原標(biāo)題：燦銳光學(xué)科普：晶圓級(jí)相機(jī)技術(shù)
片相機(jī)傳統(tǒng)上是通過離散組裝制造的,這意味著每個(gè)組件都是作為一個(gè)單獨(dú)的項(xiàng)目制造的,必要時(shí)進(jìn)行測(cè)試,然后組裝成最終的工作產(chǎn)品。固態(tài)成像的出現(xiàn)幾乎沒有改變這種方法。薄膜只是被一個(gè)光敏電子元件所取代。 顯著的變化是機(jī)械快門已過時(shí),其動(dòng)作在成像器芯片內(nèi)以電子方式生成。
圖 1. 在晶圓級(jí)為成像器芯片提供保護(hù)外殼的步驟
膠片相機(jī)和固態(tài)相機(jī)一直愉快地共存,直到 2001 年推出了第一款內(nèi)置相機(jī)的手機(jī)。固態(tài)攝像頭現(xiàn)在在汽車、卡車、玩具、筆記本電腦、上網(wǎng)本、機(jī)床、安全系統(tǒng)等中都有發(fā)現(xiàn)。在不到 10 年的時(shí)間里,每年生產(chǎn)的固態(tài)攝像頭數(shù)量已經(jīng)從數(shù)萬(wàn)臺(tái)激增至數(shù)十億臺(tái)。
圖 2. 封裝在晶圓級(jí)封裝中的成像器芯片,該封裝使用低成本的硅通孔技術(shù)將芯片焊盤連接到封裝球柵陣列接口。
迄今為止,固態(tài)相機(jī)的最大市場(chǎng)仍然是移動(dòng)平臺(tái),主要是手機(jī)和緊湊型數(shù)碼相機(jī)。這些市場(chǎng)非常注重時(shí)尚,目前的流行趨勢(shì)是極度纖薄。雖然迄今為止,制造相機(jī)模塊的離散方法能夠提供更小、更便宜的產(chǎn)品,但這在未來(lái)可能是不可能的。物理定律限制了相機(jī)模塊可以縮小到的尺寸,而可以從制造大量離散部件并將它們組裝成產(chǎn)品的供應(yīng)鏈中擠出的成本是有限的。解決這兩個(gè)問題的方法是轉(zhuǎn)向晶圓級(jí)制造。
晶圓級(jí)相機(jī)具有三個(gè)主要組件:圖像傳感器、圖像傳感器外殼和光學(xué)系統(tǒng)。
圖像傳感器
用于晶圓級(jí)相機(jī)的圖像傳感器在一個(gè)重要方面——像素尺寸——不同于傳統(tǒng)的相機(jī)傳感器。攝像頭模塊高度受像素大小的影響很大。在現(xiàn)代拍照手機(jī)中,像素為 1.4μm 的傳感器很常見,大多數(shù)成像器公司都給出了至少 0.9μm 的路線圖。
使用像素非常小的成像器的后果之一是相機(jī)模塊的產(chǎn)量可能會(huì)受到顆粒污染的嚴(yán)重影響。即使是符合規(guī)范的 10 級(jí)潔凈室環(huán)境,也包含足夠大的顆粒,如果它們滯留在傳感器表面上會(huì)導(dǎo)致黑色像素。這個(gè)問題的解決方案是將傳感器芯片封裝在保護(hù)外殼中,作為相機(jī)模塊制造的第一步。離散包裝將非常昂貴。然而,在一個(gè)成像器晶片上大約有 3,000 個(gè)管芯,晶片級(jí)方法導(dǎo)致每個(gè)管芯的封裝成本只有幾美分。
晶圓級(jí)封裝
圖像傳感器的晶圓級(jí)封裝如下進(jìn)行(圖 1)。首先,在每個(gè)芯片上的光學(xué)活性區(qū)域周圍放置粘合劑的相框密封。接下來(lái)貼上蓋玻片。最后,晶片被切割以釋放單獨(dú)封裝的管芯。
晶圓級(jí)封裝為拍照手機(jī)提供了兩個(gè)非常重要的好處。顯然,該封裝提供了對(duì)周圍環(huán)境(濕度、鹽分等)的保護(hù),并且任何落在蓋玻片上的污垢都會(huì)從焦平面上去除,不會(huì)造成圖像缺陷。其次,封裝的完美平坦的玻璃蓋是連接相機(jī)光學(xué)元件的理想基板。
圖 3. 透鏡陣列可以用圓形基透鏡 (l) 或方形基透鏡 (r) 以晶圓級(jí)制造,它們可以具有相同的間距和節(jié)距。使用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造方形基底透鏡會(huì)很昂貴,但晶圓級(jí)制造方法對(duì)透鏡形狀不敏感。
晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)的問題在于芯片正面的焊盤被困在蓋板玻璃下方并且無(wú)法接近。傳統(tǒng)的和商業(yè)上成功的解決方案是使用 SHELLCASE 互連,它有效地彎曲封裝邊緣周圍的焊盤,使其位于底部。迄今為止,已經(jīng)使用這種方法制造了超過 10 億個(gè)成像器。最近,該技術(shù)已開發(fā)用于制造硅通孔 (TSV),以將芯片焊盤連接到封裝焊盤。圖 2 顯示了一個(gè)示例。用于成像器的晶圓級(jí)封裝具有球柵陣列接口,因此可以將封裝與構(gòu)建緊湊型所需的所有其他表面貼裝組件同時(shí)連接到印刷電路板相機(jī)或手機(jī)。
晶圓級(jí)光學(xué)
圖 4. 視場(chǎng)加寬針孔成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)分解透視圖。它包括一個(gè)半球透鏡、光圈盤和平凸透鏡,以及幾乎 180 度的視野和相當(dāng)大的景深�；逍纬善酵雇哥R的一部分。請(qǐng)注意,這兩個(gè)鏡頭具有不同的直徑,并且可以由不同的材料制成。使用分立元件制造這種類型的光學(xué)元件是昂貴的,如果不是不可能的話。
在最簡(jiǎn)單的形式中,晶圓級(jí)鏡頭制造涉及制作晶圓大小的母版,每個(gè)鏡頭的每個(gè)光學(xué)表面一個(gè)。每個(gè)母版都包含一組緊密排列的腔體。一種方法是使用灰度處理在光刻膠中創(chuàng)建透鏡形狀以獲得 3D 輪廓。然后固化光刻膠并涂上一層薄薄的化學(xué)鍍鎳以提高耐用性。將聚合物澆鑄在鎳上以提供機(jī)械支撐,然后去除光刻膠。玻璃板或晶片旋涂有液態(tài)聚合物。然后將母版壓入液膜中,液膜流動(dòng)以填充空腔。聚合物被固化以固定鏡片形狀,使母版能夠被釋放和重復(fù)使用。不僅周期快,
有利的經(jīng)濟(jì)性并不是采用晶圓級(jí)鏡頭制造的 原因。該工藝可以制造出功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出拋光玻璃或注塑成型塑料鏡片的光學(xué)元件。例如,使用晶圓級(jí)工藝制造軸對(duì)稱透鏡并不比非對(duì)稱透鏡難。當(dāng)透鏡是圓形的正方形而不是圓形時(shí),緊密排列的透鏡陣列在光學(xué)上更有效。通過比較圖 3 中的兩種情況可以看出,方形基透鏡的填充因子成比例地更高。晶圓級(jí)制造的另一個(gè)好處是每個(gè)透鏡的兩個(gè)光學(xué)表面都是使用完全獨(dú)立的工藝制成的。這意味著它們的形狀沒有物理連接,它們甚至可以是不同的尺寸。
因?yàn)槟赴嬷慌c液態(tài)聚合物接觸,所以它不必像注塑塑料鏡片的模具那樣堅(jiān)硬。相反,主人可以是順從的,或者有點(diǎn)像橡膠。這使得設(shè)計(jì)具有重入特征和其他不尋常輪廓的光學(xué)表面成為可能。晶圓級(jí)透鏡的限制之一是可實(shí)現(xiàn)的透鏡下垂,對(duì)于商業(yè)光學(xué)聚合物和母版制作技術(shù),該下垂約為 200 μm。較高的值允許相機(jī)模塊保持相同的外形尺寸,但分辨率會(huì)逐漸增加。通過開發(fā)專有材料和工藝,至少有一家公司在 8 和 12 MP(百萬(wàn)像素)晶圓級(jí)相機(jī)的預(yù)生產(chǎn)樣品上展示了具有 >500um 下垂和 >50 度斜率的鏡頭。在另一個(gè)極端,
相機(jī)模塊的光學(xué)系統(tǒng)不僅僅包含鏡頭。為了正常運(yùn)行,它還必須包含孔徑、紅外濾光片、瞳孔和抗反射涂層等等。所有這些組件都可以通過晶圓級(jí)的半導(dǎo)體處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。最終結(jié)果是一個(gè)完全集成的光學(xué)組件,它具有固態(tài)相機(jī)所需的所有功能。圖 4 顯示了可以使用晶圓級(jí)透鏡制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的集成光學(xué)組件類型的創(chuàng)新示例。
制造光學(xué)組件的兩個(gè)非常重要的指標(biāo)是對(duì)準(zhǔn)和焦距。由于集成光學(xué)組件是使用基于半導(dǎo)體的工藝和設(shè)備制造的,因此可以與成像器芯片配合使用,無(wú)需手動(dòng)調(diào)整焦距,從而顯著節(jié)省測(cè)試成本。
晶圓級(jí)相機(jī)
圖 5. 在晶圓級(jí)制造的固態(tài)相機(jī),包括集成光學(xué)組件和使用 SHELLCASE 晶圓級(jí)封裝技術(shù)封裝的成像器芯片。攝像頭模塊高 2.5 毫米,具有 BGA 接口,可以使用標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)鉛回流焊將其連接到電路板上。
制造晶圓級(jí)相機(jī)模塊需要配合晶圓級(jí)光學(xué)組件和晶圓級(jí)封裝成像器。最終產(chǎn)品如圖 5 所示。此操作的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)平面和旋轉(zhuǎn)的 對(duì)齊,以及垂直方向的 間距和平面度。通過利用晶片級(jí)透鏡制造所帶來(lái)的新型透鏡形狀,以及在從晶片對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到元件對(duì)準(zhǔn)時(shí)降低位置誤差的敏感性,可以使用市售設(shè)備實(shí)現(xiàn)必要的公差。實(shí)際上,可以將相機(jī)模塊設(shè)計(jì)為無(wú)需實(shí)時(shí)調(diào)整焦距即可組裝。
理想情況下,每個(gè)相機(jī)模塊的組件都將在相同直徑的晶圓上制造,晶圓堆疊并粘合,然后將組件切割以生產(chǎn)單個(gè)相機(jī)模塊。目前,這不是 方法,因?yàn)楣鈱W(xué)元件和成像器芯片的直徑不匹配;半導(dǎo)體芯片大于其光學(xué)有源區(qū)域。取而代之的是,將光學(xué)晶片組合在一起,并將單獨(dú)的透鏡堆疊粘合到每個(gè)芯片上。這是 可能的,因?yàn)榫A級(jí)封裝的蓋子非常平坦和水平,并且與成像器芯片完全隔開。
通過明智地選擇材料,晶圓級(jí)相機(jī)可以經(jīng)受住無(wú)鉛焊料回流循環(huán)的熱漂移。傳統(tǒng)的攝像頭模塊無(wú)法承受這些溫度,必須通過柔性引線和連接器連接到手機(jī)。這種安排昂貴且機(jī)械上不堅(jiān)固,這種互連的故障是照相手機(jī)返回的主要原因之一�？苫亓骶A級(jí)相機(jī)可以使用晶圓級(jí)成像器封裝底部的球柵陣列接口與使用標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝工藝的其他組件同時(shí)連接和互連到手機(jī)的主印刷電路板。
晶圓級(jí)相機(jī)清楚地解決了成本和外形尺寸問題,但尚未對(duì)性能產(chǎn)生任何重大影響。智能光學(xué)等技術(shù)的結(jié)合可能會(huì)帶來(lái)性能改進(jìn),這些技術(shù)帶來(lái)了光學(xué)創(chuàng)新,例如連續(xù)景深、超快鏡頭和無(wú)移動(dòng)部件的光學(xué)變焦。據(jù)市場(chǎng)分析師稱,這最終可能導(dǎo)致可回流焊晶圓級(jí)相機(jī)到 2012 年占據(jù)超過 30% 的市場(chǎng)份額。
燦銳光學(xué)成立于2009年;燦銳是中國(guó)國(guó)內(nèi)一家研發(fā)、生產(chǎn)遠(yuǎn)心鏡頭的企業(yè),在行業(yè)內(nèi)有著先進(jìn)的地位;燦銳光學(xué)是目前為數(shù)不多有著完善產(chǎn)業(yè)鏈配套的工業(yè)鏡頭企業(yè);
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