三CCM影像模組構(gòu)裝技術(shù)應(yīng)用良率成本

1、三CCM影像模組構(gòu)裝技術(shù)應(yīng)用良率成本2手機(jī)相機(jī)模組(CCM)3個(gè)層次第一：Sensor Module，以CMOS Image Sensor為主，功能簡(jiǎn)單，畫素在130萬以下。目前包括Sensor廠、封裝場(chǎng)、光學(xué)廠及DSC廠等都積極投入，競(jìng)爭(zhēng)者多、利潤(rùn)微薄，已成為殺價(jià)最激烈的戰(zhàn)場(chǎng)。第二：為Camera Module，具有自動(dòng)對(duì)焦鏡頭(Auto Focus；AF)或基本光學(xué)變焦、基本攝影功能和不差的畫質(zhì)，畫素在200萬至300萬左右。目前仍以日本業(yè)者，如Sharp和Panasonic等為主。第三：是Camera Sub-System，尚在發(fā)展中的領(lǐng)域，完全以DSC的理念和畫質(zhì)要求製作。攝影功能亦需

2、加入，具備與主流DSC相同的畫素及光學(xué)變焦。註：TI在2004年共推出超過1100種不同封裝的162種新產(chǎn)品。同時(shí)，為因應(yīng)消費(fèi)性產(chǎn)品和可攜式應(yīng)用對(duì)降低成本和體積微縮化的需求，TI也將持續(xù)進(jìn)行封裝的創(chuàng)新，包括晶圓晶片級(jí)封裝(WCSP)等。3照相手機(jī)模組封裝方式1優(yōu)點(diǎn)：高度小、材料成本低、光線 吸收性佳、技術(shù)成熟缺點(diǎn)：加工潔淨(jìng)低、良率低4COB封裝Design Rule(範(fàn)例)5Wafer-chip-scale package (WCSP)6WCSP technologyComparisonSizemm2Mounting Areamm2Pin PitchmmWeightgr14142560.50.

3、2655250.50.03 Ultimately Small and Lightweight (1/10th) Extremely Thin (0.4-0.5mm) Easy to Mount Improve Electrical Characteristics7TI各式各樣封裝技術(shù)比較表Package DataSOT-23(6-pin)SC-70(6-pin)SSOP(8-pin)VSOP(8-pin)WCSP(8-pin)Length(mm)2.900.102.00 0.152.95 0.202.0 0.101.90 0.05Width(mm)2.80 0.202.10 0.304.0 0

4、.253.10 0.100.90 0.05Height(mm)1.20 0.250.95 0.151.30 max0.90 max0.50 maxFootprintArea (mm2)8.124.2011.806.201.71Weight(g)0.01350.0060.2060.00950.00138照相手機(jī)模組封裝方式2優(yōu)點(diǎn)：良率高、不須打線缺點(diǎn)：光學(xué)效率不佳、專利限制、 材料成本高、厚度大特點(diǎn)：二段式封裝9Shell case structure/CSP焦距變差10Shell case structure/Cavity CSP1.改善Epoxy覆蓋issue2.增加厚度11OCSP模組封裝

5、方式1.Top glass 如何放置(Shift/tilt/rotation)?2.點(diǎn)膠與膠量控制3.間隙要控制多少(毛細(xì)/黏稠)4.加工道次Reference：kingpak com./200412照相手機(jī)模組封裝方式3優(yōu)點(diǎn)：良率高(免打線)、高度 最小、光學(xué)設(shè)計(jì)易缺點(diǎn)：Flip-chip，專利限制、 成本昂貴TOG (Tab on glass)13TOG (Tab on glass)封裝方式優(yōu)點(diǎn)：光學(xué)效率佳、高度較小、 二階段組裝缺點(diǎn)：成本高、加工技術(shù)較高Source：Toshiba、fujitsu14CCM基板材料選擇陶瓷基板：硬度高易作業(yè)，散熱性佳，穩(wěn)定性高、價(jià)格高、開模昂貴、來源有限

6、PCB硬板：硬度適中、可靠性O(shè)K、可雙面加工、 選擇多、潔淨(jìng)度不佳FPC軟板：省去與硬板之接合作業(yè)、不可雙面加工，不利打線作業(yè)，可靠性低軟硬結(jié)合板：兼具軟硬板之優(yōu)點(diǎn)、成本偏高 15各種模組封裝方式比較名稱COBCSPOCSPTOG環(huán)境要求/技術(shù)Class 10/Die&wire bondClass 1000/SMTClass 1000/SMTClass 1000/Flip Chip模組厚度1.0mm+Lens0.8mm+Lens1.0mm+Lens0.4mm+LensDie:7.47.4Die:5.05.010108.08.08.08.06.06.09.09.07.07.08.08.06.06

7、.0良率較低較佳較佳較佳Reference：kingpak com./200416CCM範(fàn)例Specification1. Image size ”2. Pixel siez 5.6um3. F/# 2.84. Image output digital YUV5. YUV format CCIR6016. Sensitivity 40lux/F2.8 30fps 20lux/F2.8 15fps7.ALC(auto light control) ELC/AGC combined8.ELC speed 30Hz mode:1/30-1/4500 s (exposure) 15Hz mode:1/

8、15-1/2250 s9.Illumination 30Hz mode:min.-150000 lux 15Hz mode:min.-75000 lux10.White balance Auto/manual/IIC I/F bus Source:Matsushita/200217四、CMM影像模組光機(jī)設(shè)計(jì)18Camera system parametersFeature of image guality parametersComponents affecting the parametersResolution：ability to reproduce object detailImage

9、 chip Lens Monitor ISP boardContrastImage chip LensIlluminationDepth of Field (DOF)f/#DistortionLensPerspective errorLensSource：Edmund optics19照相手機(jī)影像IC之考量項(xiàng)目CISCCD畫素低照度畫質(zhì)不佳，目前VAG是主流(!)畫質(zhì)與靈敏度較佳，適用於低照度系統(tǒng)整合能力Camera on single chip 技術(shù)已趨成熟CCD製程有其獨(dú)立性，目前無法與其他電路整合智慧控制彈性多家業(yè)者提供智慧型系統(tǒng)設(shè)空間CDD主要功能為取像，系統(tǒng)設(shè)計(jì)彈性較低電源與功率損失

10、單一電源架構(gòu)，較省電由於製程與架構(gòu)不同，採多電源設(shè)計(jì)，較耗電CMM模組尺寸較小，整體成本低可以設(shè)計(jì)教大F/#，解析度高20Lens for CMOS/CCD sensorSuitable image sensor1/7 in 1plast.1/7 in1/5 in1/5 in1/4 in 1plast.1/4 in 2plast.Focal length2.0mm1.8mm3.2mm3.0mm4.1mm3.7mmF number2.82.02.82.82.82.2Image circle (mm)2.62.63.63.64.64.6H. View angle606053545252Total

11、length3.5mm4.9mm4.8mm5.7mm6.0mm9.2mmResolution (MTF=0.7)50 /lpmm50 /lpmm40 /lpmm50 /lpmm32 /lpmm60 /lpmmTV distortion-6%-0.7%-2.8%-1%-3.5%-0.5%Source：Nagano optics/2002 211. F/# 越大，聚焦平面越小，進(jìn)光量少，光線越平行TV distortion 越小。2. CMM通行F/# 2.8 = 1.9mm/A，A = 0.68mmSource：Photo bit22影像器尺寸之規(guī)格 SENSOR SIZE：the size o

12、f a camera sensors 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(mm)1/

13、4”1/3”1/2”2/3”1”長(zhǎng)寬值3.2:2.44.8:3.66.4:4.88.8:6.612.8:9.6Image circle (mm)4.06.08.011162324視角：FOV (Field Of View)FOV (Field Of View)：與鏡組焦距、CIS尺寸有關(guān)CIS size FOV Focal length FOV IFOV = FOV/pixel number (例如 12801024)25CMM鏡組的基本關(guān)係 影像高度=光學(xué)鏡組焦距 x tan(semi-FOV) 簡(jiǎn)易方式：光學(xué)鏡組焦距長(zhǎng)為6mm，而影像高度由影像偵測(cè)器的有效區(qū)域大小決定，最大為區(qū)域的對(duì)角線長(zhǎng)

14、的一半(假設(shè)對(duì)角線長(zhǎng)6毫米)，影像高度為3mm，由公式可以算出半視場(chǎng)角為 tan-1(3/6)=26.5度，F(xiàn)OV=53度。像素大小為 5.4 x 5.4 微米， 像素?cái)?shù)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(jì)算如下 最大空間頻率=1/(2 x 0.0054)=92.6 1p/mm)26-Lens聚光效率與光學(xué)系統(tǒng)關(guān)係27Modulation transfer function(MTF)Fourier transfer of the 2-D response of the imager in response to a point source

15、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) exp2(fxx+fyy)dxdy where,Oo(x,y):output image;Oi(x,y):input image H(fx,fy):MTF,fx&fy as the spatial frequencies sinusoidal test pa

16、ttern:20lp/mm to 95lp/mm for 10m pixel,spatial resolution50lp/mm28MTF definitionInput(Object) Output(Image) MTF=1.0 0.8 0.5ModulationM=(Vmax-Vmin)/ (Vmax+Vmin) = AC/DCMTF=(output M)/(input M)29Contrast Transfer Function/ CTF The system response to a square-wave target is the contrast transfer functi

17、on (CTF).For bar targets whose spatial frequency is above 1/3fMTF=0,the MTF=(/4)CTF.30MTF 案例31現(xiàn)代CTF測(cè)量方法32Optical lens TV distortionSourse: Principle of optics/E. Wolf33Optical Limitation3435光學(xué)設(shè)計(jì)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(jìn)行CCM光學(xué)設(shè)計(jì)之前需要先決定的程序：1.選定光學(xué)設(shè)計(jì)軟體(Code V、OSLO、Zemax)2.建立模型。3.

18、參考舊有設(shè)計(jì)(軟體內(nèi)之專利資料庫)。4.設(shè)計(jì)展開，建立基本架構(gòu)。5.優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。 -計(jì)算光線軌跡 -優(yōu)化各種像差 -達(dá)成各種光學(xué)規(guī)格 -達(dá)到加工要求 *高精度光學(xué)加工機(jī)禁止至大陸6.若達(dá)不成，只好增加鏡片或改變材質(zhì)。7.考慮其他方法。(非球面、DOE等等)36優(yōu)化前的光學(xué)分析進(jìn)行此光學(xué)設(shè)計(jì)之前需要先決定光學(xué)系統(tǒng)的資料:1.F/#、光學(xué)鏡組焦距長(zhǎng)()有效焦距EFL)2.可見光波長(zhǎng)範(fàn)圍選擇紅、綠、藍(lán)(另有CMY)，波長(zhǎng)分別為0.656微米,0.587微米(配合color fiter peak)，並選擇綠光的波長(zhǎng)為基本的波長(zhǎng)並提高比重為2，這樣將會(huì)使得往後在做優(yōu)化時(shí)對(duì)中心波長(zhǎng)給予更多的強(qiáng)調(diào)，或用積

19、分值。3.設(shè)定視場(chǎng)角為0度,11度,19度,26.5度，分別為0,0.4,0.7及全視場(chǎng)角，比重皆設(shè)定為1(優(yōu)化時(shí)調(diào)整:要求解析度高的區(qū)域，可以設(shè)為2/寬角度)。有時(shí)候要求中心位置CTF較高，會(huì)調(diào)整為2 or more/dep.on tool37CCM鏡組的一般分析流程1.光線像差的曲線(Ray Aberration Curve)2.光點(diǎn)分析(Spot Diagram)3.視場(chǎng)角扭曲(TV Distortion)4.鏡片的MTF(Sharpness)5.漸暈(Vignetting)效應(yīng)和角度效應(yīng)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(xué)折射係數(shù)，這將關(guān)係 製作成本。過高或

20、低光學(xué)折射率的玻璃材料 (例如:1.65或1.45)比光學(xué)折射率在中間範(fàn)圍的 玻璃材料要貴許多。(10倍以上)7.優(yōu)化(optimization)(價(jià)值所在)38Optical lens SEM2620HeigthMTF%(50lp/mm)RelativeIll.%Distortion%FOV(degree)058100000.5mm5392.5-0.3231.0mm4574.7-0.75441.4mm5852.4-0.6460Source: Samsung/20011 plastic +1 glass lensFor 1/6 inch mobile phoneNo distortion39F

21、ree form surface prism2片菱鏡功能可以取代3-5片鏡片體積由z軸轉(zhuǎn)為x-y軸面Tele-centric angle 可以減少組光技術(shù)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) 40光學(xué)元件加工塑膠鏡片:非球面加工機(jī)製造模仁後，射出成形大量生產(chǎn)。玻璃鏡片:研磨加工機(jī)製造，難大量生產(chǎn)。光學(xué)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.rel

22、iability (auto才可能/日本，人工實(shí)在不可能 常見之塑膠鏡片材料:E48R 480R 330R COC41陶瓷鏡片Lumicera透光陶瓷鏡片:日本村田製作所開發(fā)Lumicera具有 與光學(xué)玻璃相同的透光率，且超越光學(xué) 玻璃的折射率(nd=1.5-1.85)達(dá)到 nd=2.08的折射率(=578nm)。強(qiáng)度高，能實(shí)現(xiàn)該鏡頭鏡片薄型化的目標(biāo)。該新鏡片，提昇短波長(zhǎng)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(shí)間、壓力等研磨方法的改善，可以製作出相當(dāng)高水準(zhǔn)的陶瓷鏡片。Casio在2004年8月2日發(fā)表使用在數(shù)位相機(jī)鏡組。(card-size DSC；for zoom lens

23、,profile20%)適用於CCM鏡組。 資料來源:PIDA/2004.0942陶瓷鏡片Lumicera資料來源:Murata Manufacturing Co. /200443鏡片檢測(cè)項(xiàng)目鏡片面精度(球面: 干涉儀 非球面: 表面精度測(cè)量?jī)x)外徑檢驗(yàn)中心厚度檢驗(yàn)偏心度檢驗(yàn)(偏心顯微鏡)波長(zhǎng)檢驗(yàn)(光譜儀)MTF檢驗(yàn)(解析投影檢查儀)TV Distortion(解析投影檢查儀)44變焦照相手機(jī)模組1.patent issues(一般需要4片以上lens)2.high class3.高度較長(zhǎng)，(折疊式)4.Toshiba(2004/2Q) CIF VGA 1/7” 1/4” 高度: 10mm 1

24、5mm 5mm 倍率: 2.0 2.5 耗電: 25mW - 最小移動(dòng): 16um 具有AF功能 Cost: xxxx日?qǐng)A45變焦照相手機(jī)模組(續(xù))1.模組內(nèi)包含:變焦塑膠鏡頭、CCD、Driver、ADC和DSP2.DSP為專用、JPEG由手機(jī)CPU處理3.微機(jī)電技術(shù)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(dòng): -具有AF功能出貨:2004/Apr.(2M)46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(chǎng)控制液晶折射率，藉由折射率分佈(Gradient)達(dá)到聚焦功 能。液體鏡頭/Samsung&Philips/2004 CeBIT47液體變焦CCM模組1.模組厚度僅增加2mm2.Wave