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νMaicovicon製程與MID封裝技術 打造非CCD高像素模組新里程碑

2005/3  蘇寶辰
手機相機模組市場,一直以來均是CCD與CMOS的競爭天下。然而,隨著CCD 500百萬像素的產品問市,廠商有感於市場競爭的壓力,已成功利用新的製程及封裝技術開發出尺寸小、耗電低的300萬非CCD相機模組。此一新技術的採用,將可望為相機模組的發展帶入另一個新紀元...
手機相機模組市場,一直以來均是CCD與 CMOS的競爭天下。然而,隨著CCD 500百萬像素的產品問市,廠商有感於市場競爭的壓力,已成功利用新的製程及封裝技術開發出尺寸小、耗電低的300萬非CCD相機模組。此一新技術的採用,將可望為相機模組的發展帶入另一個新紀元。  

 

在手機用數位相機模組的領域中,CMOS影像感測器相機模組廠商正如火如荼的推動著1.3M與2M像素等級的普及化,但隨著近日CCD系列相機模組高達500萬像素的產品出現,相機模組廠商再度面臨到,須要進一步往上提昇像素之壓力。  

Panasonic SC Device Solution(以下簡稱PSCDS)於2004年12月份所對外公佈之手機用相機模組GP-KM3500V,便將非CCD系列的相機模組市場帶入了300萬像素的下一階段。  

PSCDS 300萬像素相機模組之性能  

GP-KM3500V體積僅有17.95(W) x 13.0(D) x 8.63(H),內含AF鏡頭,影像感測器,與DSP(ISP)等部份。其中,由松下電器影像感測器提供之MN39922,像素數高達 2064x1553,並採用該公司開發出之下世代影像感測器製程技術νMaicovicon。  

由於像素尺寸僅有2.225μm x 2.225μm,因此MN39922搭配之光學系統規格也只需要1/3.2",相當有利於模組體積的小型化。除此之外,45mW(typ)之低功率消耗,也是該影像感測器的一大特色。  

該模組中所採用的DSP(ISP),除了白平衡、邊緣強化、周邊光量補正等標準影像處理功能外,還提供了閃光燈及機械式快門之控制,以進一步縮短相機手機與數位相機間的差距。此外,該DSP並提供了動態影像攝影模式下(VGA)之晃動補償,以提昇拍攝動態影像時之穩定度。  

在鏡頭與光機部份,GP-KM3500V採用了1/3.2"之光學規格,光學視角為50度,光圈則選擇了F4,雖較目前低像素數產品所普遍使用的F2.8 會有入光量較低之現象,但可由其影像感測器之靈敏度來於以補償。最短可對焦距離為8cm,以支援近拍功能。自動對焦(AF)採壓電陶瓷驅動器作為動力源,對焦之判斷動作,則是靠影像的對比分析來實現,亦即所謂的被動式(Passive)自動對焦。  

PSCDS預計於2005年3月正式量產該模組,並規劃5百萬顆之月產能。此項產品的誕生,除了成為非CCD系列的相機模組300萬像素新里程碑外, PSCDS此次所導入的兩項新技術—νMaicovicon影像感測器與MID封裝技術,更是值得後續觀察與注意的。以下就針對此兩項特殊技術作一介紹。  

νMaicovicon影像感測器 具備CCD與CMOS兩者之優點  

PSCDS此次所推出的相機模組,其中的影像感測器是採用松下電器,於2004年2月所公佈的新世代影像感測元件製程技術νMaicovicon。  

名稱中的ν,是取材自希臘語中的「光的頻率ν」,以其諧音new加上「Matsushita Advanced Image COnverter for VIsion CONstruction」之縮寫組成了νMaicovicon此一名稱,這種利用MOS製程生產,介於CCD與CMOS Sensor技術之間的新產品,同時具有CCD與CMOS影像感測器的優點。  

低雜訊半導體製程  

為了要有效抑制雜訊,νMaicovicon在半導體製程上,是採用了類似CCD的埋入式感光二極體作法,亦即藉由將感光二極體埋入矽的深處,阻隔掉矽表面所存在的雜訊源,透過此技術能有效地降低照度攝影中容易產生的白點雜訊。但與CCD不同之處,在於CCD所使用的感光二極體,需要12V(或更高)之驅動電壓來將信號讀出,而νMaicovicon則僅須2.9V的驅動電壓便可將感光二極體之信號完整讀出。  

具有大感光區與低雜訊放大器之新像素構造  

為了避免影像感測器的面積隨著高像素化而快速膨脹,造成相機模組之體積愈趨龐大,像素尺寸的縮小是目前業界所採用的主要解決方向,然而像素尺寸的縮小帶來了另一個問題,即感光度的降低與雜訊的提升。  

而νMaicovicon主要特色之一,是採用了改進式之像素內信號讀出驅動電路,對於每一個像素架構來說,省去了2條原本會佔用有效感光區域比例的控制信號用配線,相對的便提高了實際能夠受光的感光區面積與效率,藉此提升影像感測器之感光度。另外,再配合上νMaicovicon所使用的新型低雜訊像素信號放大器電路,更進一步改善了影像感測器的雜訊問題。  

低電壓、低耗電之信號讀出電路技術  

CCD在動作時,由於其傳遞式信號讀出方式須同時供應電源於所有的像素上,因此電流消耗相當大;相對之下,νMaicovicon採用的像素讀出方式是採 XY定址方式,也就是說,該架構為一次一個像素,循序讀取並放大出每一個像素的信號,由於能夠將同一時間內所需流通電流的電路控制在最小的數量上,因此和 CCD相比可大幅減少所需之電力。以此次推出的300萬像素產品來說,約是同等級CCD的1/5耗電量。  

除了上述的優點外,νMaicovicon由於製程較CCD簡單,因此Leadtime也只需CCD的一半,價格則可與CMOS影像感測器匹敵。  

儘管νMaicovicon具有如此多的優點,松下電器產業也坦承,由於νMaicovicon之畫面內同時性仍不如CCD,因此就市場策略而言,還是以CMOS影像感測器的市場為其主要競爭對象。對於高階應用產品如數位攝影機等,目前為止CCD仍是較佳之選擇。  

MID封裝技術 讓高像素模組體積更小巧  

由於手機用相機模組供應商在光學設計、PCB佈局的壓縮、與封裝技術上的努力,截至目前為止的相機模組體積尚能符合手機小巧化的市場趨勢。  

然而隨著像素快速由VGA演進到1.3M、2M、甚至於3M Pixel時,儘管影像感測器廠商也努力地縮小尺寸,以抑制高像素化所帶來的影像感測元件面積快速膨脹,但從市場的演進速度來看,相機模組業者仍面臨模組體積控制上的嚴重挑戰,而以傳統的作法與技術所能夠爭取的空間已相當的有限。  

對此,MID(Molded Interconnect Device)利用特殊模組機構來爭取空間的做法,似乎是目前最具開發潛力及空間的一種新解決方案。事實上,MID技術這幾年來一直是日本相機模組開發廠商具有高度興趣的一個發展方向,而PSCDS此次所推出的300萬像素模組,正顯示出日本業者在此領域上的發展成果。  

所謂的MID封裝技術,其最主要的概念,就是在產品的射出成型外殼機構上,產生如同PCB般的金屬佈線,形成3D的立體電路板,以充份利用到產品表面的所有空間。對相機模組而言,鏡頭機構的內壁部份就很適合做為電路板的一部份,不但可形成立體之佈線,更可承載一些電子元件。此外,透過將鏡頭與影像感測器的一體化,還可藉以提高光軸對位之精度。  

PSCDS的300萬像素模組所採用的技術MIPTEK(Microscopic Integrated Process Technology),為Panasonic NAIS發展多年的MID技術。事實上,早在2001年Panasonic NAIS便已有相關技術的發表,但一直都未能落實應用於相機模組中,如今由此模組成功導入此技術來看,MID運用於手機相機模組已逐漸邁入實用化的階段。  

MIPTEK MID之優點  

.MIPTEC所採用的射出成形材質PPA,本身具備的特性就適合在其表面上形成高密度的佈線,配合上表面品質改善技術的開發,成型品表面粗糙度能更進一步控制,因而得以實現結合度高且可靠之佈線。  

.MIPTEK MID的佈線方式為 Laser佈線,因此可達到非常高之精細度。Panasonic NAIS於2001年所發表的最小佈線寬度為100μm/100μm(Line/Space),發展至今已提升到70μm/70μm之精細程度;至於貫孔 (Through Hole)之直徑則可達到0.3mm之最小規格。此外,由於Laser的空間靈活性,MIPTEK MID之佈線還可在各種多變化射出成型形狀之表面上,實現高達90度的立體轉折。  

.採用Laser 佈線技術的另外一項重要優點,是線路佈局的修改只需單純的軟體設定改變,因此任何佈線上的修改所需時間相當短,但如果牽涉到貫孔的變更,就必須配合模具的修改。而為了取得Laser 佈線的作業彈性,Panasonic NAIS採用的是5軸3次元之Laser描畫設備,搭配改良式的鍍金技術完成,使得佈線的變化空間可以相當大。  

.MIPTEC MID工法的鍍金層表面之粗糙度、平坦度與起伏度,能夠控制的非常穩定,可用來實現Flip Chip的作業工法。以GP-KM3500V的例子來看,影像感測器便是以Flip Chip工法打上佈有立體走線之外觀機構上。  

立體電路之形成流程  

MIPTEC MID的整個立體電路板之成形,可分為以下幾個步驟:  

1. 絕緣基材形成:首先利用開模與射出成型作業,依所需的條件做出產品外觀機構。  

2. 薄膜形成(Metalizing):於外觀機構表面上形成一層銅薄膜。  

3. Laser佈線:利用程式化的設定控制,以Laser Beam掃描外觀機構之表面,將不需要的銅薄膜部份予以除去,藉以形成佈線。  

4. 電鍍銅:於外觀機構上再電鍍一層銅。  

5. 電鍍鎳金:依順序再電鍍上鎳與金層,以強化導電性與抗氧化性。  

立體電路完成後,便可進行將電子元件以Flip Chip、SMT等方式黏著上去之作業,最後再將個別單體從連片(Sheet)陣列中切出來即可。  

小型化技術趨勢下 MID極具發展潛力  

除了MIPTEC MID所採用的Laser佈線工法外,市場上還有其它的MID技術也不斷的在發展當中,這些MID技術雖,然在形成立體電路的工法上有所不同,但目標均是要充份利用射出成型之成形品的表面空間,進行電路佈線與SMT,以達到充份利用空間的效果。較常見的工法有:Photo Stamping、Conductive Tape Stamping及2 Shot三種。  

MID的發展已有多年歷史,只是礙於工法上的困難度與成本考量,至今並未非常的普遍應用在整個電子業界。然而隨著(光)機構性元件越趨複雜,而體積卻又必需持續縮小的技術趨勢與市場需求下,MID極有潛力逐步在手機用相機模組的發展上扮演越來越重要的角色。  

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