影像感测器、光学镜片及影像处理器，是数位相机撷取影像的三个基本元件。光线进入光学镜片后，被传送到影像感测器并转换成电子讯号，再由影像处理器将电子讯号转换成标准格式。

影像感测器与影像处理器是透过半导体技术制造而成，这些元件的制程是在晶圆层级阶段完成，因此，厂商能藉由大量生产来降低制造成本。另一方面，传统的光学元件则是利用标准的塑胶模制或玻璃研磨技术，以小批量循序的模式来生产。大多数用来制造手机相机模组的光学元件，都采用不耐高温的塑胶原料所制。因此，这些相机模组必须先组装在可挠式缆线（flex lead）或插座，再安装至电路板上。由于相机模组必须与手机基板上的其他IC元件分开组装， 使得所需的材料增加，造成额外的人力负担与制造周期的延长，最后导致总体成本的上升。随着影像感测器的尺寸持续变小，光学镜片的面积也必须跟着缩减。但由于制造的高复杂性，若运用传统技术降低光学元件尺寸，将会导致成本提高。为降低尺寸与成本，新的光学元件制造技术便应运而生，这种技术就是晶圆层级光学元件（wafer-level optics）。

晶圆级相机技术

在各种制造方法中，业者大都偏爱运用平行制程，透过大量的元件产出来分担制造成本，而Tessera的OptiML晶圆级相机（Wafer-Level Camera）技术也是以此为基础的技术。运用标准半导体技术及耐回焊（reflow-compatible）的材料，能在单片晶圆上同时制造出数以千计的镜片，接着再运用晶圆堆叠技术，将数个光学晶圆进行对校准与接合。接合的光学晶圆被切割成许多单一的整合光学镜片后，便可安装到影像感测器上。

运用这种晶圆级制程，光学镜片的尺寸可缩减到和影像感测器相同的尺寸，同时相机模组所需的元件数量也能降低。此外，这种方式不需要人工调校光学元件的焦距。图二中两种传统VGA相机模组与晶圆级VGA相机模组的比较，可明显看出尺寸上的差异。

《图一 OptiML VGA相机与两种传统VGA相机模块的尺寸比较》

在大多数的相机模组中，影像感测器是材料中最昂贵的元件。由于感测器是在晶圆阶段完成，许多制造商正尝试让每片晶圆达到最佳的产量，借以降低每个单一零件的平均成本。为达成这项目标，半导体技术开始转移至越来越小的节点，借以制造出更小的元件。在2004年时，典型VGA影像感测器占用的电路板面积约为16mm2，像素尺寸为5.5um。现在相同的VGA影像感测器，底面积仅四分之一不到，像素尺寸更缩小到2.2um以下。 CMOS节点也从350nm缩小至130nm。未来像素尺寸将继续缩小至1.5um以下。

因应影像感测器的尺寸的继续缩减，光学元件也必须大幅缩小。然而，传统元件是在元件层级进行制造，因此要缩小尺寸极为困难，更无法降低制造成本。在许多情况中，降低尺寸往往导致成本提升，原因在于制造的困难度增加，导致良率下滑，而WLC技术是一种真正晶圆级技术，因此可以解决这方面的难题。缩小光学元件的尺寸，事实上就增加了每片晶圆所产出的镜片数量，进而降低每个镜片的成本。因此，运用WLC技术来制造光学元件，让光学镜片技术能搭上半导体产业发展的顺风车，随着像素尺寸与CMOS节点环境的持续缩小，发挥各方面的成本好处。

目前OptiML晶圆级相机技术所适用解析度范围，涵盖从VGA等级到百万像素以上范围。运用影像强化技术，三百万像素解析度以上的相机，则可以在拍摄五十公分之内距离的物体时，强化对焦效果。

晶圆级相机制程

晶圆级相机技术运用各种半导体科技，在单片晶圆上一次制造出数千个镜片，这些镜片是利用传统的微影、蚀刻及复制技术来制造。

《图二 在晶圆层级上制造出数千个镜片》

根据相机模组的性能要求，设计晶圆级的镜片并制造出最终光学组件所需的晶圆数量。在制造出所有镜片晶圆后，再利用晶圆堆叠技术让这些晶圆进行校准与接合，制成一叠晶圆光学元件阵列。 （如图三）

《图三 OptiML 晶圆堆栈（WaferStack）技术带来了晶圆级镜片模块》

接着堆叠的晶圆被切割成光学元件（图四）。利用这项技术，光学堆叠内的镜片会固定在精确的位置，不需用到昂贵且影响良率的人工对焦。然后，完整的光学镜片模组即可安装至影像感测器上，构成相机模组。

《图四 堆栈的晶圆切割成许多光学镜片模块（示意图）》

如前所述，用来制造这些晶圆级镜片的材料可承受回焊的高温，让制造商能运用标准的回焊技术来组装手机中的相机模组。此外，运用MVP技术来封装影像感测器，还能进一步强化耐回焊所带来的成本效益。利用这项技术，影像感测器从初期的制程阶段便被封装在外层的玻璃中。电子接点配置在矽元件的背面，连结至焊点。

《图五 使用芯片尺寸封装技术的影像传感器》

根据Prismark的报告预估，在2011年将有至少50%的影像感测器，采用晶片级封装技术。

《图六 影像传感器封装技术的市场趋势》 数据源：Prismark

把晶圆级光学镜片模组置于晶片级封装感测器上（图七），建构出真正晶片级的相机模组，再透过一般IC所使​​用的标准回焊制程，便能直接装在手机的电路板上。

《图七 WLC光学镜片模块装配在SHELLCASE 封装的传感器上。》

以下影像是利用业界的照相手机及晶圆级相机所分别拍摄，从比较图中可看出模组尺寸大幅缩小，材料成本也降低；此外，利用晶圆级相机技术所产生的影像，品质和其他影像亦不相上下。

《图八 两种传统照相手机与WLC照相手机之模块与拍摄影像比较》

影像强化技术

延长景深（EDoF，Extend Depth of Field）以及低光源拍摄功能，是照相手机厂商引颈企盼的两项热门功能，采用制动器的传统自动对焦解决方案，其性能确实胜过定焦相机，但同时也存在许多缺点，包括成本昂贵、难以小型化、使用次数有限，以及受限于机械零件的磨损，导致无法符合严苛的光学误差容许等，因此仅能提供有限的景深，且拍摄时须等候相当久的时间，才能达到稳定的对焦设定。而Tessera运用专利的OptiML Focus技术，从前景到背景的影像都维持清晰锐利，无须使用可动的零件，仍能提供更高的影像品质，胜过现有的定焦解决方案。

OptiML Focus技术结合镜片设计以及小型化的数位演算法，得到对焦锐利的影像，以及优异的低光源拍摄功能。演算法能建置在硬体或软体，整合至感测器、影像处理器、应用处理器，或是以离线的模式来执行。

现今的数位相机通常无法兼具景深对焦与低光源拍摄效能。但运用OptiML Focus技术，相机模组能同时拥有这两种功能，提供景深效果以及高品质的低光源拍摄功能。图十显示OptiML Focus技术在拍摄近距离与远距离物体的效果。

《图九 OptiML Focus技术可确保从前景到背景皆清晰锐利的影像，》

完全没有用到可动的零件

关键在于垂直整合

传统相机模组都是由模组制造商来生产，在大多数情况下，这些模组制造商会从不同供应商购买相机零组件：半导体厂商提供影像感测器与影像处理器、镜片制造商提供光学元件等。因此，模组制造商必须承担每家供应商的成本。

为降低相机模组的成本，让相机能够整合到超低阶的手机，所有元件的价格都必须兼顾，为了达成这项目标，业界已经着手针对模组制造商提高垂直整合度，例如，模组制造商除了光学元件外，也生产矽感测器晶圆，这将能降低每个元件的成本，最终达成降低相机模组的整体成本。预料这样的垂直整合，在未来数年将出现在半导体产业。

（作者为Tessera台湾区总经理暨东亚区总监）

参考资料：

Market Breakdown of Camera Phone – 2难道 Half 2006 & 1身体 Half 2007 Forecast%2C TSR May 2007

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

Prismark