手机摄像模块:向着小尺寸和低成本的方向发展

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2008～2009年，手机摄像模块的实现手段将发生变化――从采用定制产品改为采用通用产品。迄今为止，通常是由手机制造商挑选传感器芯片及透镜，并依照手机的不同机型分别定制摄像模块。而今后，手机制造商将更多地从通用摄像模块产品中进行选择，这些通用产品是模块生产商以大规模生产为前提条件而开发的。

注重性能及功能的高档手机仍将继续采用定制的摄像模块，而需要低价格、小尺寸及短开发周期等的中低档手机与副摄像头将转而采用通用摄像模块。在中档手机中，目前采用的主要是130万～200万像素的摄像模块。预测认为，在2008～2009年，200万～300万像素的摄像模块将成为主流产品。而在欧洲等地的市场中，采用300万像素摄像模块的中档手机还将增多。

在低档手机的主摄像头及副摄像头中，采用30万像素左右的VGA摄像模块的产品将越来越多。据模块生产商估计，目前所有手机中大概有70％的手机具有相机功能，剩下的30％就成为VGA模块的潜在市场。

优先考虑小尺寸和低价格

中低档手机有可能普遍采用通用产品的原因在于，与画面质量相比，手机制造商更加重视摄像模块的尺寸和价格等方面。许多摄像模块厂商指出：“中档手机的功能一直在增加。由于手机本身的尺寸及价格几乎没有变化，所以，摄像模块的封装面积、安装高度以及成本也需要相应降低。目前，大部分手机厂商都是分别为每种机型设计开发不同的摄像模块，这样的定制产品的成本过高。”

为了满足手机制造商的需求，摄像模块厂商加快了将200万～300万像素产品及VGA产品推向市场的速度。这些产品大部分都是可供各类用户使用的通用产品。其中，就200万～300万像素的产品来说，在选用时主要应该考虑以下三个因素：外形尺寸、组装的方便性、价格。

手机摄像模块的封装面积和高度都在不断减少。其中，封装面积与模块是否具有自动对焦功能有很大的关联。在具有自动对焦功能的情况下，模块面积将可比目前的8.5mm×8.5mm缩小20％以上。夏普公司计划在2008年下半年量产200万像素的产品，据估计，模块，面积约为7.5mm×7.5mm。另外，东芝公司表示目前正在设计500万像素、具有自动对焦功能，且面积为6.5mm×6.5mm的产品。

在不具备自动对焦功能的情况下，摄像模块的面积可以缩小到6mm×6mm，与现在的8mm×8mm相比，封装面积可减少40％以上。意法半导体公司已从2008年6月开始量产这款产品。东芝公司计划从2008年8月开始量产面积缩小到6，5mm×6，5mm的产品。美光科技公司旗下的Aptina Imaging公司也计划于2009年第1季度开始量产5.6mm，×5 8mm、200万像素的产品，但产品的详细技术规格目前尚未公布。

利用贯通电极实现小型化

意法半导体、东芝和AptinaImaging公司为了缩小摄像模块的封装面积采用了贯通电极技术。以往的工艺中，都是利用引线焊接法把传感器芯片同转接板(interposer)连接到一起，再连接到外部端子上。如果能够在传感器芯片内部形成贯通电极，就可以利用贯通电极直接连接传感器芯片和外部端子。这样可以使摄像模块的封装面积仅相当于传感器芯片的面积。东芝公司表示，在采用同样芯片的情况下，与使用引线焊接法的产品相比，体积可以缩小到64％。Aptina Imaging公司则采用了美光科技公司开发的面向DRAM的贯通电极技术。

贯通电极可以利用晶圆为单位，在传感器芯片上统一制成(见图4)。图4为东芝公司摄像模块的制造工序。在已经形成传感器的硅晶圆上覆盖玻璃的目的是为了加固芯片和避免灰尘。该公司表示，所有的制造工序都是在洁净室(和普通的半导体制造工艺的洁净水平相当)内进行的，跟传统的封装方法相比，由灰尘导致的不合格产品将会减少。

意法半导体将传感器芯片的像素间距缩小到1.75um，从而实现了6mm×6mm的小封装面积。通常，当像素间距缩小时画面质量会劣化。但该公司表示，为了保证像素间距缩小以后画面质量不会劣化，他们采取措施减薄了传感器芯片上的光学部分，从而抑制了干扰和噪声等。

与意法半导体不同，为了抑制画面质量的劣化，东芝公司选择了较大的像素间距――2.2um。该公司表示，采用贯通电极以后，即使传感器芯片的像素间距维持与上一代产品相同，也可以把封装面积控制在客户所要求的6.5mm×6，5mm以内。东芝公司表示：“当采用2.2um的像素间距实现200万像素的产品时，传感器的尺寸为1/4英寸。那么，在使用引线焊接法封装传感器芯片时，摄像模块的尺寸约为8mm×8mm；但如果使用贯通电极，封装面积就可以缩小到6.5mm×6.5mm。而使用下一代传感器芯片(像素间距为1.75um，传感器尺寸为1/5英寸)并利用引线焊接法封装时，摄像模块的封装面积还有可能大于6.5mm×6.5mm。”

通常，具有自动对焦功能的摄像模块的高度一般约为6mm。不过，日本Mitsumi电机公司预定从2009年初开始量产320万像素的产品，高度为5mm，与目前的产品相比，大约减薄了17％。在设计中，Mitsumi电机公司减少了透镜的重量以减轻电动机的负载，并灵活运用了基于CAE(计算机辅助工程)的三维结构模拟演示等技术，从而实现了电动机的薄型化。

该公司表示，其以往的产品一直用于较高档的手机中，因此镜头是由1片玻璃透镜和3片塑料透镜组合而成。这次的新产品则是以中档手机为应用对象而开发的，优先考虑的是减轻镜头的重量。其中采用了4片塑料透镜，镜头经过精心设计，抑制了画面质量的劣化。

对于没有自动对焦功能的产品来说，目前已上市的摄像模块中有夏普公司生产的高度为4ram的200万像素产品。而且，其他公司计划量产的产品的高度也基本上是相同的水平。

利用软件实现自动对焦

综上所述，与没有自动对焦功能的产品相比，具有这一功能的摄像模块的封装面积和模块高度都有所增加。其原因在于，为了实现自动对焦功能，需要有用于伸缩透镜的传动机构以及可供透镜伸缩的区域。

用户希望具有自动对焦功能的产品也可以实现与没有自动对焦功能的产品相同的封装面积和模块高度。能够满足这一要求的技术将在2008～2009年进入实际应用，这是一种利用软件来执行自动对焦的技术，可以省去专用的自动对焦硬件。为摄像模块提供传感器芯片的OmniVision科技公司计划在2008年第3季度推出的cM0s传感器，就 具有基于这种软件的自动对焦功能TmeFocus。这种新型CMOS传感器的初期应用目标是200万～300万像素的摄像模块，镜头将使用和该公司合作的镜头厂商生产的专用产品。

在TrueFocus中，对于尚未对准焦点就拍摄的模糊图像，通过基于软件的图像处理就可以调准整个画面的焦距。由于其焦点对准的区域(景深)可以扩展为几十cmN无限远，因此，TrueFocu s也叫做EDOF(景深扩展)技术。

此外，意法半导体及东芝公司准备推出的摄像模块产品，也具有基于软件的自动对焦功能。但公司尚未透露产品具体的量产计划。

可以使用回流焊的产品

为了提高组装的方便性，能够使用回流焊的摄像模块产品即将上市。东芝公司及Aptina Imaging公司计划在2008年内推出支持回流焊的200万像素产品。这些产品可以在手机主板上和其他的芯片与无源元器件一起使用回流焊完成组装工作，从而不再需要以往用于组装摄像模块的接插件及插座，且可以简化模块组装工序。

目前，由于手机摄像模块通常都采用耐热性低的塑料镜头，因此不能使用回流焊。在组装时，需要通过柔性印制板及插座将摄像模块连接到主板上。组装工序包括：在主板上组装供柔性印制板使用的接插件以及插座，然后把柔性印制板接插件，并在插座中装入摄像模块。

东芝及Aptina Imaging公司由于采用了耐热性高的镜头，所以能够使用260℃的回流焊组装。东芝公司采用了将耐热性提高到300℃的特殊塑料镜头，Aptina Imaging公司则采用玻璃镜头。

利用连贯制造实现大批量及低成本

意法半导体、东芝及AptinaImaging公司的传感器芯片及镜头都采用贯通电极及晶圆级模块封装技术，可以在晶圆的状态下一次处理完成，生产效率较高，且便于以低成本制造大量的产品。每个客户对手机摄像模块的订购数量每月都高达几百万个，如果摄像模块可成为通用产品供多家客户采用，就需要进一步扩大生产规模，这又可推动成本的降低。

4mm×4mm的VGA产品

用于低档手机与副摄像头的VGA产品，对于进一步缩小尺寸并降低价格的要求更加强烈。目前，夏普公司正在量产5mm×5mm的产品。东芝公司计划从2008年10月开始量产4mm×4mm的产品，其封装面积比夏普公司的5mm×5mm的产品减少了36％。另外，Aptina Imaging公司计划从2008年第4季度开始量产4.15mm×4.15mm的产品。这些产品都利用贯通电极实现了小型化。

目前大部分手机厂商要求摄像模块的高度小于2.5mm。为了满足这一要求，夏普公司已经量产了高1.95mm的产品。该公司表示：“这款产品通过缩小光学系统，及使用独特的高密度封装技术实现了薄型化。”

阿尔卑斯电气公司预定从2008年年底开始量产2，2mm的产品。该公司表示，这款产品的结构较为简单，就是将以前分立的传感器芯片和镜头模块组装起来，从而实现了薄型化。

用手机实现小型相机的性能

在中低档手机逐步采用通用摄像模块的过程中，以相机功能为卖点的高档手机今后还将继续采用定制的摄像模块。预测认为，目前高档手机采用的主流摄像模块是300万～500万像素的产品，但在2008～2009年将转移到500万像素以上。2009年，市场上很可能出现采用1000万像素摄像模块的手机，其像素数基本上可以与小型数码相机相匹敌。为了使产品的功能及性能有别于其他公司的产品，手机制造商需要自己定制摄像模块。

在用于高档手机的摄像模块中，需要具备快门和光学变焦等结构。为了将这些结构装入手机的外壳内，必须减少摄像模块的封装面积及高度。

日本Copal公司已开发出支持3倍光学变焦的500万像素摄像模块，与现有产品相比，体积大约缩小了一半。该公司表示，在实现这款产品的过程中，他们细致地进行了强度等计算，重新选用了适当的材料，同时开发出独特的组装设备。此外，东芝公司正在开发支持3倍光学变焦的800万像素摄像模块，其外形尺寸只有15mm×20mm×8mm。