存在差異。這些問題通過開發(fā)專用于汽車傳感器的特殊封裝得以克服。
開發(fā)和制造部門之間的密切溝通
問：索尼半導體解決方案集團的汽車圖像傳感器有哪些優(yōu)勢？
Azami：與集團所有圖像傳感器一樣，我們用于汽車應用的圖像傳感器在黑暗環(huán)境中具有低噪聲和低白點缺陷的技術優(yōu)越，即使在 105°C 的高溫下也能拍攝圖像，這是我們競爭對手無可匹敵的。
我認為，使這成為可能的原因在于，我們擁有工廠的專有技術，建立在我們在 CCD 方面的專業(yè)知識之上，而且我們的像素設計和制造部門都在公司內(nèi)協(xié)同工作。我們緊密合作，所以我們可以得到及時的反饋，這有助于加快改進。通過討論，我們可以確定問題是否可以在流程或設計方面得到解決。事實上，我們可以自己確定這些細微的細節(jié)，這對集團來說是一筆巨大的財富。
我們的圖像傳感器的另一個巨大優(yōu)勢是HDR 和 LFM 的高度集成。我們的全球客戶支持也是我們的大本營。我相信，集團擁有使我們能夠在我們的產(chǎn)品中準確反映客戶要求的技術和環(huán)境。
Sakano：鑒于圖像傳感器就像終極模擬設備，如果沒有設計和工藝團隊之間的密切合作，很難進行改進。因此，該集團在擁有這種允許設計和流程部門之間密切溝通的環(huán)境方面具有巨大優(yōu)勢。
Nishizuka：我們經(jīng)常有客戶質(zhì)量檢查，但他們對我們的工廠和設計開發(fā)的反饋總是非常積極的。我們告訴我們的客戶，他們可以隨時來找我們進行檢查，盡管目前 Covid-19 情況使其變得困難，這是因為我們相信信任和信心是汽車相關產(chǎn)品的關鍵要素。
問：您認為在汽車應用方面最困難的是什么？
Sakano：我認為是與性能相關的耐熱性。-40 到 125°C 的溫度范圍畢竟是功能保證。這并不意味著保證性能。但是，只要傳感器起作用，就會產(chǎn)生圖像，而這些圖像可能會引起投訴。困難在于沒有明確的標準。投訴取決于客戶。
工作過程也帶來了一些困難。除了索尼自己的可靠性測試標準外，還有其他行業(yè)權威機構規(guī)定的可靠性測試。鑒于此，盡管與其他類別相比，開發(fā)的總體時間表相對較長，但分配給流程開發(fā)的時間并不長。此外，在進入大規(guī)模生產(chǎn)之前，該過程需要高度完整和可靠，這包括產(chǎn)量。因此，我們的工藝開發(fā)承受著巨大的壓力。
從業(yè)務的角度來看，還有一個困難。這個行業(yè)的慣例是，一個產(chǎn)品要想做成生意，必須在最終確定下來之后，通過很多的競爭。我們是這項業(yè)務的后來者之一，尚未能夠在開始產(chǎn)品開發(fā)之前與客戶協(xié)商并就規(guī)格達成一致。這種情況讓負責技術規(guī)劃的我們承受著相當大的壓力，直到我們看到結果。
Shimozono：客戶的要求非常苛刻。他們想要圖像傳感器的各種性能屬性。例如，在某些容易發(fā)生突出爆裂的條件下，例如在明亮的陽光下和地面上的雪下，它不應飽和，并應在高溫或低溫下保持穩(wěn)定運行等質(zhì)量保證要求。
可靠性、質(zhì)量管理和客戶服務的預期水平遠高于其他類別。滿足所有這些要求并確保產(chǎn)品的高性能需要真正的承諾。
Nishizuka：現(xiàn)在，我們正在走向自動駕駛。這使我們肩負著在惡劣環(huán)境中實現(xiàn)零缺陷和安全保障的任務。這些雄心勃勃的目標將是一項艱巨的工作。只有少數(shù)缺陷會導致重大失敗這一事實使我們保持警覺。
汽車傳感器將引領零交通事故和自動駕駛的實現(xiàn)
問：索尼半導體解決方案集團希望通過其汽車圖像傳感器實現(xiàn)什么樣的未來？
Azami：我認為配備集團用于汽車應用的圖像傳感器的汽車將使我們的Safety Cocoon 概念成為現(xiàn)實，通過將汽車和道路系統(tǒng)作為一個整體來提供安全性。
Sakano：在汽車應用方面，我也在做汽車激光雷達的SPAD深度傳感器。從這個意義上說，我想通過這些不同傳感器的組合為實現(xiàn)Safety Cocoon概念做出貢獻。我的志向是超越汽車業(yè)務，通過在 HDR 技術上取得領先地位，為集團的其他領域做出貢獻。
Nishizuka：讓世界認可我們的汽車圖像傳感器對于自動駕駛汽車的安全和保障不可或缺，這讓我感到自豪。如果我們的圖像傳感器被世界各地的所有汽車采用并且自動駕駛成為現(xiàn)實，那就太好了。
想象一下未來的移動性，人們可以在自動駕駛汽車中享受索尼的游戲、音樂、電影和其他形式的娛樂。這是一個多么有趣的主意！
Shimozono：移動安全當然很重要，但我也想幫助解決社會問題，例如交通事故和社會中的移動弱勢群體，通過我們的技術豐富人們的生活。
據(jù)說電動汽車的推出改變了汽車行業(yè)，預計圖像傳感器也將發(fā)揮與汽車電池一樣重要的作用。因此，如果我們的努力刺激了這個不斷增長的細分市場以支持日本工業(yè)，那就太好了。
問：最后，你未來的挑戰(zhàn)是什么？
Azami：交通事故危及生命。如果您僅根據(jù)價格來選擇您的汽車，那么您可能會在意外事故中后悔自己的選擇。因此，我們有責任謹慎宣傳我們的圖像傳感器的優(yōu)點，以便客戶充分了解情況并做出不會后悔的選擇。這種努力也相當于使人們免于在交通事故中失去親人。牢記這一想法，我想致力于零缺陷以及下一代解決方案的開發(fā)，例如自我診斷和警告圖像傳感器故障的系統(tǒng)。
Sakano：對我來說，因為我從一開始就涉足汽車應用領域，我的目標是通過我們在工程和技術方面的領先專業(yè)知識，使集團能夠在這個業(yè)務領域中獲利。在此過程中，我想開發(fā)一種智能架構，考慮到環(huán)境問題，通過檢測和評估環(huán)境來確保高效率和自我控制系統(tǒng)。通過向行業(yè)提出這樣的架構，我希望我們的集團能夠在行業(yè)中處于領先地位。
2021年4月8日是日本警察廳 53 年監(jiān)視期間的第一個無事故日。我希望我們的努力將消除這個世界上的交通事故，零事故將成為一個常態(tài)。如果我們的圖像傳感器有助于實現(xiàn)這一點，我會感到非常自豪。
Nishizuka：我的目標是真正實現(xiàn)集團汽車圖像傳感器的零缺陷質(zhì)量。老實說，集團汽車應用團隊的所有成員齊心協(xié)力，這是可以實現(xiàn)的。
Shimozono：我的第一個目標是成為世界第一的汽車應用圖像傳感器供應商。在傳感方面，我們應該通過小型化提高分辨率來提高檢測距離和視角，從而提高安全性。從這個意義上說，我想通過將 SPAD 深度傳感器融入傳感技術來追求增強的環(huán)境魯棒性。
除了提供可以豐富人們生活的圖像傳感器之外，我還想在集團中創(chuàng)造工作帶來快樂的工作環(huán)境。
