Technischer Vergleich der Sensoren: 5D, 1D MK III und D3

[xforce]

Eine CPU mit ca 1cm² Fläche kostet um die 100 Euro und das ist ein absolutes Massenprodukt. Jetzt rechne mal aus, was so ein Fullframe-Sensor für eine Fläche hat.

Ja der Vergleich mit CPUs wird gerne hergenommen. Da ein KB Sensor ungefähr die 9cm² Fläche hat heisst deine Antwort demnach 900 Euro?

Vielleicht zur Erinnerung. Die ersten Pentium sowie auch die ersten Pentium Pro hatten eine Die Fläche von ca 300mm² und wurden auch in vergleichsweise geringer Stückzahl hergestellt. Und die Kosten sind nicht nur von der Fläche abhängig sonst würde ein Sola Wafer ja unbezahlbar sein.

Eigentlich hatte ich gehofft das mir einer wenigstens eine Hausnummer nennen kann.

[Garfield]

Ja der Vergleich mit CPUs wird gerne hergenommen. Da ein KB Sensor ungefähr die 9cm² Fläche hat heisst deine Antwort demnach 900 Euro?

Vielleicht zur Erinnerung. Die ersten Pentium sowie auch die ersten Pentium Pro hatten eine Die Fläche von ca 300mm² und wurden auch in vergleichsweise geringer Stückzahl hergestellt. Und die Kosten sind nicht nur von der Fläche abhängig sonst würde ein Sola Wafer ja unbezahlbar sein.

Eigentlich hatte ich gehofft das mir einer wenigstens eine Hausnummer nennen kann.

Hallo,

ich arbeite in der Halbleiterindustrie und kann sagen, dass ein 200mm Wafer (auf Wafern dieser Größe werden praktisch alle SLR Sensoren gefertigt) je nach Technologie und der Anzahl der Layer ca. 5000 - 10000 Euro einspielen muß, damit sich die Herstellung rechnet.
Auf einen 200mm Wafer passen 20 Sensoren im KB Format oder ca. 40 Sensoren im APC-C Format, siehe Fotos:

http://www.bilder-hochladen.net/file...-2-jpg-nb.html

http://www.bilder-hochladen.net/files/5tnb-1-jpg.html

Wenn man von ca. 10 schweren Defekten beim Herstellungsprozess verteilt auf einem Wafer ausgeht (das ist ein durchaus üblicher Wert), zerstört das im schlimmsten Fall 10 KB Sensoren, die restlichen 10 Sensoren sind also verwendbar. Beim APS Sensor sind somit 30 Sensoren nutzbar.
Schon dieses Verhältnis zeigt, dass die Herstellung eines KB Sensors mindestens 3 mal so teuer sein muß wie die eines APS-C Sensors.
Weiterer Nachteil und Kostentreiber ist die Tatsache, dass die Maschinen zum belichten der Strukturen (Belichtungsscanner, Preis pro Anlage: zweistelliger Millionen Bereich) ein maximales Feld von 26x33mm abdecken können.
Zu wenig für einen KB Sensor. Bei der Herstellung aktueller CPU's bei Intel oder AMD kann man so 4 oder 6 Prozessoren auf einmal belichteten.
Für einen KB Sensor mit ca 28x40mm Chipfläche bedeutet dies, im ersten Durchgang wird die eine Hälfte der 20 Sensoren pro Wafer belichtet und dann auf einer zweiten Maschine die andere Hälfte (Stiching).
Das macht die Sache weder billiger (doppelte Anzahl von Belichtungsvorlagen, so genannte Reticles), noch verringert dies den Ausschuß.
Wenn man also 5000 Euro pro Wafer ansetzt, kostet ein KB Sensor ca. 500 Euro, ein APS-C Sensor 150-200 Euro.
Genaue Zahlen über die Ausbeute pro Wafer (genannt Yield) sind in der Regel streng gehütete Betriebsgeheimnisse.

Ich hoffe dieser Einblick hilft die Herstellungskosten einschätzen zu können.


Ciao der Garfield.

[xforce]

Hallo Garfield,

vielen Dank für die interessanten Ausführungen. Eine Umstellung der Fertigung auf 300mm Waver könnte dann nochmals die Kosten senken. Wobei natürlich die Anschaffungskosten der Geräte sich auch rechnen muss, was wiedrum von der Stückzahl abhängt.

Ein schönes Wochenende euch allen

Christian

[Nightshot]

Genaue Zahlen über die Ausbeute pro Wafer (genannt Yield) sind in der Regel streng gehütete Betriebsgeheimnisse.

Wenn ich mir ansehe, dass auf einem 5D Sensor gerade mal etwa 400 Pixel defekt sind, die ausgemappt werden müssen, vermute ich mal, dass der Yield inzwischen gar nicht mal so schlecht sein kann.

[Dr. Frank]

...

Wenn man von ca. 10 schweren Defekten beim Herstellungsprozess verteilt auf einem Wafer ausgeht (das ist ein durchaus üblicher Wert), zerstört das im schlimmsten Fall 10 KB Sensoren,

Ciao der Garfield.

Hallo Garfield, das sind sehr interessante Betrachtungen.

Eine Ausfallrate von 50% der Sensoren auf einem Wafer scheint mir viel zu pessimistisch.

Bezüglich des Yields - auf welche Strukturgröße beziehen sich die 10 schweren Defekte? 10 Fehler pro Wafer oder pro Sensor, und welche Defektgröße- µm oder einige 10nm?

Die Struktur der Photodioden liegt doch im µm Bereich und sind angesichts der heutigen Defektgrößen bei den aktuellen nm-Strukturen also eher unempfindlich (äußert sich ggf als Hot Pixel).
Nur die Auslesetransistoren und Multiplexer dürften ebenfalls im nm liegen und damit einen echten Funktionsausfall produzieren.

Wenn einer der 5 Transistoren der Pixel-Ausleseschaltung betroffen wäre, verliert man lediglich ein Pixel (Stuck or Dead Pixel), was man ausmappen kann (gemäß Nightshots Argument).

Nur wenn einer der Multiplexer Transistoren betroffen wäre, müßte man den gesamten Sensor verwerfen, (in diesem Falle würde zB ein komplette Zeile oder Spalte ausfallen) und diese Wahrscheinlichkeit ist doch angesichts der Größenverhältnisse eher gering.

Kann man nicht einfach insgesamt - genau wie bei "normal" dimensionierten ICs und bei einem eingefahrenen Prozeß, einen Chip-Yield von > 95% ansetzen?
Dann würden auf einem Wafer mit KB Sensoren ab und an mal 1 Sensor ausfallen, was einen Preis von unter 300€ pro Sensor bedeuten würde.

Frank

[Roland Reiss]

In dem Preis ist aber noch kein Bayer- bzw. AA-Filter enthalten...

[uliba]

In dem Preis ist aber noch kein Bayer- bzw. AA-Filter enthalten...

Dafür ist aber die Komplexität eines Sensor im Vergleich zu einem µC oder einer CPU sehr geringer.
Faktisch bleibt aber ein ca. 4 mal höherer Preis des Vollformatsensors gegenüber 1,5er Crop (doppelt Fläche -> halbe Anzahl pro Wafer und halbe Ausbeute).
Dieses sind allerdings alles nur sehr grobe Schätzungen. Bei gleicher Pixelanzahl ist Komplexität eines Crop-Sensors pro Fläche natürlich wieder höher, was sich wiederum negativ auf die Ausbeute auswirkt (wo mehr drauf ist, kann auch mehr kaputt gehen)

Gruß
Uli

[Roland Reiss]

So klein ist die Komplexität nun auch nicht. Bei 20MP sind das 80 Millionen Transistoren und wenn die 'falschen' kaputt gehen, können gleich ganze Zeilen oder Spalten betroffen sein. Bei Speicher oder CPUs kann man Reservezellen verwenden, um defekte Baugruppen zu ersetzen. Bei Bildsensoren geht das nicht. Hinzu kommt, dass gewisse analoge Effekte (Schwankungen im Verstärkungsfaktor einzelner Transistoren z.B.) bei digitalen Schaltungen keine Rolle spielen, bei Bildsensore aber direkt sichtbar werden.

[Dr. Frank]

So klein ist die Komplexität nun auch nicht. Bei 20MP sind das 80 Millionen Transistoren und wenn die 'falschen' kaputt gehen, können gleich ganze Zeilen oder Spalten betroffen sein. Bei Speicher oder CPUs kann man Reservezellen verwenden, um defekte Baugruppen zu ersetzen. Bei Bildsensoren geht das nicht. Hinzu kommt, dass gewisse analoge Effekte (Schwankungen im Verstärkungsfaktor einzelner Transistoren z.B.) bei digitalen Schaltungen keine Rolle spielen, bei Bildsensore aber direkt sichtbar werden.

Nein, wenn irgendeiner der 100Mio Transistoren (5 pro Pixel) defekt ist, fällt idR nur das eine betroffene Pixel aus.
Es sei denn, es handelt sich zB um einen Kurzschluß des Endtransistors, der könnte dann eine kpl. Spalte oder Zeile lahmlegen. Sowas dürfte aber unwahrscheinlicher sein, als daß es nur Auswirkungen auf das eine Pixel hat.

Nur eine Defekt eines einzelnen der Multiplexer-Schaltungstransistoren führen mit ziemlicher Konsequenz zum Ausfall größerer Bereiche.

Zur Komplexität ist folgendes zu sagen:

Die Sensoren sind überhaupt nicht besonders kompliziert aufgebaut, weil es sich nur um eine Vervielfachung immer derselben Schaltung handelt, also 8Mio oder 16 oder 21Mio mal die selbe Schaltung von Sensor-Photodiode plus 5 Transistoren. Das Ganze spielt sich deswegen auch nur in wenigen Lagen (ca. 2-3 aktive Schichten plus Verbinungsebenen) übereinander ab.

Bei Prozessoren wären auf der gleichen Fläche einige Milliarden Transistoren mit den unterschiedlichsten Aufgaben integriert, mit 20-30 übereinander angeordneten Schichten, was natürlich wesentlich anfälliger ist, alleine auf Grund der mehrere hundert Male kleineren Strukturgröße (7µm vs. <= 16nm).

Reservezellen gibt es bei CPUs auch nur bei den internen Speicherzellen, sprich dem internen Cache, der Rest ist idR nicht redundant. Wenn ein Transistor der ALU ausfällt, ist der ganze Chip unbrauchbar...

Speicher (Flash) sind den Sensoren im Funktionsprinzip sehr ähnlich: Ladungsspeicherung und analoge Ausleseverstärker, insbesondere bei den Multibit Zellen, sowie Multiplexerschaltung.
Wie es bei den Flashs Reservezellen oder ausgeblendete Bereiche gibt, so gibt es diese auch bei optischen Sensoren, wie Nightshot es dargelegt hat.

Für die Entwicklung der Sensoren benötigt man keine Digital-Designer, sonder eher gute Analogdesigner, und letztere sind heute eher rar gesät. Bob Pease läßt grüßen.

Frank