MEMS - 2. 카메라모듈 혁신

출처 : http://blog.daum.net/oomoolan/13379277

휴대전화기용 카메라 모쥴의 모든 제조공정이 반도체 메이커에서 실현 할 수 있게 된다. 렌즈의 제조나 모쥴의 조립 공정이 종래의 기계가공이나 수작업에 의존한 방법에서 MEMS가공기술로 교체되기 때문이다. 그것도 200~300mm직경의 웨이퍼에 의한 웨이퍼 레벨에서의 일괄처리에 의하여 저코스트로 대량생산이 가능하게 된다.

 

업계구도에 큰 변화

반도체 메이커의 일관공정이 됨으로써 카메라 모쥴의 업계 구도는 확 변한다. 지금까지 카메라 모쥴은 사용하는 이미지 센서, 렌즈, 하우징 등의 부품을 각각 제조해 왔다. 주로 이미지 센서 메이커가 렌즈나 하우징 등을 조달하여 조립하고 있었다. 혹은 조립을 어셈블리 메이커에 위탁하고 있었다. 이 때문에 카메라 모쥴 어볘는 복수 업계의 부품메이커와 모쥴화하는 기업이 역할분담하여 성립되고 있었다. 제조 프로세스의 반도체화에 의하여 이러한 역할분담 구조에서 반도체 메이커가 모든것을 커버하는 구조로 바뀐다.

이에 따라, 반도체 메이커가 단독으로 렌즈 유닛까지 제조하고 모든 부품을 웨이퍼 레벨에서 조립하는 웨이퍼레벨 카메라 모쥴이 이르면 2009년에 등장한다. 웨이퍼 레벨 카메라 모쥴은 우선은 고정초점형의 저코스트 제품부터 적용이 시작되어 오토 포커스 제품이나 고해상도 제품에로 응용범위를 확대시켜 간다. 대만 TSMC등의 Si파운더리에서도 웨이퍼 레벨 카메라모쥴의 생산을 가능하도록 준비를 서두르고 있다.

 

저비용의 내열렌즈도 MEMS로 양산 가능

이러한 변화가 가능하게 된 것은 저코스트의 고내열 렌즈가 MEMS가공기술에 의하여 실현되게 되었기 때문이다. 휴대전화기에서는 제조 코스트 저감을 위하여 자동실장화를 단말 메이커가 권장하고 있다. 여기서 필요하게 되는 것은 솔더 리프로에 견딜 수 있는 고내열 렌즈이다. 그러나 종래의 제조방법에 의한 고내열 렌즈는 고가이기 때문에 채용이 진행되지 않았다. 종래의 고내열 렌즈에는 유리성형에 의한 비구면 렌즈와 열경화성수지에 의한 비구면 렌즈가 있다. 유리성형품에서는 생산효율이 낮기 때문에 제조코스트가 높다. 이것은 SiC등의 금형에서 유리 전이점 온도 이상의 고온으로 유리르 성형하여 천천히 압력을 걸어 일정시간을 유지하고 냉각한 상태에서 금형을 뽑는 프로세스를 사용하여 만든다. 그것도 1회에 처리할 수 있는 것은 10개 정도로 적다. 가격은 내열 렌즈가 아닌 제품의 2배 이상이다. 예를들어 VGA640*480화소용의 2매구성품으로 0.5달러이다.

한편, 열경화성 수지품은 수지의 코스트가 유리에 비하여 높은데다가 제조공정에서 수지의 손실이 많다. 수지의 손실은 사출성형으로 다수개를 얻는 경우, 금형 내부의 수지 유로(流路)를 만들기 때문이다. 이 체적은 렌즈보다 크다. 열경화성 수지품에서는 가격 이외에도 수지이기 때문에 생기는 문제로서 성형시의 수축이나 흡수율이 높아서 특성변화가 해결되지 않고 있다. 가격은 VGA의 2매 렌즈 구성품으로 약 1달러 이상으로 비내열품은 물론 유리성형품과 비교해서도 비싸다.

이에 비하여 MEMS가공기술을 사용한 고내열 렌즈는 양산 개시 당초부터 1달러 이하로 가능하다. 생산규모가 확대되면 가격을 기존품의 0.5달러보다 낮출 가능성이 있다. MEMS가공기술을 사용한 렌즈가 저코스트로 되는 것은 생산효율이 높은데다가 수지재료의 사용량이 적기 때문이다. 처리시간이 길어져 버리는 경우는 있지만 일괄 처리가 가능한 개수의 단위가 크게 다르다. 유리와 수지의 하이브리드 구조이기 때문에 고내열성 수지는 유리기판 위에 직경 1.5~2mm, 높이 150um밖에 올리지 않고, 렌즈 전체에 대하여 1/5 체적에 지나지 않는다. 더욱이 쓸데없는 수지를 만들지 않는 제조프로세스를 채용하고 있다. 이때문에 사출성형으로 동등의 열경화성수지렌즈를 형성하는 경우와 비교하여 수지의 사용량이 최대 수십분의 1로 해결된다. 흡수율에 의한 특성변화의 영향도, 렌즈를 구성하는 수지의 비율이 적기 때문에 영향은 거의 없다. 이러한 코스트와 성능면에서의 우위성으로부터 MEMS렌즈는 앞으로 급속하게 보급되어 갈 가능성이 높다.

 

유리와 수지의 하이브리드 렌즈 양산

MEMS렌즈는 저코스트와 내열성을 모두 갖추기 위하여 유리와 수지의 하이브리드 구조를 채용하고 있다. 유리 기판의 앞뒤 양면에 고내열수지에 의한 비구면 구조를 형성하여 렌즈가 된다. MEMS가공기술은 고내열 수지 구조를 형성할 때 사용된다.

구체적으로는 MEMS용의 마스크 얼라이너와  나노임프린트 장치를 이용하고 있다. 이에 비하여 종래의 내열성 렌즈는 유리 성형품에는 유리성형기, 열경화성 수지품에는 사출성형기를 사용하고 있었다.

렌즈의 구조는 고내열수지로서 UV(자외선)경화수지를 사용한 경우 다음과 같이 진행한다.

먼저, 유리기판의 단면 중앙에 수지를 액하한다. 다음으로 금형을 주지에 눌러대고 기판전면에 수지를 눌러퍼트리면서 금형내에 수지를 충진시킨다. 금형내의 수지를 충진시킨 상태에서 금형과 유리기판의 평행도를 맞추기와 최종 위치 맞추기를 실행한다. 이 공정을 위하여 UV투과성이 있는 금형을 사용한다. 주로 석영이나 Si계 고무 등 투명재료를 사용하고 있다. 유리기판의 반대측의 면에도 계속해서 같은 프로세스를 적용하여 유리기판을 수지구조사이에 끼운 구성으로 만든다. 그 후 유리기판의 하면의 금형을 박리하고 다음으로 상측의 금형을 박리한다. 이 방법으로 형성된 고내열수지렌즈기판을 2매 준비하여 수지로 만든 스페이서를 끼워 웨이퍼 레벨로 접합한다. 렌즈용 캡, 적외선 차단 필터도 웨이퍼 레벨에서 접한하여 렌즈 유닛을 웨이퍼 레벨에서 조립한다.

이처럼 유리와 수지의 조합에 의한 렌즈구성 자체는 새로운 것이 아니다. 광디스크 구동장치용 광 픽업용 등 좁은 범위의 파장을 취급하는 용도에서는 실용화가 이미 되어 있다. 이번 촬상소자용에서는 가시광의 폭넓은 파장에 대응시켰다.

 

3단계로 웨이퍼 레벨 카메라에 진화

MEMS에 의한 카메라 모쥴의 제조혁신은 3단계로 진행된다. 어느쪽의 진화에도 MEMS가공기술이 공헌한다. 관통전극형성, 기판접합, 수지렌즈의 웨이퍼 레벨 형성이다.

제1단계는 관통전극의 채용을 계기로 2008년 경에 시작한다. 이미지 센서 칩의 유리 봉지, 관통전극과 재배선층, 솔더볼의 형성을 웨이퍼 레벨에서 실시한다.

제2단계가 되면 여러장의 렌즈를 모은 렌즈유닛을 웨이퍼 레벨에서 제조한다. 2장의 렌즈기판을 웨이퍼 레벨로 제조하여 스페이서나 적외선 차단필터, 렌즈용 캡과 웨이퍼 레벨로 접합한다. 이 부분을 개별로 나눈 후에 이미지 센서 칩 위에 개별 실장한다. 이것은 렌즈 유닛과 이미지 센서의 면적이 다른 것과 렌즈 유닛의 수율이 낮은 것이 기인한다.

제3단계에서는 렌즈 유닛과 이미지센서 유닛이 모든 것을 웨이퍼 레벨에서 접합한다. 이것은 웨이퍼 레벨 카메라 모쥴이며 궁극의 모습이라고 할 수 있다. 이미지 센서 위에 렌즈, 스페이서, 렌즈용 캡 등을 순서대로 웨이퍼 레벨에서 접하여 카메라 모쥴로 만든다. 그리고 최후에 개별화한다.  

 

우선은 이미지센서 주변부터 변혁

이러한 진화에 맞추어 이미지 센서 메이커에 의한 카메라 모쥴 제조 조립의 내제화가 시작되었다. 제1단계인 이미지 센서 칩의 유리봉지, 관통전극과 재배선층, 솔더볼의 웨이퍼레벨 형성이 양산레벨에서 2008년에 시작된다. 이에 따라 조립 공정이 위탁에서 반도체메이커 내제로 전환된다. 예를들어 도시바는 관통전극을 채용한 이미지센서를 그룹 내부에서 일관생산으로 전환했다. 종래는 외부에 위탁하고 있었다. 일부에서이지만 부품을 개별 조립하고 있던 방법으로부터 반도체 메이커에 의하여 아주 익숙한 웨이퍼 레벨에서의 처리로 변했기 때문이다.

도시바 이외에도 ST Microelectronics, 미국 Micron 테크놀로지의 이미지 센서 부문인 Aptina Imaging도 고내열 렌즈와 관통전극의 양쪽을 채용한 카메라 모쥴의 제조를 자사에서 실시하고 있다. 고열렌즈에 관해서는 ST와 도시바는 MEMS기술에 의한 유리와 수지의 하이브리드품, Aptina는 유리성형품을 채용하고 있다. 각사 모두 샘플 출하중으로 2008년 중의 양산개시를 예정하고 있다.

 

렌즈 유닛이 웨이퍼 레벨 제조로

제2단계는 2008~2009년에 걸쳐 진행한다. 현재 웨이퍼 레벨에서 조립한 렌즈 유닛이 일부시장에 존재하고 있지만 대부분은 기존의 제조방법에 의한 렌즈 유닛이다.

현재 MEMS가공기술을 사용한 저코스트의 고내열 렌즈를 제품화 하고 있는 렌즈 메이커는 핀란드 Heptagon Oy, 네덜란드 Anteryon BV, 미국 Tessera 테크놀로지, 일본의 세이코 기연이 있다. 이 중 헵타곤, 안테리온, 테세라는 웨이퍼 레벨에서 렌즈 유닛을 조립한 후에 다이싱을 하고 있다. 이에 대하여 세이코 기연은 소형 렌즈의 특허를 많이 보유한 마일스톤의 기술을 사용하여 기존의 렌즈와 같은 사양의 구슬모양 유리기판에 1개씩 비구면의 수지구조를 형성하는 방법을 채용하고 있다. 세이코 기연은 앞으로 개편화(個片化)전의 유리기판에 수지를 형성할 가능성이 있다.

 

2009년에 웨이퍼 레벨 모쥴로..

제3단계가 되는 카레마 모쥴 모든 것의 웨이퍼 레벨 제조는 2009년 중에 시작된다. 예를 들어 ST는 2009년 중에 제품화할 차세대품을 웨이퍼 레벨 카메라 모쥴로서 제조할 계획을 갖고 있다. 이 단계가 되면 일반적으로 반도체 메이커는 카메라 모쥴을 전부 내제할 수 있다. 그것도 렌즈 유닛을 300mm기판에서 제조할 수 있게 되면 설비면에서 반도체 메이커의 친화성이 점점 높아진다. 이점에 관해서 웨이퍼 레벨의 유리 렌즈를 채용하고 있는 Aptina Imaging은 '제조 프로세스에는 반도체 기술을 필요로 하기 때문에 당분간은 반도체 제조기술을 갖고 있지 않은 메이커에 의한 생산은 어렵지 않을까..'라면서 반도체 메이커 만이 사업화하기 쉬운 입장이라고 지적하고 있다.

 

자동차와 캅셀 내시경에도

MEMS가공기술을 사용한 카메라 모쥴은 1억개 규모의 양산 단계가 되면 더욱 저코스트화가 진행되어 응용분야를 한꺼번에 확대시킨다. 자동차, 홈시큐리티, 게임기, 캅셀내시경 등 새로운 분야에 시장을 확대해 갈 가능성이 높다. 이러한 용도에의 확대를 넘보고 있는 카메라 모쥴 메이커와 렌즈 메이커는 고화소품과 오토 포커스 대응품의 개발을 진행하고 있다. 예로 Anteryon은 현재의 VGA(31만화소), UXGA(200만화소)급 뿐만이 아니라 2009년중에 300만화소의 렌즈 유닛을 투입할 예정이다. Heptagon에서는 '현재의 2장렌즈품 만이 아닌 3장렌즈의 제조기술도 이미 확립하고 있다' 고 한다. 또한 소프트웨어에 의한 오토 포커스 기능의 개발도 용도의 확대 배경이 되고 있다. 고정초점형과 같은 높이, 면적의 저코스트 카메라 모쥴로 오토 포커스가 실현가능하기 때문이다.

더욱이 MEMS가공기술을 이용함으로써 고액 수지를 사용하여 렌즈를 고기능화하기 쉽게 된다. 유리와 수지의 하이브리드 구조가 되어 수지의 사용량이 적기 때문이다. 렌즈 재료로서 수십만엔/kg의 고기능 수지를 사용한다면 종래의 수지렌즈에서는 어려웠던 800만화소품 등 유리제 렌즈의 응용범위까지 대상으로 할 수 있게 된다.