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從2000年夏普推出全球首款搭載后置11萬像素攝像頭的拍照手機J-SH04開始,用戶對智能手機攝像性能要求不斷提高,各廠商技術(shù)不斷 更新迭代,手機攝像頭逐漸向多攝、CIS 高像素、7P/8P、鏡片玻塑混合、潛望式鏡頭變焦、ToF 等多方向發(fā)展。
根據(jù)研究機構(gòu)MarketsandMarkets最新發(fā)布的研究報告顯示,2020年全球攝像頭模塊市場規(guī)模為315億美元,到2024年,該市場將增長至446億美元。預(yù)測期內(nèi)(2019-2024年)的年復(fù)合增長率為7.2%。報告指出,全球攝像頭模塊市場的增長主要取決于以下幾個因素:一是多攝像頭的智能手機的快速發(fā)展;二是公共安全和安保問題頻發(fā)促進了監(jiān)控攝像頭的采用;三是攝像頭模塊組件在設(shè)備集成方面的技術(shù)進步;四是智能手機中Tof相機的需求上升。
從鏡頭成像原理來說,手機攝像頭是通過鏡頭捕捉畫面并在圖像傳感器上產(chǎn)生可移動電荷, 然后經(jīng)由圖像傳感器將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號、DSP 對數(shù)字信號處理后,在屏幕上呈現(xiàn)圖 像。因此,除鏡頭捕捉畫面能力強弱外,圖像傳感器也是影響攝像成像效果的關(guān)鍵因素。
根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院估算,2018年單顆攝像頭成本構(gòu)成中,約52%來自于圖像傳感器、 20%來自于鏡頭、19%來自于模組封裝,僅6%和3%來自于音圈馬達和紅外濾光片。目前,圖像傳感器可分為CCD(電荷耦合器件)傳感器和 CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體) 傳感器(CIS)兩大類。CCD圖像傳感器是一種用于捕捉圖像的感光半導(dǎo)體芯片,其所捕捉到的畫面中每個像素的電荷數(shù)據(jù)會依次傳送到下一個像素中,由最底端輸出后經(jīng)傳感器邊緣放大后輸出。CIS是將圖像信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生電流或電壓信號,在CMOS晶體管開關(guān)陣列中直接讀取,無需逐行讀取,因此在靈活性和集成度上顯著優(yōu)于CCD。圖像傳感器尺寸是影響感光元件成像效果的關(guān)鍵因素,即傳感器尺寸越大,感光面積越大,成像效果越好。
盡管CCD在靈敏度、分辨率和噪音控制等方面表現(xiàn)均好于CIS,但隨著CMOS工藝發(fā)展以及手機像素升級,CIS 低功耗、高集成度的特性使得其能夠在實現(xiàn)高像素、大感光面積的同時有效控制成本,因而成為高像素時代手機圖像傳感器的首選方案,因此也稱作CMOS攝像頭模組(CMOS Camera Modules,CCM)。
攝像頭模組主要由軟板排線(FBC),攝像傳感器/感光器件(Image Sensor/CMOS),紅外濾光片(IR Filter),基座(Holder),鏡頭組(Lens Set),基板(Substrate),音圈馬達(VCM),印刷電路板(PCB)等組成,其主要部件的主要功能分別為:
鏡頭(Lens)
鏡頭相當(dāng)于攝像頭模組的眼睛,外部的光線通過鏡頭調(diào)整后進入攝像頭模組內(nèi)部。
圖像傳感器芯片,簡稱CIS(Camera Image Senor)
攝像頭模組的核心部件,光線通過鏡頭進入攝像頭模組后,在CIS上成像,CIS將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>
音圈馬達,簡稱VCM(Voice Coil Motor)
VCM的主要功能是為了實現(xiàn)攝像頭模組的自動對焦(Auto-focus)功能,通過改變VCM的驅(qū)動電流,通過VCM可以調(diào)整鏡頭的位置,從而實現(xiàn)對焦功能。
紅外濾光片(IR Cut filter)
IR Cut filter濾除掉紅外光,保證達到CIS的光線為可見光。
圖像信號處理器,DSP(Digital Signal Processor)
CIS輸出的圖像信號,經(jīng)過DSP初步處理后,傳輸給手機的處理器,完成屏幕上的成像。
目前主流的封裝技術(shù)分為三種,一種為傳統(tǒng)芯片級封裝生產(chǎn)工藝流程CSP技術(shù)(chip size package),具體又分為FF模組生產(chǎn)工藝流程(適用于8W-300W像素)與AF模組生產(chǎn)工藝流程(適用于500W像素含以上),另外的為COB技術(shù)(chip on board),以及FC(flip chip)技術(shù)。
CSP技術(shù)的特點是,制造設(shè)備成本低廉,但是封裝成本較高,主要的缺點是封裝出來的手機攝像頭模組厚度較高,鏡頭透光率一般,容易出現(xiàn)鬼影。
COB技術(shù)的特點是,制造設(shè)備成本造價較高,一條產(chǎn)線的造價大概為1000萬人民幣左右,但是封裝成本較低,由于COB封裝必須在無塵的環(huán)境下進行,因此良品變動率較大,制程時間相對更長。
FC技術(shù)的特點是,制造設(shè)備成本最高,一條FC制程的生產(chǎn)線成本是COB制程的生產(chǎn)線成本的1.3倍到5倍左右,也就是1300萬到1500萬的造價,但是其最大的優(yōu)勢在于封裝出來的攝像頭模組厚度最薄,可以說是攝像頭模組封裝領(lǐng)域最新潮的下一代封裝技術(shù)。
以AF模組為例,CMOS攝像頭模組的生產(chǎn)工藝流程簡單概括為如下步驟:原物料清洗、Die Bond、Wire Bond、old Mount、Lens/VCM組立、Lens/VCM Mount、后段測試。
攝像頭模組結(jié)構(gòu)非常精細,內(nèi)部多處元件有點膠工藝要求,主要用到的膠水主要有:UV膠,底部填充膠,低溫固化膠等等。
1、LENS攝像頭調(diào)整焦距后,需要用UV膠進行固定;
2、攝像傳感器(Sensor)需要underfll底部填充工藝;
3、IR濾光片與Holder基座固定,需要涂一條寬度在0.2~0.3mm的膠固定,推薦采用高強度UV膠。
4、音圈馬達VCM中的磁鐵、彈片、墊片和YOKE等,推薦采用低溫固化膠進行固定。
5、FPC補強,推薦使用UV膠。