据麦姆斯咨询报道，车规级图像传感器为未来汽车出行安全保驾护航。索尼半导体解决方案集团（以下简称：索尼）在全球图像传感器领域霸主的地位无需置疑，但在汽车应用市场却未摘取桂冠。为了在汽车市场获得竞争力，索尼为汽车摄像头开发了一款CMOS图像传感器，提供高动态范围（HDR）和LED闪烁抑制（LFM）。承担开发新技术图像传感器的任务，与进军新业务市场一样，困难重重。车规级电子产品要求苛刻，如高温、潮湿和振动下的高品质保证。这意味着设计、制造和质量保证部门都分别需要面对并征服独有的挑战。在本次采访中，团队成员讲述了索尼“安全茧”（Safety Cocoon）概念和开发汽车图像传感器的幕后故事。
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本次四位索尼讲述人
汽车图像传感器的开发最初是为满足安防应用，但客户提出史上最严格的要求
问：决定进入汽车图像传感器业务背后的故事是什么？
Azami：我最初是安防和工业应用图像传感器的设计项目负责人（D-PL）。大约在2012年，索尼开始调研汽车业务，我被任命为该项目第一款产品IMX224的设计项目负责人。当时我对与国外公司合作很感兴趣，因此把这当作一个很好的机会。
最初，该项目是基于安防图像传感器规格开发汽车级图像传感器。基本想法是，安防图像传感器拥有对汽车传感器有用的属性，例如广泛的耐用性、在黑暗环境下捕捉图像的能力。然而，立项后，我们发现汽车图像传感器有一整套不同的要求。那些日子里，我拜访海外客户，一次又一次地听取他们的想法，回来后常常感到泄气。
问：汽车图像传感器面临哪些特殊挑战？
Azami：与安防和工业图像传感器不同，汽车图像传感器有一套专门为汽车应用制定的标准，例如IATF 16949（专为汽车行业设计的国际质量管理体系标准）、AEC-Q100（汽车电子委员会为汽车集成电路制定的质量标准）。我们非常努力地使我们的产品设计符合这些标准，但往往我们的想法被客户一票否决。
问题之一是高动态范围（HDR）。HDR允许在各种亮度条件下捕获图像，这必须在图像传感器内部就建立完整系统。对于安防图像传感器，有一种称为DOL（数字重叠）的方法可以实现HDR，此方法可在传感器外部将不同曝光条件下的图像进行合成。索尼没有在图像传感器内完成图像合成的专业知识，必须从零开始研发。
另一个挑战是LED闪烁（LED指示灯、交通信号灯等的闪烁）的现象，该现象非常常见。客户要求每帧图像必须捕获LED灯，如刹车灯和交通信号灯。事实证明，这个要求很高，因为没有既定的LED光频行业标准，要确保覆盖所有LED很困难。我需要帮助，所以我向设计部门的Sakano求助，我们做了一遍又一遍的“脑筋急转弯”。
Sakano：我一直对HDR感兴趣，很乐意接受Azami的邀请。但有一个问题是汽车摄像头对图像传感器的质量标准要求非常高，初始缺陷率必须非常低。通常，其它图像传感器通过重复的生产周期反复改进。然而，汽车图像传感器必须采用成熟的工艺制造，这是一条不成文的规则。我所在的工艺开发研究部有一条规则，即汽车图像传感器不在工作职责范围。因此，我参与该项目最初是非官方的，却是自愿的。
Azami：除了设计，在制造方面也面临挑战。在汽车行业，我们还缺乏信息网络、知识和专业技术。因此，即使研究汽车行业的特殊标准，如IATF 16949和ISO 26262（关于道路车辆电气电子系统功能安全的国际标准），也要花费非常多的精力。我与Nishizuka、Shimozono举行了多次学习会议。
Nishizuka：IATF 16949和ISO 26262这样的标准本身就足够清晰，但我们的工作流程却很难适应。探索和理解每条标准本身很困难，项目成员对标准的理解达成一致更加困难。每个成员都必须理解并执行我们不熟悉的行事方式。尽管存在上述困难，但一个积极的目标激励着我们，即所有努力都是为了实现自动驾驶和未来技术的进步。
Shimozono：IATF 16949和ISO 26262等标准中提出的要求非常具体，与我们通常接触的标准不同。我们需要找到在实际操作中应用它们的方法。汽车应用的另一个特点是涉及非常多的客户检验要求。我们对标准的解释往往让客户不满意，客户也向我们提供了具体要求等反馈。要满足所有标准和客户要求，难度可想而知。
缺陷率不能超过1 ppm，对性能和生产管理预期要求提高了百倍
问：您如何解决汽车应用对高可靠性要求带来的问题？
Nishizuka：这个问题之所以构成重大挑战，来自几个方面的原因。例如，夏季仪表板温度可能超过100℃。因此，图像传感器必须能够承受高温。其次，行车过程中会引起振动，制造出能够在振动环境下工作且不出错的精密器件对工程水平要求极高。
此外，正如Sakano刚才提到的，零缺陷即尽量减少最初的缺陷。要求是低于1 ppm，这意味着每生产100万颗只会出现不到一颗有缺陷的图像传感器。为了满足高性能和高可靠性的要求，我们必须建立史上最严格的产品评价环境。
Sakano：在HDR方面，汽车图像传感器的要求是120 dB，而其它应用大约为70 dB。动态范围要从70 dB提高到120 dB，这不是将信号处理能力提高1.7倍（即：120除以70），事实上是提高320倍以上。这个数字是不可能通过传统图像传感器架构实现的，我们需要开发全新架构。
以前，图像传感器设计通过在光电二极管中存储电荷。为了释放几百倍的信号处理空间，我们决定设计单独的电荷存储器。此时，我们将存储器（如DRAM）集成到图像传感器。新的像素结构和像素控制方法使传感器能够同时在不同的曝光条件下捕获多幅图像。这大大增强了动态范围。
Shimozono：制造部门的任务是为新架构提供新的结构。为了实现汽车应用所需的性能，我们调整了生产线的所有工艺，以最小偏差运行。为了消除缺陷，实现零缺陷的目标，还必须对生产线进行无尘管控。
汽车图像传感器的工作温度范围为-40℃~125℃，为此需要在很多方面进行改进，例如高温环境中的暗时特性。要实现HDR功能，需要改进光二极管性能。在研发过程还遇到了许多问题需要解决。因此，我们与设计团队密切合作，制定了工艺要求。
关于封装，汽车应用在不同极端温度下对参数要求有差异，回流温度为250℃，这些都是我们需要面对的挑战。通过开发专用于汽车图像传感器的特殊封装技术，索尼克服了上述困难。
研发和制造部门密切合作，HDR和LFM最终均满足客户要求
问：索尼的汽车图像传感器有何优势？
Azami：与索尼的所有图像传感器一样，我们用于汽车应用的图像传感器在暗光环境下噪声水平低、白色噪点缺陷少。在105℃的高温下也能捕获图像，这一技术非常出色，即使我们的竞争对手对此也无可辩驳。我认为，之所以能够实现这一点，是因为我们的工厂拥有基于CCD图像传感器所积累的专业知识，还有像素设计和制造部门之间的协同工作。我们密切合作，得到及时反馈，有助于加快改进速度。通过讨论，我们确定问题是否可以在工艺或设计方面加以解决。事实上，我们确定的这些细则，对索尼来说是一笔巨大的财富。
索尼的图像传感器的另一大优势是HDR和LFM的高度集成。全球客户支持也是我们的优势。我相信索尼拥有准确体现客户要求的产品的技术和环境。
Sakano：图像传感器与模拟电路器件一样，如果没有设计和工艺团队之间的密切合作，就很难进行改进。因此，索尼在营造设计和工艺部门密切沟通环境方面具有极大的优势。
Nishizuka：我们经常与客户进行质量检验情况的交流，他们对我们工厂和设计开发的反馈总是非常积极的。我们告诉客户，他们可以随时来索尼参观审核，尽管目前因为新冠肺炎疫情难以实现。我们相信，信任和信心是汽车产品成功的关键要素。
问：在汽车应用方面，您发现最困难的是什么？
Sakano：我认为主要来自性能相关的耐热性。-40℃~125℃的温度范围只是功能保证，并非性能保证。只要图像传感器正常工作，就会产生图像，但图像可能会引起客诉。难点在于没有明确的标准。是否出现投诉，取决于客户。工作过程也出现了一些困难。除了索尼自建的可靠性测试标准外，还有行业权威机构规定的其它可靠性测试标准。鉴于此，尽管与其它应用相比，汽车图像传感器开发的整体时间相对较长，但分配给工艺开发的时间却不长。此外，在量产之前，要确保该工艺的完整性、高可靠性和高良率。因此，工艺开发是顶着巨大压力进行的。
从业务角度来看，还面对着另一个困难。行业惯例是，企业要凭借产品脱颖而出，必须在产品定型时就征服许多竞争对手。索尼是这项业务的后进入者，在产品开发之前，我们还没有与客户谈判规格的话语权。这种情况使负责技术规划的我们承受着相当大的压力。
Shimozono：客户要求非常苛刻。他们希望图像传感器的性能是万能的。例如，在一些极端条件，如明亮的阳光和雪地，不会饱和，在高温和低温环境下保证稳定运行。
可靠性、质量管理和客户服务的预期水平远远高于其它应用。我们所做的是真正满足所有要求，并确保产品的高性能。
Nishizuka：现在，我们正朝着自动驾驶的方向前进。在恶劣的环境中实现零缺陷和绝对安全的任务。目标是宏伟的，但实现的过程将会是艰难的。事实上，只要出现极小的缺陷就会导致重大的失败，因此必须时刻保持警觉。
汽车应用图像传感器将引领实现零交通事故和自动驾驶
问：索尼希望通过汽车图像传感器实现怎样的未来？
Azami：我希望，配备了索尼汽车规级图像传感器的汽车，将帮助我们的Safety Cocoon概念成为现实，将汽车和道路系统作为整体提供完整的安全性。
Sakano：在汽车应用方面，我也致力于汽车激光雷达的SPAD（单光子雪崩光电二极管）深度传感器。我希望通过不同传感器组合为实现Safety Cocoon概念做出贡献。此外，除了汽车业务，我非常希望通过在HDR技术方面取得的领先地位为索尼其它业务做出贡献。
Nishizuka：如果全世界都认识到我们的汽车图像传感器对于自动驾驶汽车的安全保障是不可或缺的，我将为此感到自豪。如果我们的图像传感器被全世界所有的汽车所采用，自动驾驶成为现实，那就太好了。
想象一下未来的交通，人们在自动驾驶汽车中享受索尼的游戏、音乐、电影和其它形式的娱乐。这是一个多么有趣啊！
Shimozono：当然，安全很重要，我也想帮助解决诸如交通事故和弱势群体出行等社会问题，用索尼的技术丰富人们的生活。
电动汽车将改变汽车工业，图像传感器也有望像汽车电池一样发挥重要作用。因此，我们努力刺激这一不断增长的细分市场来支持日本产业，这将是美妙的事情。
问：最后一个问题，你们未来面对的挑战是什么？
Azami：交通事故危及生命。如果仅仅根据价格来选车，你可能会在发生意外事故时后悔。因此，我们有责任宣传索尼图像传感器的优点，以便客户了解情况，做出不会后悔的选择。这种努力也会帮助人们避免在交通事故中失去亲人。正是这样的理念，致力于零缺陷、开发下一代解决方案，例如可以自我诊断和提醒图像传感器的任何故障系统，成为我今后工作的追求。
Sakano：对于我来讲，由于我从一开始就参与汽车图像传感器业务，我的雄心壮志是使索尼能够通过我们在工程技术方面的领先专业知识实现在该业务领域的盈利。鉴于环境问题，我想开发一种智能架构，通过探测和评估环境，确保系统的高效率和自主控制。这样的架构提出后，我希望索尼能提升在业界的领先地位。
2021年4月8日，是日本国家警察厅53年监视期间第一个无事故日子。希望通过我们的努力消除世界上的交通事故，零事故将成为常态。如果我们的图像传感器帮助实现这一愿景，我会非常自豪。
Nishizuka：我的目标是真正实现索尼汽车图像传感器的零缺陷质量。我真诚地相信，索尼汽车应用团队的所有成员齐心协力，这将成为现实！。
Shimozono：我的第一个目标是索尼的图像传感器成为世界第一的车规级图像传感器。在传感方面，我们应通过改善探测距离和视场角提高安全性，并通常减小像素尺寸提高分辨率。我希望通过将SPAD深度传感器与传感技术的融合来增强环境鲁棒性。
除了提供能够丰富人们生活的图像传感器外，我还希望在索尼创造带给员工享受工作的快乐工作环境。
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