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CMOS Sensor強力挑戰高畫素應用
 

【作者: 廖專崇】   2004年03月05日 星期五

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數位相機(Digital Still Camera;DSC)近年來的發展迅速,根據研究機構的統計資料顯示,除了2001年之外,每年的市場出貨量成長率均超過40%,除了出貨量成長,數位相機的規格一直不斷往上提昇,今年數位相機的主流規格已經提升到400萬畫素的產品,市面上亦出現800萬等級的消費性機種。在談到規格的同時,就必須要同時提到其關鍵零組件──影像感測器(Image Sensor),先前所提到的市場主流規格,指的多是CCD(電荷耦合元件)感測器,另外尚有CMOS(互補金屬氧化半導體)感測器。


在數位相機的影像感測器市場,長久以來就是為CCD感測器所把持,而CCD感測器技術完全掌握在日系廠商手中,而日系廠商又將該技術視為民族工業,始終不肯將技術釋出,為打破此壟斷現象,自從CMOS感測器正式應用在數位相機開始,就不斷試圖挑戰CCD感測器的市場地位,不過目前CMOS感測器在300萬畫素的產品遭遇到一些問題,進展不若過去順利,眼看CCD感測器在技術與市場上的推展相對順利,兩者之間的差距似乎越來越大,CMOS感測器現階段面臨相當大的挑戰。


本文將從CMOS感測器的技術與市場發展的角度切入,從數位相機的面向,討論CMOS感測器的技術發展與市場前景。


CMOS感測器市場現況

數位相機最近幾年的高度成長,引發各方的覬覦,尤其在其關鍵零組件影像感測器上,欲打破日系廠商長期以來在CCD感測器上的壟斷地位,CMOS感測器最近幾年積極發展,(圖一)是2002~2007年全球數位相機搭配CCD與CMOS感測器的比重分布圖,CMOS感測器確實存在取代CCD感測器的趨勢,不過卻都是以低價成熟的產品市場為主,目前市場上以OmniVision Technology(豪威科技)為領導廠商,另外包括ST(意法半導體)、Photobit、Hynix(現代)與Micron(美光)等國際級廠商,而全球CMOS感測器市佔率最高的是Agilent(安捷倫),不過由於其產品大部分專注於光學滑鼠與相機手機領域,所以不在討論的範圍內。


《圖一 全球數位相機搭配CCD與CMOS影像感測器比例》
《圖一 全球數位相機搭配CCD與CMOS影像感測器比例》資策會MIC,2003/11

國內投入CMOS感測器的廠商有銳相、原相、宜霖與泰視等四家廠商,這四家廠商分別在1996到1998年之間成立,除了泰視之外,其餘廠商都已經推出300萬畫素等級的產品,最近幾年數位相機大幅成長,市場上新投入的廠商並不多,泰視科技行銷部業務一處晶理游淑如表示,一個CMOS影像感測器的設計中,包括數位與類比的技術,最好還要懂光學技術,國內類比方面的人才本來就不多,加上這幾家廠商規模都不大,無法吸引並且長期培養這些人才,所以近年來儘管數位相機市場年年擁有高度成長,但投入CMOS感測器技術的新廠商並不多。


過去兩、三年由於CCD感測器時常呈現缺貨的狀態,所以國內數位相機製造商有時候有錢也買不到,加上CCD感測器價格昂貴,以低階數位相機市場為主的台商產品中相當大比重採用的是CMOS感測器,(圖二)是我國2003年數位相機採用CCD與CMOS影像感測器之比例,第二、三季由於CCD供給量提昇,所以採用CCD感測器比重小幅提昇,不過到了第四季,CMOS感測器300萬畫素正式量產,採用CMOS感測器比重再度提昇。


《圖二 2003年我國數位相機採用CCD與CMOS影像感測器比例》
《圖二 2003年我國數位相機採用CCD與CMOS影像感測器比例》資策會MIC,2004/01

廠商動向

在產品部分,主流數位相機市場已經漸漸跨入400~500萬等級,CMOS感測器廠商從去年下半年開始就陸續推出了300萬畫素等級的產品,在OmniVision方面,該公司台灣分公司協理徐立基表示,OmniVision繼去年正式量產300萬畫素CMOS感測器後,今年將再推出新款0.13微米製程1/2.7吋的改版產品,畫素尺寸(Pixel Size)則進一步縮小到2.77微米(μm)。


至於更高階的產品,徐立基指出,由於400萬畫素等級的產品在畫素提昇比率上並不明顯,所以該公司下一代產品打算直接推出500萬畫素等級的產品,計劃在今年第三季上市,製程為0.13微米1/1.8吋,畫素尺寸也是2.77微米。OmniVision產品的特點是將DSP電路整合在感測器中,可以加速影像的處理速度,系統廠商Design-in的時間也相對較短。


銳相也在不久前發表使用聯電0.18微米製程的300萬畫素CMOS感測器,畫素尺寸也縮小到2.8微米,不過該產品主要是應用在相機手機當中,這樣的進展對國內廠商來說相當不容易,也表示我國CMOS感測器產業技術,居於全球的領先地位。


另外,記憶體大廠Micron(美光),最近積極投入CMOS Sensor領域,2003年底一口氣發表了兩款1/2吋的產品,分別是200萬畫素的MT9D001採用0.18微米製程,畫素尺寸是4.2微米;而300萬畫素的MT9T001則是採用0.15微米製程,畫素尺寸為3.2微米。


CCD與CMOS技術優劣

過去CMOS感測器最為人所詬病的就是影像品質,主要原因就來自於CMOS與CCD成像原理的不同,雖然基本上,基本上兩者都是利用感光二極體(photodiode)進行光與電轉換,將影像轉換為數位資料,而其主要差異則在數位資料傳送方式的不同。


(圖三)為CCD與CMOS感測器的結構圖,CCD感測器每一行中每一個畫素(pixel)的電荷資料都會依序傳送到下一個畫素中,由最底端的部分輸出,再經由感測器邊緣的放大器進行放大輸出;而在CMOS感測器中,每個畫素都會連接一個放大器及類比/數位轉換電路,用類似記憶體電路的方式將資料輸出。


造成這種差異的原因,在於CCD的特殊製程可保持資料在傳送時不會失真,因此各個畫素的資料可集合至邊緣處再做放大處理;而CMOS製程的資料在傳送較長的距離時會產生雜訊,因此必須先行放大再整合各個畫素的資料。


《圖三 CCD感測器結構圖;CMOS感測器結構圖》
《圖三 CCD感測器結構圖;CMOS感測器結構圖》資料來源:宜霖科技

這也是造成目前300萬畫素CMOS感測器成像品質不佳的原因,游淑如強調,這個問題在200萬畫素以下的產品身上還不明顯,發展到300萬畫素以上,由於要傳送的資料太多,若感測器沒有良好的處理器搭配,一樣很難有良好的成像品質。而事實上,我國廠商在光學技術上,與日系廠商確實有一段差距,就有業界人士開玩笑的指出,同樣的鏡頭、感測器、後端晶片,分別交給台商和日商,做出來的成品在畫面品質上硬是有一段差距。


這方面要解決確實不是容易的事,所以也成為300萬畫素CMOS感測器無法如先前,快速取代CCD感測器市場的原因之一,目前有人提出要以4T(Transistor)架構取代傳統的3T架構,先前提到Micron的300萬畫素產品就已經結合該技術;另外,Micron自行研發DigitalClarity技術,讓該感測器的成像品質能接近CCD感測器的成像品質,包括低暗電流、減少串音干擾、低時域雜訊,相較於競爭對手的產品功能,DigitalClarity能提供較細膩的影像品質,所以Micron的產品雖然較晚進入市場,不過在產品技術上頗為先進,市場評價不低。


儘管CCD感測器在靈敏度、解析度以及雜訊控制等方面均優於CMOS感測器,而CMOS感測器則具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。相較於CMOS感測器廠商目前致力於提昇產品的成像品質,CCD感測器也正致力於降低產品成本,兩者都有相中間靠攏的意味,不過卻還是各自擁有原來的優勢。


CMOS技術整合重點

除了感測器本身的畫素、成像品質等條件之外,在CMOS產業,所有相關的上下游產業間的串聯相當重要,銳相科技總經理林捷昇表示,相對於數位邏輯IC產品,影像感測器是個新興的產品,包括IC設計、製造、封裝、測試等,都還相當不成熟,所以沒有什麼標準作業流程,因此在產品設計的初期就必須與製造、封裝、測試等夥伴保持密切的合作,該公司與聯電已經合作了6年的時間,仍然覺得還有很多改進的空間,該公司甚至有10幾位製程工程師,是專門負責跟製造、封測的夥伴溝通的。


也因為如此,所以有業界人士認為,在CMOS感測器領域,單純的Design House並不適合,具備前後端完整能力的IDM廠商,才是最適合發展CMOS感測器技術的企業類型。而國內四家清一色都是純IC設計公司,因此在這幾年來發展的都相當辛苦,除了內部的技術摸索之外,對外不管是生產方面的合作對象,或是鏡頭模組與後端IC廠商,都需要有良好的合作關係與默契。


徐立基以過去該公司發展相機手機模組時遇到的情況為例,該公司在數位相機產品方面原本也提供完整的模組給客戶,而發展到相機手機的照相模組之後,由於該產品要求的特性,使得產品製造完成後,沒有封裝廠具有足夠的技術能力為其產品做封裝,直到後來與一家以色列的封裝廠合作才讓問題解決,所以很多事都是從失敗與摸索中學習,對於像Hynix與Micron這樣的IDM廠商,徐立基也談坦言,確實有一些壓力存在。


結論

CMOS感測器挑戰CCD感測器的市場,在200萬畫素以下都相當順利,除了CCD在技術推展的同時,由於面臨產能不足,所以不會有閒置產能留下來生產舊有的技術,所以說是日系廠商「敗走」低階感測器市場,應該說「放棄」會比較恰當;但是兩年以來擴產的結果,使得最近CCD感測器產能已不像先前吃緊,加上CMOS感測器300萬畫素的產品品質表現並不佳,日系廠商將較舊的生產線留下來繼續生產300萬畫素的產品,價格上已經可以與CMOS一拼,所以CMOS感測器再300萬畫素的市場也相當辛苦,甚至有些廠商已經放棄。


另外,感測器的應用在未來的發展有許多想像空間,多數應用其實都不是訴求高畫素,而是利基型或者新興的市場應用,所以大部分廠商也投注相當心力在尋找新應用上,包括玩具、指紋掃描機、汽車、遊戲機等等不勝枚舉,也有市場人士表示,未來的世界的個感測器無所不在(Sensor Everywhere)的時代,如果真是如此,CMOS感測器的市場空間必定大的多。


而在數位相機領域,CMOS或許還是能突破300萬畫素的障礙,但與CCD感測器有些天生的障礙還是兩者的分野,我們很難斷定到底300萬或400萬是CCD與CMOS感測器的楚河漢界,不過一般都認為,未來兩者能夠並存,而且會有一個相當清楚的界線,各自在各自的市場空間改善、發揮,相信這也是大家都樂見的結果。


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