三CCM影像模组构装技术良率成本.ppt

三、三、CCMCCM影像模組構裝技術影像模組構裝技術良率成本良率成本1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2照相手機模組封裝方式照相手機模組封裝方式1 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3COBCOB封裝封裝Design Rule(Design Rule(範例範例) )4Wafer-chip-scale package (WCSP)5WCSP technologyComparisonSize[mm2]Mounting Area[mm2]Pin Pitch[mm]Weight[gr]14×142560.50.265×5250.50.03• Ultimately Small and Lightweight (1/10th)• Extremely Thin (0.4-0.5mm)• Easy to Mount• Improve Electrical Characteristics6TITI各式各樣封裝技術比較表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±0.102.00 ±0.152.95 ±0.202.0 ±0.101.90 ±0.05Width(mm)2.80 ±0.202.10 ±0.304.0 ±0.253.10 ±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)0.01350.0060.2060.00950.00137照相手機模組封裝方式照相手機模組封裝方式2 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8Shell case structure/CSP焦距變差9Shell case structure/Cavity CSP10OCSPOCSP模組封裝方式模組封裝方式1.Top glass 如何放置(Shift/tilt/rotation)?3.間隙要控制多少(毛細/黏稠)Reference：kingpak com./200411照相手機模組封裝方式照相手機模組封裝方式3 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)12TOG (Tab on glass)TOG (Tab on glass)封裝方式封裝方式優點：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、fujitsu13CCMCCM基板材料選擇基板材料選擇•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 14各種模組封裝方式比較各種模組封裝方式比較名稱COBCSPOCSPTOG環境要求/技術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:7.4×7.4Die:5.0×5.010×108.0×8.08.0×8.06.0×6.09.0×9.07.0×7.08.0×8.06.0×6.0良率較低較佳較佳較佳Reference：kingpak com./200415CCM範例Specification1. Image size ¼ ”2. Pixel siez4. 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:1/15-1/2250 s9.Illumination 30Hz mode:min.-150000 lux 15Hz mode:min.-75000 lux10.White balance Auto/manual/IIC I/F bus Source:Matsushita/200216四、四、CMMCMM影像模組光機設計影像模組光機設計17Camera system parametersFeature of image guality parametersComponents affecting the parametersResolution：ability to reproduce object detail˙Image chip ˙Lens ˙Monitor ˙ISP boardContrast˙Image chip ˙Lens˙IlluminationDepth of Field (DOF)˙f/#Distortion˙LensPerspective error˙LensSource：：Edmund optics18照相手機影像照相手機影像ICIC之考量之考量項目項目CISCCD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19Lens 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)ψ2.6ψ2.6ψ3.6ψ3.6ψ4.6ψ4.6H. View angle60°60°53°54°52°52°Total 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 20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，Source：Photo bit21影像器尺寸之規格影像器尺寸之規格 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(mm)1/4”1/3”1/2”2/3”1”長寬值3.2:2.44.8:3.66.4:4.88.8:6.612.8:9.6Image circle (mm)ψ4.0ψ6.0ψ8.0ψ11ψ162223視角：視角：FOV (Field Of View)FOV (Field Of View)•FOV (Field Of View)FOV (Field Of View)：與鏡組焦距、：與鏡組焦距、CISCIS尺寸有關尺寸有關•CIS size ↑ FOV ↑CIS size ↑ FOV ↑•Focal length ↓ FOV ↑Focal length ↓ FOV ↑•IFOV = FOV/pixel number (IFOV = FOV/pixel number (例如例如 1280 1280×1024)1024)24CMMCMM鏡組的基本關係鏡組的基本關係 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-Lensμ-Lens聚光效率與光學系統關係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/mm27MTF definition•Input(Object) Output(Image)ModulationM=(Vmax-Vmin)/ (Vmax+Vmin) = AC/DCMTF=(output M)/(input M)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 MTF 案例案例30現代現代CTFCTF測量方法測量方法31Optical lens TV distortionSourse: Principle of optics/E. Wolf32Optical Limitation3334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)35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)，波長分別為微米微米(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度度，分別為及全視場角，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/ tool]36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)37Optical 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 distortion38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 MTF 250 lp/mm(on axis) 200 lp/mm(edge) 39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/公差模擬一般為3片式) (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 COC40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41陶瓷鏡片「Lumicera」資料來源:Murata Manufacturing Co. /200442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)43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 耗電: 25mW - 最小移動: 16um 具有AF功能 Cost: xxxx日圓44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為專用、JPEG由手機CPU處理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)45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 CeBIT46液體變焦CCM模組2.Wave front error<2um3.Object disrance:5cm-infinite4.Driving voltang:0-60V5.切換時間<20ms6.Power consumption:5-15mW9.使用次數>1,000,00010.重力形變?(ApertureDia.= 4.5mm)11.溫度範圍:-15---60°c47數位相機光學鏡頭5-9組鏡頭組所組成48CCM Final Test Process49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 test50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 fixing51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(%)52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53色彩量測與調整54手機LED色彩校正Source:工研院光電所55Integrated camera,picture taking modeTime(seconds)56。