1

三、 CCM 影像模組構裝技術良率成本

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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

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COB 封裝 Design Rule( 範例 )

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Wafer-chip-scale package (WCSP)

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WCSP technologyComparison

Size

[mm2]

Mounting Area

[mm2]Pin Pitch[mm]

Weight[gr]

14×14 256 0.5 0.26

5×5 25 0.5 0.03

• Ultimately Small and Lightweight (1/10th)

• Extremely Thin (0.4-0.5mm)

• Easy to Mount

• Improve Electrical Characteristics

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TI 各式各樣封裝技術比較表Package

DataSOT-23

(6-pin)

SC-70

(6-pin)

SSOP

(8-pin)

VSOP

(8-pin)

WCSP

(8-pin)Length

(mm)2.90±0.10

2.00 ±0.15

2.95 ±0.20

2.0 ±0.101.90 ±0.05

Width

(mm)2.80 ±0.20

2.10 ±0.30

4.0 ±0.253.10 ±0.10

0.90 ±0.05

Height

(mm)1.20 ±0.25

0.95 ±0.15

1.30 max 0.90 max 0.50 max

Footprint

Area (mm2)8.12 4.20 11.80 6.20 1.71

Weight

(g)0.0135 0.006 0.206 0.0095 0.0013

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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

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Shell case structure/CSP

焦距變差

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Shell case structure/Cavity CSP

1. 改善 Epoxy 覆蓋 issue2. 增加厚度

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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

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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)

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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

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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

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各種模組封裝方式比較

名稱 COB CSP OCSP TOG

環境要求 /技術

Class 10/Die&wir

e bond

Class 1000/SMT

Class 1000/SMT

Class 1000/Flip

Chip

模組厚度 1.0mm+Lens

0.8mm+Lens

1.0mm+Lens

0.4mm+Lens

Die:7.4×7.4

Die:5.0×5.0

10×10

8.0×8.0

8.0×8.0

6.0×6.0

9.0×9.0

7.0×7.0

8.0×8.0

6.0×6.0

良率 較低 較佳 較佳 較佳

Reference ： kingpak com./2004

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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

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四、 CMM 影像模組光機設計

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Camera system parametersFeature of image guality parameters

Components affecting the parameters

Resolution ： ability to reproduce object detail

˙Image chip ˙Lens ˙Monitor ˙ISP board

Contrast˙Image chip ˙Lens

˙Illumination

Depth of Field (DOF) ˙f/#

Distortion ˙Lens

Perspective error ˙Lens

Source： Edmund optics

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照相手機影像 IC之考量

項目 CIS CCD

畫素 低照度畫質不佳，目前VAG 是主流 (!)

畫質與靈敏度較佳，適用於低照度

系統整合能力 Camera on single chip 技術已趨成熟

CCD 製程有其獨立性，目前無法與其他電路整

合

智慧控制彈性 多家業者提供智慧型系統設空間

CDD 主要功能為取像，系統設計彈性較低

電源與功率損失 單一電源架構，較省電 由於製程與架構不同，採多電源設計，較耗電

CMM 模組 尺寸較小，整體成本低 可以設計教大 F/# ，解析度高

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Lens for CMOS/CCD sensorSuitable image

sensor1/7 in 1plast.

1/7 in 1/5 in 1/5 in1/4 in 1plast.

1/4 in 2plast.

Focal length 2.0mm 1.8mm 3.2mm 3.0mm 4.1mm 3.7mm

F number 2.8 2.0 2.8 2.8 2.8 2.2

Image circle (mm)

ψ2.6 ψ2.6 ψ3.6 ψ3.6 ψ4.6 ψ4.6

H. View angle 60° 60° 53° 54° 52° 52°Total length 3.5mm 4.9mm 4.8mm 5.7mm 6.0mm 9.2mm

Resolution (MTF=0.7)

50 /lp

mm

50 /lp

mm

40 /lp

mm

50 /lp

mm

32 /lp

mm

60 /lp

mm

TV distortion -6% -0.7% -2.8% -1% -3.5% -0.5%

Source： Nagano optics/2002

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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 = 0.68mmSource ： Photo bit

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影像器尺寸之規格 SENSOR SIZE： the size of a camera sensor’s active area ,typicall

y 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) 1/4” 1/3” 1/2” 2/3” 1”長寬值 3.2:2.4 4.8:3.6 6.4:4.8 8.8:6.6 12.8:9.6

Image

circle (mm)

ψ4.0 ψ6.0 ψ8.0 ψ11 ψ16

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24

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)

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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)

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μ-Lens 聚光效率與光學系統關係

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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

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MTF definition

• Input(Object) Output(Image)

MTF=1.0 0.8 0.5

ModulationM=(Vmax-Vmin)/ (Vmax+Vmin) = AC/DC

MTF=(output M)/(input M)

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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.

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MTF 案例

31

現代 CTF 測量方法

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Optical lens TV distortion

Sourse: Principle of optics/E. Wolf

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Optical Limitation

34

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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 )

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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]

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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 )

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Optical lens SEM2620Heigth MTF%

(50lp/mm)

Relative

Ill.%

Distortion%

FOV

(degree)

0 58 100 0 0

0.5mm 53 92.5 -0.3 23

1.0mm 45 74.7 -0.75 44

1.4mm 58 52.4 -0.64 60

Source: Samsung/2001

1 plastic +1 glass lensFor 1/6 inch mobile phoneNo distortion

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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)

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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

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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

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陶瓷鏡片「 Lumicera」

資料來源 :Murata Manufacturing Co. /2004

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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 )

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變焦照相手機模組• 1.patent issues( 一般需要 4 片以上 len

s)• 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

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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)

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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

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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

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數位相機光學鏡頭

5-9 組鏡頭組所組成

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CCM Final Test Process

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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 AD

C)‧Bus test (I2C/SCCB): 是否通過 Bus test

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CCM Lens Assembly Test

• De-centering: 鏡頭組合時已檢驗通過同心度， CCM 組合 時多半靠人工視覺 (示波器 )• Full auto:Histogram sharpness• Semi auto: 影像加人眼判斷• Lens fixing

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CCM Optical Test

• MTF:測量鏡頭中心與邊緣之 MTF值 (lp/mm)• TV distortion :測量鏡頭邊緣之形變程度 (%)• Vignette:測量鏡頭中心與邊緣之相對量度比率 (%)

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CCM Final Test Process

• Color:測試模組對色彩的正確性 (Macbeth color chart)• Sensitivity:測試模組對不同光照度之信號強度。• SNR:測試模組在一定光照度下之信號雜訊比。• NESF: 模組最小照度。• Dynamic Range: 模組最大照度與最小照度比值。• Bad pixel:辨識影像中的壞 pixel 或是 particle 。• AWB: 改變色溫環境，測試模組對不同光環境之 AWB 功能。• AE: 改變色溫亮度，測試模組對不同光強度之自動曝光功能。

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色彩量測與調整

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手機 LED色彩校正

Source: 工研院光電所

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Integrated camera,picture taking mode

Time(seconds)