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三、 CCM 影像模組構裝技術 良率成本

三、 CCM 影像模組構裝技術 良率成本. 手機相機模組 (CCM)3 個層次. 第一： Sensor Module ，以 CMOS Image Sensor 為主，功能簡單，畫素在 130 萬以下。目前包括 Sensor 廠、封裝場、光學廠及 DSC 廠等都積極投入，競爭者多、利潤微薄，已成為殺價最激烈的戰場。 第二：為 Camera Module ，具有自動對焦鏡頭 (Auto Focus ； AF) 或基本光學變焦、基本攝影功能和不差的畫質，畫素在 200 萬至 300 萬左右。目前仍以日本業者，如 Sharp 和 Panasonic 等為主。

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三、 CCM 影像模組構裝技術 良率成本

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Presentation Transcript

  1. 三、CCM影像模組構裝技術良率成本

  2. 手機相機模組(CCM)3個層次 • 第一：Sensor Module，以CMOS Image Sensor為主，功能簡單，畫素在130萬以下。目前包括Sensor廠、封裝場、光學廠及DSC廠等都積極投入，競爭者多、利潤微薄，已成為殺價最激烈的戰場。 • 第二：為Camera Module，具有自動對焦鏡頭(Auto Focus；AF)或基本光學變焦、基本攝影功能和不差的畫質，畫素在200萬至300萬左右。目前仍以日本業者，如Sharp和Panasonic等為主。 • 第三：是Camera Sub-System，尚在發展中的領域，完全以DSC的理念和畫質要求製作。攝影功能亦需加入，具備與主流DSC相同的畫素及光學變焦。 • 註：TI在2004年共推出超過1100種不同封裝的162種新產品。同時，為因應消費性產品和可攜式應用對降低成本和體積微縮化的需求，TI也將持續進行封裝的創新，包括晶圓晶片級封裝(WCSP)等。

  3. 照相手機模組封裝方式1 優點：高度小、材料成本低、光線 吸收性佳、技術成熟 缺點：加工潔淨低、良率低

  4. COB封裝Design Rule(範例)

  5. Wafer-chip-scale package (WCSP)

  6. WCSP technology • Ultimately Small and Lightweight (1/10th) • Extremely Thin (0.4-0.5mm) • Easy to Mount • Improve Electrical Characteristics

  7. TI各式各樣封裝技術比較表

  8. 照相手機模組封裝方式2 優點：良率高、不須打線 缺點：光學效率不佳、專利限制、 材料成本高、厚度大 特點：二段式封裝

  9. Shell case structure/CSP 焦距變差

  10. Shell case structure/Cavity CSP 1.改善Epoxy覆蓋issue 2.增加厚度

  11. OCSP模組封裝方式 1.Top glass 如何放置(Shift/tilt/rotation)? 2.點膠與膠量控制 3.間隙要控制多少(毛細/黏稠) 4.加工道次 Reference：kingpak com./2004

  12. 照相手機模組封裝方式3 優點：良率高(免打線)、高度 最小、光學設計易 缺點：Flip-chip，專利限制、 成本昂貴 TOG (Tab on glass)

  13. TOG (Tab on glass)封裝方式 優點：光學效率佳、高度較小、 二階段組裝 缺點：成本高、加工技術較高 Source：Toshiba、fujitsu

  14. CCM基板材料選擇 • 陶瓷基板：硬度高易作業，散熱性佳，穩定性高、價格高、開模昂貴、來源有限 • PCB硬板：硬度適中、可靠性OK、可雙面加工、 選擇多、潔淨度不佳 • FPC軟板：省去與硬板之接合作業、不可雙面加工，不利打線作業，可靠性低 • 軟硬結合板：兼具軟硬板之優點、成本偏高

  15. 各種模組封裝方式比較 Reference：kingpak com./2004

  16. CCM範例 Specification 1. Image size ¼ ” 2. Pixel siez 5.6um 3. F/# 2.8 4. Image output digital YUV 5. YUV format CCIR601 6. Sensitivity 40lux/F2.8 30fps 20lux/F2.8 15fps 7.ALC(auto light control) ELC/AGC combined 8.ELC speed 30Hz mode:1/30-1/4500 s (exposure) 15Hz mode:1/15-1/2250 s 9.Illumination 30Hz mode:min.-150000 lux 15Hz mode:min.-75000 lux 10.White balance Auto/manual/IIC I/F bus Source:Matsushita/2002

  17. 四、CMM影像模組光機設計

  18. Camera system parameters Source：Edmund optics

  19. 照相手機影像IC之考量

  20. Lens for CMOS/CCD sensor Source：Nagano optics/2002

  21. 1. F/# 越大，聚焦平面越小，進光量少，光線越平行TV distortion 越小。 2. CMM通行F/# 2.8 = 1.9mm/A，A = 0.68mm Source：Photo bit

  22. 影像器尺寸之規格 SENSOR SIZE：the size of a camera sensor’s active area ,typically specified in the horizontal dimension ( see Figure 1). This parameter is important in determining the primary magni fication (PMAG) required to obtain a desired field of view. Note：Most analog cameras have a 4:3 (H:V) dimensional aspect ratio. FIGURE 1

  23. 視角：FOV (Field Of View) • FOV (Field Of View)：與鏡組焦距、CIS尺寸有關 • CIS size ↑ FOV ↑ • Focal length ↓ FOV ↑ • IFOV = FOV/pixel number (例如 1280×1024)

  24. CMM鏡組的基本關係 影像高度=光學鏡組焦距 x tan(semi-FOV) 簡易方式：光學鏡組焦距長為6mm，而影像高度由影像偵測器的有效區域大小決定，最大為區域的對角線長的一半(假設對角線長6毫米)，影像高度為3mm，由公式可以算出半視場角為 tan-1(3/6)=26.5度，FOV=53度。像素大小為 5.4 x 5.4 微米， 像素數目 6000/5.4=1100 x 1100 所以此CCM的最大空間解析能力的空間頻率計算如下 最大空間頻率=1/(2 x 0.0054)=92.6 1p/mm)

  25. μ-Lens聚光效率與光學系統關係

  26. Modulation transfer function(MTF) • Fourier transfer of the 2-D response of the imager in response to a point source object measured by magnitude response to sinusoids of different frequencies normalized to dc response. Oo(x,y) =h(x,y) ⊕ Oi(x,y) Oo(fx,fy)=H(fx,fy)‧Oi(fx,fy) H(fx,fy)=∫h(x,y) ‧exp[2π(fx‧x+fy‧y)]dxdy where,Oo(x,y):output image;Oi(x,y):input image H(fx,fy):MTF,fx&fy as the spatial frequencies sinusoidal test pattern:20lp/mm to 95lp/mm for 10μm pixel,spatial resolution~50lp/mm

  27. MTF definition Modulation M=(Vmax-Vmin)/ (Vmax+Vmin) = AC/DC MTF=(output M)/(input M) • Input(Object) Output(Image) MTF=1.0 0.8 0.5

  28. Contrast Transfer Function/ CTF The system response to a square-wave target is the contrast transfer function (CTF).For bar targets whose spatial frequency is above 1/3fMTF=0,the MTF=(π/4)CTF.

  29. MTF 案例

  30. 現代CTF測量方法

  31. Optical lens TV distortion Sourse: Principle of optics/E. Wolf

  32. Optical Limitation

  33. 光學設計分析 For CCM:視角要寬(近距離)、焦距要小、解析度要高、TV 扭曲(S5)要小、鏡片要薄。 進行CCM光學設計之前需要先決定的程序： 1.選定光學設計軟體(Code V、OSLO、Zemax) 2.建立模型。 3.參考舊有設計(軟體內之專利資料庫)。 4.設計展開，建立基本架構。 5.優化設計參數。 ---計算光線軌跡 ---優化各種像差 ---達成各種光學規格 ---達到加工要求 *高精度光學加工機禁止至大陸 6.若達不成，只好增加鏡片或改變材質。 7.考慮其他方法。(非球面、DOE等等)

  34. 優化前的光學分析 進行此光學設計之前需要先決定光學系統的資料: 1.F/#、光學鏡組焦距長()有效焦距EFL) 2.可見光波長範圍選擇紅、綠、藍(另有CMY)，波長分別為0.656微米,0.587微米(配合color fiter peak)，並選擇綠光的波長為基本的波長並提高比重為2，這樣將會使得往後在做優化時對中心波長給予更多的強調，或用積分值。 3.設定視場角為0度,11度,19度,26.5度，分別為0,0.4,0.7及全視場角，比重皆設定為1(優化時調整:要求解析度高的區域，可以設為2/寬角度)。 [有時候要求中心位置CTF較高， 會調整為2 or more/dep.on tool]

  35. CCM鏡組的一般分析流程 1.光線像差的曲線(Ray Aberration Curve) 2.光點分析(Spot Diagram) 3.視場角扭曲(TV Distortion) 4.鏡片的MTF(Sharpness) 5.漸暈(Vignetting)效應和角度效應 6.可行性 困難:1.鏡片太小且太薄。 2.鏡組所使用的材料的光學折射係數，這將關係 製作成本。過高或低光學折射率的玻璃材料 (例如:>1.65或<1.45)比光學折射率在中間範圍的 玻璃材料要貴許多。(10倍以上) 7.優化(optimization)(價值所在)

  36. Optical lens SEM2620 1 plastic +1 glass lens For 1/6 inch mobile phone No distortion Source: Samsung/2001

  37. Free form surface prism • 2片菱鏡功能可以取代3-5片鏡片 • 體積由z軸轉為x-y軸面 • Tele-centric angle 可以減少 • 組光技術 • 2-3M效果更明顯 • Olympus出品 1.3 M CCD Total height 8.5mm MTF 250 lp/mm(on axis) 200 lp/mm(edge)

  38. 光學元件加工 • 塑膠鏡片:非球面加工機製造模仁後，射出成形大量生產。 • 玻璃鏡片:研磨加工機製造，難大量生產。 • 光學元件尺寸太小，加工不易。 • 多鏡片組裝/公差模擬(1.3M一般為3片式) 1.空氣間隙與鏡片厚度 2.傾斜度 3.de-center 4.de-focus 5.reliability (auto才可能/日本，人工實在不可能 常見之塑膠鏡片材料:E48R 480R 330R COC

  39. 陶瓷鏡片『Lumicera』 • 透光陶瓷鏡片:日本村田製作所開發「Lumicera」具有 與光學玻璃相同的透光率，且超越光學 玻璃的折射率(nd=1.5-1.85)達到 nd=2.08的折射率(λ=578nm)。 • 強度高，能實現該鏡頭鏡片薄型化的目標。 • 該新鏡片，提昇短波長的光透光率，並且除去讓透光率下降的氣泡等問題。 • 研磨材料、時間、壓力等研磨方法的改善，可以製作出相當高水準的陶瓷鏡片。 • Casio在2004年8月2日發表使用在數位相機鏡組。(card-size DSC；for zoom lens,profile<20%) • 適用於CCM鏡組。 資料來源:PIDA/2004.09

  40. 陶瓷鏡片「Lumicera」 資料來源:Murata Manufacturing Co. /2004

  41. 鏡片檢測項目 • 鏡片面精度(球面: 干涉儀 非球面: 表面精度測量儀) • 外徑檢驗 • 中心厚度檢驗 • 偏心度檢驗(偏心顯微鏡) • 波長檢驗(光譜儀) • MTF檢驗(解析投影檢查儀) • TV Distortion(解析投影檢查儀)

  42. 變焦照相手機模組 • 1.patent issues(一般需要4片以上lens) • 2.high class • 3.高度較長，(折疊式) • 4.Toshiba(2004/2Q) CIF VGA 1/7” 1/4” 高度: 10mm 15mm →5mm 倍率: 2.0 2.5 耗電: 25mW - 最小移動: 16um 具有AF功能 Cost: xxxx日圓

  43. 變焦照相手機模組(續) 1.模組內包含:變焦塑膠鏡頭、CCD、Driver、ADC和DSP 2.DSP為專用、JPEG由手機CPU處理 3.微機電技術 4.定焦不符合用戶需求 5.Sharp(CCD/2M、3M) 高度:<10mm 倍率:2-3 耗電: - 最小移動: - 具有AF功能 出貨:2004/Apr.(2M)

  44. 液體變焦鏡頭原理 液晶鏡片:兩片ITO之間灌滿液晶，利用電場控制液晶折射率，藉由折射率分佈(Gradient)達到聚焦功 能。 液體鏡頭/Samsung &Philips/2004 CeBIT

  45. 液體變焦CCM模組 1.模組厚度僅增加2mm 2.Wave front error<2um 3.Object disrance:5cm-infinite 4.Driving voltang:0-60V 5.切換時間<20ms 6.Power consumption:5-15mW 7.光軸穩定性issue 8.目前僅可支援VGA 9.使用次數>1,000,000 10.重力形變?(ApertureDia.= 4.5mm) 11.溫度範圍:-15---60°c 12.強光照射變質issue

  46. 數位相機光學鏡頭 5-9組鏡頭組所組成

  47. CCM Final Test Process

  48. CCM Electrical Test ‧Power/standby:上測試機台後，測量各pad所消耗之電流 ‧Operation:上測試機台後，測量各式test pattern(包括ADC) ‧Bus test (I2C/SCCB):是否通過Bus test

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