互补金属氧化物半导体图像传感器前照式与背照式结构 我们将从一个最基础的模型开始理解图像传感器的结构。想象一下，一个典型的CMOS图像传感器芯片就像一块分层建造的“微缩城市”。最上层是负责收集光线的“街道和广场”——也就是 微透镜 和 滤色片（色阻） 层。光线需要穿过这些街道，到达“工作区”。“工作区”是进行光电转换的 光电二极管 层，它位于芯片内部。在光电二极管的“楼下”，则是“电路和数据处理区”—— 读出电路、放大器和模数转换器 等晶体管电路层。光线必须依次穿过微透镜、滤色片、电路层，最后才能抵达光电二极管。这种 光线先经过电路层，再到达光电二极管 的经典结构，就被称为 前照式结构 。它的制造工艺相对简单，与标准集成电路工艺兼容性好。 然而，FSI结构存在一个根本性的物理限制：电路层由金属互连线和晶体管构成，这些结构会 反射、遮挡和吸收 部分入射光线。特别是随着像素尺寸不断缩小（如手机传感器），电路层在像素面积中的占比越来越高，导致到达光电二极管的有效光线减少。这就像“工作区”上方的“天花板”越来越厚且结构复杂，挡住了很多“阳光”，其直接后果是降低了传感器的 量子效率 （光电转换能力）和 灵敏度 ，在弱光环境下表现不佳。同时，光线斜射时更容易被金属线阻挡，导致严重的 光学串扰 ，影响图像清晰度和色彩还原。 为了解决FSI的瓶颈，工程师们颠覆了传统的“建筑”顺序，发明了 背照式结构 。BSI的核心思想是：将芯片的“地基”翻转过来。制造时，先完成电路层的加工，然后将整个硅片 翻转并减薄 ，直到露出光电二极管所在硅层的背面。这样一来，光线 首先从芯片背面（即光电二极管所在面）入射，直接进入光电二极管 ，完全避开了上方电路层的遮挡。你可以把它想象成把“工作区”搬到了顶层，让“阳光”毫无阻碍地直接照进来。 BSI结构带来了显著的性能优势。由于光线路径上再无金属线阻挡， 量子效率和灵敏度得到极大提升 ，尤其在像素微缩化和弱光场景下优势明显。同时，它几乎 消除了由金属线引起的光学串扰 ，提高了图像的信噪比和色彩纯度。此外，由于光电二极管更靠近微透镜，光线入射角度可以更大，这有利于设计更紧凑的摄像头模组。 但BSI并非完美无缺，其优势伴随着技术和成本上的挑战。首先， 制造工艺极其复杂 ：需要对完成电路加工的脆弱硅片进行翻转、键合、研磨和化学机械抛光等精密操作，硅片必须被减薄到几微米的量级，良率控制难度大，成本显著高于FSI。其次，因为光电二极管与电路层非常接近， 电学串扰 （如电路噪声耦合到信号中）的风险增加，需要更精密的隔离设计。最后，超薄的硅衬底可能带来更多的 光泄露和衍射效应 ，需要通过特殊的背面处理和光路设计来优化。 总结与应用： FSI与BSI是CMOS图像传感器光线入射路径的两种根本性设计方案 。 FSI 工艺成熟、成本较低，在过去以及目前一些对成本敏感、像素尺寸较大的应用中（如部分数码相机、安防监控）仍有使用。而 BSI 以其卓越的感光性能，已成为 智能手机、高端紧凑型相机、汽车影像、医疗内窥镜 等追求小型化、高画质、弱光性能领域的绝对主流技术。未来，随着三维堆叠技术发展，BSI可以与更多的处理芯片直接堆叠，进一步实现高性能与小型化。