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Gli Economics dei Sensori delle reflex digitali

di Gary Tomkins (tradotto da Aristide Torrelli)


 

Ho trovato su questo sito http://www.chipworks.com un interessante articolo sugli economics dei sensori e mi permetto di ritradurlo in italiano, lasciando ovviamente il link all’articolo originale(http://www.chipworks.com/blogs.aspx?id=4626&blogid=86).

Ho, chiaramente, chiesto il permesso all’autore.

 

Qui in Chipworks guardiamo un mucchio di sensori d’immagine. E’ un’area interessante, lo stato dell’arte è in continua evoluzione ed ogni sensore ha caratteristiche uniche. Il mercato è pilotato dalla richiesta dei telefoni cellulari ma anche il segmento delle fotocamere digitali è molto attraente con più di 100 milioni di pezzi nel 2007 ed un incremento previsto a ritmi del 20% annuo. Il segmento in più alta crescita è quello delle reflex digitali con una previsione di 9,1 milioni di unità nel 2008 (numeri della CIPA, Camera and Imaging Products Association).

Le reflex digitali utilizzano, oggi, principalmente sensori CMOS, una strada iniziata da Canon nel 2003 con la EOS 10D (6,3 megapixel) che conteneva il sensore Canon 704F CIS. Dimostrarono che i CMOS potevano fornire la stessa qualità d’immagine delle reflex basate su CCD.

 

Nota del traduttore: il primo esempio di reflex digitale con sensore CMOS è sempre di Canon ma la EOS D30, una 3 megapixel presentata ad ottobre del 2000.

 

Oggi virtualmente tutte le reflex hanno un sensore CMOS (d’ora in poi CIS, CMOS Image Sensor), vista la necessità di un elevato numero di pixel per chip e l’assorbimento più basso dei CIS. Gli ultimi sensori che stiamo analizzando sono dei sensori Full Frame 35 mm installati nelle reflex professionali Canon EOS 1Ds mark III e Nikon D3. Queste macchine contengono dei processori molto potenti, necessari per estrarre I segnali dal sensore. Sulla Nikon D3 abbiamo trovato ben 6 processori di segnale Analog Devices AD9974, probabilmente due per ogni colore.

 

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Il circuito stampato in una reflex digitale Nikon D3

 

Canon, invece, utilizza due processori d’immagine Digic III per gestire l’enorme volume di dati che può generare una reflex da 21 megapixel a 5 fotogrammi al secondo.

 

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Il circuito stampato in una reflex digitale Canon EOS 1D Mark III

 

E’ interessante notare come Canon e Nikon, seppur utilizzino i CIS, lo fanno in modo diverso. Canon spinge sulla risoluzione con 21,1 megapixel mentre Nikon, scegliendo 12,1 megapixel, ha utilizzato pixel più grandi per una sensibilità superiore (La Nikon D3 ha una sensibilità ISO da 200 a 6400 nelle impostazioni normali). Ciò che rende questi sensori interessanti è il formato 24x36 mm a pieno fotogramma. Per il fotoamatore appassionato, il fattore di moltiplicazione di 1,6X è una limitazione. Molti si aspettano che il formato APS-C sia solo un passaggio temporaneo prima che tutte le reflex siano a formato pieno.

 

Nota del traduttore: leggete il mio articolo Abbiamo bisogno di reflex full frame o no?

 

I CIS vengono oggi fabbricati su wafer di silicio da 200 mm, in linee mature e poco costose. Questo è uno dei motivi per cui i CIS attraggono molto i produttori di semiconduttori. Su un wafer da 200 mm ci vanno solo 20 sensori full frame.

 

 

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Wafer da 8" (20 cm) con sensori da 35mm (fonte: Canon whitepaper)

 

Questi sensori con dimensioni dei pixel tra 6 e 9 µm sono fabbricati con un disegno (~0.35-0.5µm) molto meno stringente di quello dei sensori per i telefoni cellulari (130nm o addirittura 90nm). Rimangono tuttavia sfide quali la bassa densità di difetti o la bassa perdita delle giunzioni.

Un’altra sfida posta dai sensori full frame riguarda proprio la dimensione fisica. I normali stepper litografici sono capaci di stampare delle maschere sul wafer di, al massimo, 26x33 mm (vedi ASML, Nikon, Canon). Questa dimensione è inferiore al 24x36 mm perciò è necessaria una qualche forma di “cucitura litografica” dove reticoli separati, ognuno contenente una porzione del chip, sono stampati in modo seriale. Questo non solo aumenta i costi della litografia a causa dei passaggi multipli, ma presenta la difficoltà legata all’allineamento delle diverse stampe.

 

 

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Artefatti dovuti alla “cucitura” sul sensore della Nikon D3

 

Canon, tuttavia, sembra essere l’unico costruttore di dispositivi per litografia ad offrire uno stepper configurato per wafer da 200/300 mm con una capacità di maschera da 50x50 mm. Non solo è capace di lavorare a 0,5 µm ma sembra coerente con quanto visto sul sensore Canon in analisi. Non sono presenti cuciture nel sensore Canon, quindi, se stanno usando questo stepper, hanno dei vantaggi di costo rispetto alla catena di produzione della Nikon D3.

La produzione della D3 è interessante anche per un altro motivo: Nikon ha annunciato di aver disegnato il sensore ma, non avendo alcuna linea di produzione di wafer/sensori, ha dato all’esterno la produzione del suo sensore. A chi? Qui dobbiamo fare delle ipotesi perché Nikon non ha rivelato questo segreto.

 

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Incisioni sul chip del sensore della Nikon D3

 

La scelta ovvia dovrebbe essere Sony, che ha costruito il sensore della Nikon D2X, tuttavia non sono presenti marcature Sony sul dispositivo. Inoltre la struttura del sensore è diversa da altri CIS della Sony che abbiamo analizzato. Abbiamo preso in considerazione Matsushita/Panasonic: la struttura del dispositivo è simile a CIS della Panasonic che abbiamo visto ma ci sono delle differenze che ci fanno dubitare che Panasonic sia coinvolta.

Chi potrebbe essere? Sicuramente Nikon si sarà rivolta ad un produttore giapponese. Una possibilità è Renesas: hanno stretti rapporti con Nikon, fornendo loro molti tipi di processori d’immagine, hanno una serie di brevetti nel campo dei sensori d’immagine e quindi fanno ricerca e sviluppo nel settore, hanno le capacità produttive. Se sono veramente loro i produttori del CIS della D3, rappresentano un interessante attore nuovo del mondo della produzione dei CIS.

 

 

Conclusioni

 

Per un sensore APS-C ci sono circa 200 sensori stampati su ogni wafer. Anche ignorando la resa, una sfida significativa per i sensori full frame, c’è una differenza di 10 volte nei costi di produzione di un sensore full frame rispetto ad un APS-C. Le reflex digitali amatoriali/semi professionali hanno prezzi tra i 500€ e i 1500€, le full frame ultime uscite vanno dai 5000€ agli 8000€.

Per i sensori full frame, raggiungere una resa del 50% (10 sensori per wafer) sarebbe impressionante (i produttori di semiconduttori non comunicano la resa dei loro processi). Speculando sui costi della ceramica (la base su cui si mettono i chip) e del package, mi sento di affermare che il costo di produzione di uno di questi sensori è tra i $300 e i $400, a fronte di $70/$80 per un sensore APS-C (i costi sono sempre in dollari all’estero). Ritengo perciò che ci vorrà molto tempo prima di vedere un sensore full frame su una reflex da meno di 1500€.

Ovviamente spero che Canon, Nikon, Sony o qualcun altro mi dimostri che sto sbagliando!

 


©2008 Aristide Torrelli