影像感測器、光學鏡片及影像處理器，是數位相機擷取影像的三個基本元件。光線進入光學鏡片後，被傳送到影像感測器並轉換成電子訊號，再由影像處理器將電子訊號轉換成標準格式。

影像感測器與影像處理器是透過半導體技術製造而成，這些元件的製程是在晶圓層級階段完成，因此，廠商能藉由大量生產來降低製造成本。另一方面，傳統的光學元件則是利用標準的塑膠模製或玻璃研磨技術，以小批量循序的模式來生產。大多數用來製造手機相機模組的光學元件，都採用不耐高溫的塑膠原料所製。因此，這些相機模組必須先組裝在可撓式纜線（flex lead）或插座，再安裝至電路板上。由於相機模組必須與手機基板上的其他IC元件分開組裝， 使得所需的材料增加，造成額外的人力負擔與製造週期的延長，最後導致總體成本的上升。隨著影像感測器的尺寸持續變小，光學鏡片的面積也必須跟著縮減。但由於製造的高複雜性，若運用傳統技術降低光學元件尺寸，將會導致成本提高。為降低尺寸與成本，新的光學元件製造技術便應運而生，這種技術就是晶圓層級光學元件（wafer-level optics）。

晶圓級相機技術

在各種製造方法中，業者大都偏愛運用平行製程，透過大量的元件產出來分擔製造成本，而Tessera的OptiML晶圓級相機（Wafer-Level Camera）技術也是以此為基礎的技術。運用標準半導體技術及耐迴焊（reflow-compatible）的材料，能在單片晶圓上同時製造出數以千計的鏡片，接著再運用晶圓堆疊技術，將數個光學晶圓進行對校準與接合。接合的光學晶圓被切割成許多單一的整合光學鏡片後，便可安裝到影像感測器上。

運用這種晶圓級製程，光學鏡片的尺寸可縮減到和影像感測器相同的尺寸，同時相機模組所需的元件數量也能降低。此外，這種方式不需要人工調校光學元件的焦距。圖二中兩種傳統VGA相機模組與晶圓級VGA相機模組的比較，可明顯看出尺寸上的差異。

《圖一　OptiML VGA相機與兩種傳統VGA相機模組的尺寸比較》

在大多數的相機模組中，影像感測器是材料中最昂貴的元件。由於感測器是在晶圓階段完成，許多製造商正嘗試讓每片晶圓達到最佳的產量，藉以降低每個單一零件的平均成本。為達成這項目標，半導體技術開始轉移至越來越小的節點，藉以製造出更小的元件。在2004年時，典型VGA影像感測器佔用的電路板面積約為16mm2，像素尺寸為5.5um。現在相同的VGA影像感測器，底面積僅四分之一不到，像素尺寸更縮小到2.2um以下。CMOS節點也從350nm縮小至130nm。未來像素尺寸將繼續縮小至1.5um以下。

因應影像感測器的尺寸的繼續縮減，光學元件也必須大幅縮小。然而，傳統元件是在元件層級進行製造，因此要縮小尺寸極為困難，更無法降低製造成本。在許多情況中，降低尺寸往往導致成本提升，原因在於製造的困難度增加，導致良率下滑，而WLC技術是一種真正晶圓級技術，因此可以解決這方面的難題。縮小光學元件的尺寸，事實上就增加了每片晶圓所產出的鏡片數量，進而降低每個鏡片的成本。因此，運用WLC技術來製造光學元件，讓光學鏡片技術能搭上半導體產業發展的順風車，隨著像素尺寸與CMOS節點環境的持續縮小，發揮各方面的成本好處。

目前OptiML晶圓級相機技術所適用解析度範圍，涵蓋從VGA等級到百萬像素以上範圍。運用影像強化技術，三百萬像素解析度以上的相機，則可以在拍攝五十公分之內距離的物體時，強化對焦效果。

晶圓級相機製程

晶圓級相機技術運用各種半導體科技，在單片晶圓上一次製造出數千個鏡片，這些鏡片是利用傳統的微影、蝕刻及複製技術來製造。

《圖二　在晶圓層級上製造出數千個鏡片》

根據相機模組的性能要求，設計晶圓級的鏡片並製造出最終光學組件所需的晶圓數量。在製造出所有鏡片晶圓後，再利用晶圓堆疊技術讓這些晶圓進行校準與接合，製成一疊晶圓光學元件陣列。（如圖三）

《圖三　OptiML 晶圓堆疊（WaferStack）技術帶來了晶圓級鏡片模組》

接著堆疊的晶圓被切割成光學元件（圖四）。利用這項技術，光學堆疊內的鏡片會固定在精確的位置，不需用到昂貴且影響良率的人工對焦。然後，完整的光學鏡片模組即可安裝至影像感測器上，構成相機模組。

《圖四　堆疊的晶圓切割成許多光學鏡片模組（示意圖）》

如前所述，用來製造這些晶圓級鏡片的材料可承受迴焊的高溫，讓製造商能運用標準的回焊技術來組裝手機中的相機模組。此外，運用MVP技術來封裝影像感測器，還能進一步強化耐迴焊所帶來的成本效益。利用這項技術，影像感測器從初期的製程階段便被封裝在外層的玻璃中。電子接點配置在矽元件的背面，連結至焊點。

《圖五　使用晶片尺寸封裝技術的影像感測器》

根據Prismark的報告預估，在2011年將有至少50%的影像感測器，採用晶片級封裝技術。

《圖六　影像感測器封裝技術的市場趨勢》 資料來源：Prismark

把晶圓級光學鏡片模組置於晶片級封裝感測器上（圖七），建構出真正晶片級的相機模組，再透過一般IC所使用的標準迴焊製程，便能直接裝在手機的電路板上。

《圖七　WLC光學鏡片模組裝配在SHELLCASE 封裝的感測器上。》

以下影像是利用業界的照相手機及晶圓級相機所分別拍攝，從比較圖中可看出模組尺寸大幅縮小，材料成本也降低；此外，利用晶圓級相機技術所產生的影像，品質和其他影像亦不相上下。

《圖八　兩種傳統照相手機與WLC照相手機之模組與拍攝影像比較》

影像強化技術

延長景深（EDoF，Extend Depth of Field）以及低光源拍攝功能，是照相手機廠商引頸企盼的兩項熱門功能，採用制動器的傳統自動對焦解決方案，其性能確實勝過定焦相機，但同時也存在許多缺點，包括成本昂貴、難以小型化、使用次數有限，以及受限於機械零件的磨損，導致無法符合嚴苛的光學誤差容許等，因此僅能提供有限的景深，且拍攝時須等候相當久的時間，才能達到穩定的對焦設定。而Tessera運用專利的OptiML Focus技術，從前景到背景的影像都維持清晰銳利，無須使用可動的零件，仍能提供更高的影像品質，勝過現有的定焦解決方案。

OptiML Focus技術結合鏡片設計以及小型化的數位演算法，得到對焦銳利的影像，以及優異的低光源拍攝功能。演算法能建置在硬體或軟體，整合至感測器、影像處理器、應用處理器，或是以離線的模式來執行。

現今的數位相機通常無法兼具景深對焦與低光源拍攝效能。但運用OptiML Focus技術，相機模組能同時擁有這兩種功能，提供景深效果以及高品質的低光源拍攝功能。圖十顯示OptiML Focus技術在拍攝近距離與遠距離物體的效果。

《圖九　OptiML Focus技術可確保從前景到背景皆清晰銳利的影像，》

完全沒有用到可動的零件

關鍵在於垂直整合

傳統相機模組都是由模組製造商來生產，在大多數情況下，這些模組製造商會從不同供應商購買相機零組件：半導體廠商提供影像感測器與影像處理器、鏡片製造商提供光學元件等。因此，模組製造商必須承擔每家供應商的成本。

為降低相機模組的成本，讓相機能夠整合到超低階的手機，所有元件的價格都必須兼顧，為了達成這項目標，業界已經著手針對模組製造商提高垂直整合度，例如，模組製造商除了光學元件外，也生產矽感測器晶圓，這將能降低每個元件的成本，最終達成降低相機模組的整體成本。預料這樣的垂直整合，在未來數年將出現在半導體產業。

（作者為Tessera台灣區總經理暨東亞區總監）

參考資料：

Market Breakdown of Camera Phone – 2nd Half 2006 & 1st Half 2007 Forecast, TSR May 2007

CCD/CMOS Area Image Sensor Market Analysis, TSR March 2004

Prismark