טאואר-ג'אז פיתחה תהליך ייצור של חיישני תמונה תלת-מימדיים

חברת טאואר-ג'אז (TowerJazz) ממגדל העמק הצליחה לשפר את תהליך ייצור חיישני התמונה התמונה שלה (CMOS I mage Sensors – CIS) ולייצב תהליך מסוג backside illumination – BSI בחיישנים שהיא מייצרת בתהליך של 65 ננומטר בפרוסות סיליקון של 300 מ"מ במפעל הייצור שלה בעיר אוזו ביפן. מדובר בטכנולוגיה שפותחה במקור על-ידי סוני לפני כעשר שנים.

רוב חיישני התמונה כיום מבוססים על שני מודולים מרכזיים ושלוש שכבות פונקציונליות: שכבת עדשות, שכבת חיווט ומעגלים חשמליים המייצרים את המידע הנאסף בכל פיקסל, ושכבה הכוללת מערך של פוטו דיודות הקולטות את האור המגיע מהעדשות וממירות את הפוטונים לאלקטרונים.

אלא שעקב קשיי ייצור, שכבת החיווט והמעגלים החשמליים נמצאת בחלקה בין העדשה לבין הפוטו דיודה, ובחלקה לצד מערך החישה האופטי. התוצאה, רק חלק קטן ממספר הפוטונים מגיע אל הדיודה עצמה, וחלק גדול משטח החיישן משמש לאיחסון מהעגלים החשמליים. בטכנולוגיית BSI, האור מגיע ישירות מהעדשה את האלמנט הרגיש לאור, כאשר שכבת החיווט נמצאת בתחתית החיישן. הדבר נעשה עד היום בעיקר בחיישנים יקרים מאוד, מכיוון שתהליך הייצור של חיישני BSI נחשב לקשה במיוחד.

מגדל אלקטרו-אופטי דו-קומתי

בשנים האחרונות חל פיתוח נוסף בטכנולוגיה, עם הצגת שיטת הייצור התלת-מימדית Stacked Hybrid Bonding. בטכנולוגיה הזאת, המעגלים האנלוגיים ומעבד ה-DSP של החיישן לא מיוצרים על-גבי אותה פרוסת סיליקון שבה מיוצר מערך החישה, אלא בפרוסת סיליקון נפרדת, המחוברת אל מערך החישה בתחתיתו. התוצאה: חיישן תלת-מימדי בתצורת מגדל (Stack), שבו מערך החישה מצוי בחזית והמעגלים האלקטרוניים מצויים בעורף (בתחתית השבב).

הטכנולוגיה הזאת מגדילה את הנצילות האופטית של החיישן, שכן כ-90% משטח החיישן משמשים לקליטת פוטונים, בניגוד לטכנולוגיה הלא תלת-מימדית, שבה חלק גדול מהשטח מוקדש למעגלים החשמליים. חברת טאואר-ג'אז הודיעה שתהליך הייצור שלה, הכולל את שתי הטכנולוגיות, זמין כעת לייצור מסחרי ומאפשר לייצר חיישנים יעילים יותר, בעלי קצב העברת מידע גבוה וחסכוניים יותר באנרגיה.

בשיטת הייצור של טאואר-ג'אז, כל פוטו דיודה בפרוסת הסיליקון העליונה, מקושרת ישירות אל המעגל החשמלי המייצר את הפיקסל הרלוונטי בפרוסת הסיליקון התחתונה. בין השאר, הטכנולוגיה מאפשרת לטאואר-גאז לייצר חיישנים גדולים, חיישנים הרגישים לספקטרום קרינה רחב וחיישנים המאפשרים ליישם מוצרים המבוססים על מדידת מרחקים בשיטת Time of Flight.

שוק חיישני ה-CMOS יצמח ל-21.5 מיליארד דולר

למרות ההאטה המסתמנת בתעשיית השבבים, שוק חיישני ה-CMOS צפוי דווקא להמשיך במגמת הצמיחה של השנים האחרונות. להערכת חברת המחקר IC Insights, היקף המכירות של חיישני CMOS יצמח בשנת 2019 ב-9% להיקף של כ-15.5 מיליארד דולר. בשנת 2020 הצמיחה תימשך, אולם תהיה מתונה יותר: גידול של 4% נוספים להיקף של 16.1 מיליארד דולר.

הצמיחה נדחפת על-ידי ריבוי היישומים מבוססי חיישנים בתחומים טכנולוגיים רבים, מגמה הצפויה להמשיך ולהתרחב גם בשנת 2023, שבה צפוי שוק חיישני ה-CMOS העולמי להגיע להיקף של כ-21.5 מיליארד דולר. אחת מהחברות שתהנה מהמגמה הזאת היא טאואר-ג'אז הישראלית, שזהו תחום מרכזי עבורה והיא נחשבת לאחת מהיצרניות המתקדמות בתחום הזה. התמתנות הצמיחה ב-2020 נובעת ממגמות מאקרו-כלכליות: סימני מיתון בכלכלה העולמית, וההסלמה במלחמת הסחר בין ארצות הברית לסין, הפוגעת בשתי הכלכלות הגדולות בעולם.

הנתונים מצביעים כי שוק חיישני ה-CMOS מצוי בגידול עקבי מאז 2011, הן בהיקף המכירות והן במספר היחידות. ריבוי השימוש במצלמות, ממכשירי סמארטפון, מערכות אבטחה, מערכות בטיחות לרכב ועד לאבזרי IoT דחף את השוק במונחי מכירות ב-19% בשנת 2017 וב-14% בשנת 2018. סין היתה אחראית לכ-39% מרכש החיישנים בעולם בשנת 2018. החישוב אינו כולל את החיישנים שנרכשו על-ידי חברות זרות המרכיבות את מוצריהן בסין. כ-19% מהחיישנים נרכשו על-ידי חברות ביבשת אמריקה, מתוכם 90% על-ידי חברות הרשומות בארצות הברית.

מנועי הצמיחה: אוטומוטיב, אבטחה ו-IoT

המגזר המוביל הוא של מצלמות לסמארטפונים שהיה אחראי לכ-61% מההכנסות וכ-64% מהמשלוחים של חיישני CMOS בשנת 2018. עם זאת, הביקוש לחיישני CMOS בתעשיית הרכב יצמח בשנים הקרובות בקצב שנתי של 29.7% להיקף של 3.2 מיליארד דולר בשנת 2023, שבה תעשיית הרכב תהיה אחראית לכ-15% מהשוק, בהשוואה ל-6% בשנת 2018.

הביקוש בתחומי הרפואה והמדע יצמח בקצב שנתי של 22.7% להיקף של 1.2 מיליארד דולר. תחום מצלמות האבטחה יצמח בקצב שנתי של 19.7% להיקף של 2 מיליארד דולר. תחום ה-IoT, הכולל גם רובוטיקה ויישומים תעשייתיים, יצמח בקצב שנתי של 16.1% להיקף של 1.8 מיליארד דולר, ומגזר הצעצועים יצמח בקצב של 15.1% להיקף של 172 מיליון דולר.

הביקוש לחיישני CMOS במכשירי סמארטפון יצמח בשיעור מתון בהרבה, של 2.6% בשנה ויגיע להיקף של כ-9.8 מיליארד דולר בשנת 2023. משקלו של השוק הזה יירד מ-61% בשנת 2018 לכ-45% בשנת 2023. גם מחשבים שולחניים, מחשבםי ניידים וטאבלטים יגדילו את רכש החיישנים, אולם בקצב שנתי של כ-5.6% בלבד, להיקף של כ-990 מיליון דולר.

קויטו השקיעה ב-BrightWay סכום של 24 מיליון דולר

חברת BrightWay Vision מטירת הכרמל גייסה 25 מיליון דולר מחברת Koito Manufacturing ומקרן Magenta Venture Partners המתמקדת בטכנולוגיות ישראליות. המשקיעה המרכזית היא Koito היפנית, אשר השקיעה 24 מיליון דולר בחברה ומחזיקה כעת ב-36.9% מהמניות. בעקבות ההשקעה ירד חלק של אלביט בחברה ב-100% לכ-61.5%. המשקיעות החדשות קיבלו 38.5% ממניות החברה. ההשקעה בוצעה לפי שווי חברה של 96.25 מיליון דולר.

חברת BrightWay הוקמה בשנת 2011 במסגרת מאמצים של אלביט לאתר יישומים אזרחיים לטכנולוגיות צבאיות הנמצאות ברשותה. המנכ"ל והמייסד הוא ד"ר עופר דוד, שמילא תפקידי פיתוח וניהול בכירים בחטיבת האלקטרו-אופטיקה של אלביט. הסגן נשיא למו"פ, אייל לוי, הגיע לחברה בשנת 2012 לאחר שניהל במשך חמש שנים את קבוצת ייצור המצלמות באלביט שהוא הקים. מנהל הכספים, אסף עפרון, הגיע לחברה ממחלקת הכספים של חטיבת התעופה של אלביט.

צילום ממותג לביטול רעשים

המוצר המרכזי של BrightWay הוא מצלמת BrightEye שפותחה באלביט, אשר מיועדת לשימוש במערכות עזר בטיחותיות ברכב (ADAS) ומבוססת על טכנולוגיית Active Gated Imaging. בטכנולוגיה הזאת הצילום נעשה באמצעות שימוש בפולסים של מקור לייזר בתדרי אינפרא-אדום קרוב (Near IR) ובגלאי IR הממותג בסינכרון למקור הקרינה. הגלאי עצמו מיוצר בחברת טאואר-ג'אז ממגדל העמק, אשר פיתחה מנגנון פיקסל ייחודי הקיים רק אצלה, ומאפשר לייצר תמונות ממותגות בקצב גבוה.

התיאום בין שידור אות הלייזר ובין ופתיחת וסגירת הפיקסלים (מיתוג), מאפשר להגדיר בדיוק את הטווח שבו המצלמה מחפשת עצמים ולמנוע רעשים, מכיוון שהמיתוג לוקח בחשבון את זמן השידור וזמן ההחזרה של האותות האופטיים. כך למשל, כאשר הכביש רטוב או מכוסה בקרח או שלג, האותות האופטיים יחזרו מהם לפני שיגיעו האותות החוזרים מהאובייקט הנבדק, כאשר הפיקסלים עדיין "סגורים", ולכן לא קולטים את הרעש.

BrightWay תכניס את הענקית היפנית אל תחום ה-ADAS

המערכת מזהה הולכי רגל ממרחק של עד 200 מטר ומיועדת לשמש במערכות בטיחות לכלי-רכב. בין השאר, היא גם מאפשרת למדוד את המרחק מהרכב של חלק מהעצמים, ולספק התראה לנהג. אחד מיתרונותיה נעוץ ביכולתה לגלות עצמים ממרחק גדול יותר מאשר פנסי הנסיעה הרגילים של הרכב.

ההשקעה של Koito היא השקעה אסטרטגית. הנהלת החברה יושבת בטוקיו. היא מייצרת מכלולי תארה לתעשיית הרכב ולתעשיית התעופה ומעסיקה כ-24,600 עובדים. בשנת 2019 הסתכמו מכירותיה בכ-7.7 מיליארד דולר. חברת קויטו דיווחה למשקיעים שההשקעה בוצעה במסגרת אסטרטגיה חדשה לפיתוח מצלמות רכב אמינות הפועלות בכל תנאי מזג אוויר ותאורה.

בהודעתה נמסר: "באמצעות שילוב טכנולוגיית תאורת הרכב של Koito עם טכנולוגיית המצלמה של BrightWay, אנחנו נפתח ביחד את הדור הבא של מערכות תאורה לרכב". ככל הנראה, הכוונה היא לייצר מערכת שבה מקור הלייזר נמצא בפנסי הרכב, ולידם ברכב מצוי החיישן הקולט את האותות החוזרים.

ניוסייט ו-ZKW יפתחו פנסי-רכב חכמים

חברת ניוסייט (Newsight Imaging) מנס-ציונה חתמה על הסכם לשיתוף פעולה עם ZKW Group האוסטרית, שבמסגרתו יפתחו שתי החברות טכנולוגיית תאורת-רכב חכמה העושה שימוש בחיישן התמונה של ניוסייט. חברת ניוסייט השתתפה בפרוייקט שבו בחנה חברת ZKW כמה עשרות חברות סטארט-אפ מהעולם כדי לחפש רעיונות חדשניים בתחומי התחבורה. היא קייימה ביניהן תחרות ובחרה בחברת ניוסייט כחברה הזוכה. בעקבות הזכייה קיבלה ניוסייט פרס של 10,000 אירו ופרוייקט משותף עם ZKW.

קבוצת ZKW היא ספקית פתרונות תאורה של יצרניות רכב גדולות, דוגמת פולקסווגן, אאודי, ב.מ.וו, מרצדס, אופל, רולס רויס, וולוו פורד ועוד. היא מעסיקה כ-9,700 עובדים ובשנת 2018 הסתכמו מכירותיה בכ-1.35 מיליארד אירו. מייסד משותף ומנכ"ל ניוסייט, אלי אסולין, סיפר ל-Techtime שהפרוייקט המשותף עדיין חסוי, אולם הוא קשור לנושא של תאורה חכמה ומסתגלת (Adaptive Frontline System). הרעיון הראשוני פותח על-ידי ניוסייט ומהנדסי ZKW במסגרת התחרות.

"ישבנו איתם שלושה ימים במטה החברה ופיתחנו רעיון חדש שהחברה החליטה לאמץ. למוצר המשותף הראשון נקבעו תקציב ולוחת זמנים, והאבטיפוס הראשון אמור לצאת בעוד כשנה לניסויי שטח". מבחינת החברה מדובר בתחום חדש ומפתיע, שכן הוא מעניק לה גישה אל שוק המוני, שזה דבר נדיר בתחום החיישנים המורכבים שבהם היא עוסקת.

הדבר גם מלמד על התפתחויות חדשות בתעשיית הרכב: המעבר של התעשייה לשימוש בתאורת רכב מבוססת לדים, הכניסה את עולם האקטרוניקה אל מערכת שבעבר התבססה על נורות להט או הלוגן והיתה פשוטה יחסית. תאורת לדים דורשת מערכות בקרת הספק וזרם מדוייקים מאוד ושליטה מלאה בדיודות כדי להבטיח צבע ועוצמה מתאימה של התאורה.

פנס הרכב הופך פיסת נדל"ן עתירת אלקטרוניקה

כיום, עם ההתפתחות של המכונית החכמה והמכונית האוטונומית, יש צורך בתאורה שתדע לפעול בסביבה שבה יש חיישנים רגישים, לא תסנוור אותם ותספק להם את מקורות האור הטובים ביותר בכל תנאי הדרך, האור ומזג האוויר. במסגרת הזאת, הקבוצה מתכננת להיכנס אל טכנולוגיות חדשות, דוגמת רכיבי MEMS, דיודות מסוג OLED, ומקורות לייזר מיניאטוריים.

למעשה, היא מנהלת מעין "מלחמת נדל"ן" במטרה לשכנע את התעשייה שהחיישנים במכונית העתיד יהיו חלק בלתי-נפרד ממערכת התאורה של הרכב. כיום היא מפתחת יכולות חדשות במקורות תאורה מבוססי לדים, כמו למשל יכולת שליטה בכל לד בנפרד כדי לאפשר לרכב להתאים אוטומטית את התארוה אל תנאי הדרך, למנוע סינוור של הולכי רגל או נהגים, ולצמצם את השטחים המתים. המגמות האלה מסבירות את אופי שיתוף הפעולה שלה עם חברת ניוסייט.

החיישן של ניוסייט מיוצר בישראל

חברת ניוסייט מפתחת חיישנים מיוחדים מבוססי CMOS המיוצרים בחברת טאואר-ג'אז במגדל העמק. המוצר הראשון של החברה הוא השבב NSI3000 הכולל מעגל עיבוד אנלוגי ודיגיטלי וחיישן אינפרא-אדום בשבב יחיד, המשמש בעיקר במערכות LiDAR המותקנות על-גבי רובוטים, כדי למנוע התנגשויות בינם לבין הסביבה ואפילו בני-אדם. הוא כולל החיישן כולל 2048 פיקסלים הבנויים בתצורה של פיקסלים גדולים ופיקסלים קטנים. הפיקסלים הגדולים (4µm x 8µm) מאורגנים בארבע שורות ומעניקים רגישות גבוהה. הפיקסלים הקטנים יותר (4µm x 4µm), מאורגנים גם בהם בארבע שורות ומעניקים לחיישן רזולוציה גבוהה.

לפני כחודשיים היא הוציאה לשוק את הגרסה החדשה של החיישן, NSI3100 (בתמונה למעלה), שנמסר בינתיים ללקוחות ביטא. הרכיב החדש כולל תכונות מיוחדות. הוא לוכד את המידע בקצב של 40,000 מסגרות בשנייה, ויכול לעבור למצבי מדידה שונים, כמו צילום תמונה, מדידת מרחק או מדידת עוצמת תאורה, באמצעות פקודת תוכנה בלבד.

בימים אלה החברה מפתחת טכנולוגיות חישה נוספות, בהן מצלמת עומק למכשירי סמארטפון, גרסה חדשה של החיישן הקיים, הכוללת מטריצה של 32 שורות, ואת חיישן הדור הבא שלה, NSI5000, שיאפשר ליישם מערכת LiDAR ללא חלקים נעים (Solid State LiDAR), כפי שדורשים יצרני הרכב.

החברה מנס ציונה מעסיקה כ-30 עובדים ויש לה חברה בת בסין (שנזן). למרות שהיא נמצאת בשלב המכירות ועד היום היא כבר מכרה כמה מאות אלפי שבבים, היא נמצאת כעת במהלכו של גיוס הון ראשון (A Round) שאמור להסתיים בחודשים הקרובים.

מכירות חיישני ה-CMOS ירשמו ב-2018 שיא נוסף

התרחבות השימוש בחיישנים דיגיטליים ביישומים בתחומי הרכב החכם, ראיית מכונה ומערכות אבטחה וזיהוי פנים, כמו גם במצלמות סמרטפונים, צפויה לדחוף ב-2018 את המכירות העולמיות בשוק חיישני ה-CMOS לשנת שיא נוספת, השמינית ברציפות. על פי דו"ח של חברת המחקר IC Insights, המכירות חיישני ה-CMOS צפויים להסתכם השנה ב-13.7 מיליארד דולר, עלייה של 10% בהשוואה ל-2017, שבפני עצמה היתה שנת שיא עם גידול של 19%. יצרנית השבבים הישראלית טאואר-ג'אז מתמחה בייצור חיישני CMOS לחברות בתעשיית השבבים.

CMOS הינו חישן התמונה הנפוץ כיום בתעשיית השבבים ונתח השוק שלו בתעשיית השבבים גדל בהתמדה בשנים האחרונות על פני סוגים אחרים של חיישני תמונה כגון CCD. היתרונות העיקריים של חיישן ה-CMOS הם צריכת ההספק הנמוכה והרגישות הגבוהה שלו והיכולת לשלב אותו ביישומים המצריכים צילום דיגיטלי. ב-2016 התמתן קצב הגידול בשוק ה-CMOS ל-6% בעקבות הנסיגה בשוק הסמרטפונים. ואולם, ב-2017 המכירות שוב זינקו ב-19% ל-12.5 מיליארד דולר, וזאת לאור הביקוש לחיישני CMOS ביישומים אחרים, שפיצה על האטת הגידול בשוק הסמרטפונים. לעומת ה-CMOS, היקף המכירות של חיישני CCD וסוגים אחרים ירד ב-2017 ב-2% להיקף של 1.6 מיליאר דולר.

חלקו של שוק הסמארטפונים יקטן לטובת תחום הרכב

בסך הכול, מכירות חיישני ה-CMOS היוו כ-89% מכלל מכירות חיישני התמונה ב-2017, וזאת בהשוואה ל-74% ב-2012 ו-54% ב-2007. פיתוחים חדשים של חיישני CMOS ממשיכים להשתפר בהיבטים שונים של רגישות לאור, מהירות תמונה ורזולוציה גבוהה יותר, וגם כוללים יותר פונקציות המותאמות ליישומים ייעודיים כגון מצלמות אבטחה, ראייה מכונה, רובוטיקה, מכוניות חכמות, זיהוי פנים, ממשקים המופעלים על ידי מחוות ידיים, מציאות רבודה/מדומה ומערכות רפואיות.

חיישן CMOS של סוני לשוק הרכב

גם בתחום הסמרטפונים אנו עדים לעלייה בשימוש בחיישני CMOS מתקדמים ליישומים כגון מצלמות דואליות, שמורכבות משני חיישנים לצורך שיפור איכות הצילום. שוק הסמרטפונים עדיין מהווה שוק יעד עיקרי לחיישני CMOS, כאשר ב-2017 הוא היווה כ-62% מכלל מכירות חיישני ה-CMOS. ואולם, על פי IC Insights, חלקו של שוק הסמרטפונים צפוי לרדת בהתמדה בשנים הקרובות ולהוות ב-2022 רק 45% מכלל מכירות חיישני ה-CMOS. לעומת זאת, שוק הרכב צפוי להפוך להיות אחד ממנועי הצמיחה העיקריים בשנים הקרובות ולגדול בקצב שנתי של 38.4% בארבע השנים הקרובות לכדי 2.8 מיליארד דולר ולהוות ב-2022 כ-15% מכלל מכירות חיישני ה-CMOS בעולם, בעוד המכירות לשוק הסמרטפונים צפויות לגדול באותה תקופה בקצב שנתי של 2.2% ולהסתכם ב-2022 ב-8.6 מיליארד דולר.