愿景：“中国晶圆级集成光学领军企业”，华天慧创硬科技创业之路（上）

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2024-09-25 16:07 华天慧创

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起源

2007年1月9日，在美国旧金山的马士孔尼会展中心举办的Macworld大会上，苹果公司正式发布了初代iPhone手机产品。她搭载了三星S5L8900芯片和iOS操作系统，内置了一块1030毫安时的不可拆卸电池，并配备了一颗200万像素的后置摄像头。尽管该摄像头不支持调整分辨率，用户无法选择其他拍摄设置或启用夜间模式，同时缺少闪光灯和前置摄像头，白平衡表现也并不突出，但在实际测试中，iPhone的相机表现出色，拍摄的照片质量上乘，色彩鲜明，轮廓清晰。就总体而言，它仍能让用户感到满意。

后置摄像头采用了 Micron（美光）制造的MT9D112图像传感器，该传感器的影像处理技术来源于美光旗下子公司 Aptina Imaging。这是一款基于前照式CMOS技术的产品，“底”的大小为1/4英寸且拥有200万像素——对应2.2微米的像素尺寸。其后2008年六月份发布的 iPhone3G，依然采用了这款传感器。不过就在第二代iPhone发布的前几天，美光却宣布将专注于内存业务，决定分拆 Aptina Imaging，并出售大部分股权予两家私募基金公司。

苹果公司通过创新的CMOS图像传感器技术，使iPhone的摄像功能领跑行业，开启了数字图像新纪元。基于TSV（硅穿孔）技术的CMOS图像传感器在提升图像传感器性能和功能集成度方面具有显著优势。TSV技术允许在垂直方向上堆叠多个芯片层，实现芯片层之间的直接电连接，这不仅显著提高了封装密度，缩短了信号传输路径，减少了延迟，还实现了CIS芯片的小型化。对于需要高速处理和高分辨率图像的应用，如专业摄影、视频监控和医疗成像，基于TSV的CIS封装技术能够提供更快的图像处理速度和更高的图像质量。

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并购

华天科技敏锐地捕捉到了这一趋势，深刻认识到TSV技术在大规模封装CMOS芯片领域所蕴含的巨大商机。同时，WLO技术能够助力行业从业者运用先进的类半导体技术，设计和制造出晶圆级微型光学元件。这不仅利于缩小移动装置相机模组的尺寸，而且更具成本效益。该技术的应用范围极为广泛，从单片CIF/VGA镜头到多片式百万像素镜头结构，配合专为影像传感器设计的SHELLCASE MVP晶圆级封装（WLP）解决方案，WLO技术能够生产出更为小巧、成本更低的相机模组。

传统的手机摄像头由10—20个不同的组件构成，这些组件包括透镜、光瞳器件、障板器件、驱动器、透镜支架、圆筒、滤光片以及图像传感器等。这些组件不仅加工工序众多，而且尺寸小型化的工艺难度大，成本高昂，无法满足市场对小尺寸镜头模组的需求。

WLC所有组件在200mm晶圆（8英寸）上制造，该堆叠晶圆会被切割加工成约4000个摄像头模块，每个摄像头，包括光学组件在内都使用标准半导体技术完成。

昆山西钛微电子科技有限公司成立于2008年6月10日，专注于超大规模半导体封装、测试及模组生产领域。拥有三大支柱项目：晶圆级芯片封装TSV、晶圆级光学镜头WLO、晶圆级摄像模组WLC。在当时，西钛微是全球唯一实现使用TSV技术进行芯片级封装量产且良品率达到95%以上的厂商。

2009年西钛微获得Tessera OptiML晶圆级光学（WLO）技术授权。这一技术是针对新一代移动电子产品所研发的新技术，而西钛微运用该技术设计小型化模组，提供给手机与笔记本电脑的应用中。

鉴于对封装业务管理的深入了解以及对TSV和WLO市场的积极预期，华天科技于2011年参股西钛微35%股权，并以股权托管方式，将表决权提至51%以上，纳入公司财务报表合并范围，但净利润仍按实际持有比例纳入合并财务报表，不影响公司的每股收益。

在2011年之前，西钛微的客户仅有Aptina与Sony两家。从2012年开始公司积极调整战略，将TSV和WLO代工业务打入了格科微、斯比克（其终端客户包括联想和宇龙）等国内智能手机产业链公司。同年，西钛微国内外产品销售额比例达到了1:1，整体销售情况良好。

Roadmap-2011年：

2009年8月11日，Aptina公司（前文提到，初代iPhone CMOS供应商）发布了MT9V114 VGA图像传感器。这款优秀的摄像头系统芯片（SOC）专为移动电话、笔记本电脑、上网本、游戏以及视频会议应用而设计的。Aptina市场领先的1.75微米像素尺寸架构及生产工艺为MT9V114 VGA图像传感器带来了性能提升，在低照度环境下也能保持较好的感光性，这样一款1/13英寸VGA低端系统芯片传感器的总体性能甚至能和2.2微米像素尺寸的1/11英寸VGA传感器相媲美。

Aptina和西钛微展开深度合作，搭载最新TSV和WLO技术的新款传感器让超小型摄像头模块高度低于3mm，可以应用于手机的前置摄像头，以及追求轻薄设计的新一代笔记本电脑摄像头。新款系统芯片可为个人笔记本电脑和移动视频会议应用提供视频功能，更能在VGA分辨率下稳定输出每秒30帧的流畅画面，为用户带来卓越的视觉体验。

Sony ST25i是Sony于2012年推出的一款智能手机，搭载Android 2.3操作系统，采用意法爱立信的NovaThor U8500双核处理器，机身背面配备了一枚500万像素摄像头，应对日常的拍摄需求。而机身正面配备的30万像素自拍摄像头，正是采用了Aptina和西钛微合作的晶圆级集成光学模组。西钛微使用原产地瑞士的EVG IQAligner自动化紫外线纳米压印光刻系统生产该模组，压印母版为3000穴的8寸金属模具，最大日产能40K。

量产机型展示：

面对国内外各大手机厂商前置摄像头需求的蓬勃发展，西钛微充满期待地规划未来三年技术路线：从1/13英寸到1/4英寸更大靶面的CMOS、从2G到5G的更多镜片数、从定焦到变焦、从30万像素到800万像素的巨大飞跃。可惜由于设备精度和材料性能未能跟上手机模组行业高像素的快速升级，晶圆级集成光学模组技术最终止步于2012年的200万像素定焦方案。该方案由于面型变异，周边解析力不足，仅仅做到样品阶段。

在非手机小型化摄像头领域的探索，西钛微也考虑过进军工业内窥镜行业，寻求与Welch Allyn、Olympus、Storz等国际巨头合作。然而，工业检测相比手机拍照的工作环境需要更高可靠性的摄像装置，往往采用冷加工玻璃组成镜头。彼时，一次性内窥镜市场尚未诞生。

2013年，华天科技持股比例达到80.19%，同年，昆山西钛微电子有限公司更名为华天科技（昆山）电子有限公司。

2014年，安森美以4亿美元完成收购首家商业化CMOS的Aptina Imaging Corp。

2016年，豪威科技（OmniVision Technologies）推出首款应用于医学领域的晶圆级摄像头模组：OVM6946。该镜头模组搭建在豪威科技的OmniBSI+像素结构之上，是业界中一次性内窥镜里最具性价比的单芯片成像解决方案。外形尺寸为1.05 mm x 1.05 mm x 2.27mm（长宽高），视场角达到120度，聚焦范围可从3mm增加到无穷远。此模组引脚减少，长距离传输后模拟信号的信噪比不会有较大的降低，可无缝集成到一次性内窥镜中。

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迁移

2018年3月，伴随公司发展需要，华天科技将晶圆级光学镜头WLO、晶圆级摄像模组WLC业务从昆山剥离。诸多的骨干人员也跟随公司的脚步，和整个WLO、WLC产线一同转移至西安，成立了华天慧创科技（西安）有限公司。除核心人员和生产设备外，华天慧创还转移了西钛微核心专利10余项：半导体芯片的TSV封装结构及其封装方法、阵列式免调焦光学摄像头模组、非球面复制胶水辅助加工工艺及其装置、单片式旋转刻蚀装置等发明或实用新型专利。

品管部主管刘亮回忆了当时的情况：“2016年4月，在这个行业摸爬滚打8年后，满怀信心的我加入了华天昆山WLO质量部。彼时，昆山华天收购了西钛微，刚刚经历了重组。由于未来方向不明确，品质工程师纷纷离职，我也被调配到华天昆山封装车间BUMPing产品生产线担任量产品质组长，在随后的工作中兼任了原材料品质管理的工作。

在封装车间量产工作积极开展的同时，我也注意到原本消沉的WLO、WLC事业部整旗鼓，开始发力光学指纹模组、半导体指纹模组以及扫码镜头模组，一时间扭亏为盈，我开始考虑重新回到我所执着的WLO事业部开展质量工作。

2018年3月，一位同事告诉我他所属的WLO部门要搬回西安老家创立西北第一家涵盖设计、开发及制造的光学企业——华天慧创，新公司、新机遇、新挑战，回想坚持了8年又放下的WLO方向，我果断离开昆山，回到西安加入了华天慧创。”

工艺开发部部长刘守航也分享了他的视角：“华天慧创科技（西安）有限公司是被华天科技收购的西钛微电子科技有限公司（Q-TECH）内部的WLO和WLC事业部的延续。

我自2012年7月1日加入西钛微电子WLC（晶圆级模组）事业部，当时正是WLO堆叠镜头和WLC模组的高峰期，其主要客户为索尼、宇龙酷派。印象中最深刻的事——当时产品批量在客户端测试中曝出“彩虹纹”异常，异常比例10%—20%。为了解决此异常，同时满足交付计划，公司召集我们成立了攻克小组。最终，小组成员不舍昼夜，从材料应力、结构优化以及光学方面着手分析，将“彩虹纹”不良从根本上解决。

晶圆级光学在手机行业的辉煌却是短暂的，智能手机对摄像头模组更高像素的需求急速攀升，晶圆级光学加工设备和材料尚不成熟，导致WLO和WLC技术还无法应用于200W以上像素的前、后置摄像头，订单逐渐萎缩，最终导致WLO和WLC两个部门合并。

这期间，我们也努力地想摆脱技术困境，提高WLO镜头模组高像素效果，我们开始阵列式透镜研究，经过开发团队的努力，最终做出了1*2和4*4等阵列式透镜模组样品。

重组后的WOC事业部，我承接了工艺小组组长一职，在原有晶圆级光学技术的支持下，开发并小批量产了一款长度20cm的喉镜模组，以及一款带血氧监控功能的手环模组，该产品持续生产至2016年。

2016年至2018年，事业部转向光学指纹模组生产，再度实现了扭亏为盈。在集团领导的规划下，WOC事业部整体转移至西安总部，我被任命为光学指纹模组主管。

华天慧创科技（西安）有限公司成立后的第一年，公司转向COB模组生产。华天慧创所拥有的先进制程能力对于COB模组来说，是毫无难度的降维打击，COB模组项目顺利导入量产。与此同时，华天慧创仍保留了WLO与WLC的核心技术人员，对阵列式透镜进行持续探索。最终，在首席科学家周浩（西钛微前总经理）的建议下，华天慧创坚定了纳米压印－晶圆级光学设计和加工这一路线。

2020年12月10日，以华天科技（昆山）电子有限公司作为责任单位，华天慧创科技（西安）有限公司作为主要参加单位的02科技重大专项“阵列镜头智能成像TSV-CIS集成模块工艺开发及产业化”（项目编号：2014ZX02502）项目及所属课题，通过综合绩效评价。总预算1.24亿，其中：中央财政4119万，地方财政3804万，自筹资金4433万。

本项目将以阵列式影像传感模组（即前文提到的“阵列式透镜”）和高分辨率影像传感器模组为应用产品，依托公司现有的TSV 封装、WLO 制造和摄像模组组装的技术优势，联合格科微电子卓越的CIS 芯片设计的能力，和产学研联合开发的高性能场景摄像的三维图像解析方案，开发具创新性的高像素，三维集成，场景摄像等新型摄像模块产品，达到高性能、低成本、高可靠性的TSV-CIS 摄像模组新产品的产业化目标，打造国产影像传感器模组产业链。

电子复眼又称光场相机，或者阵列相机。与传统摄像头有较大不同的是，电子复眼使用3X3或者4X4的较低像素阵列取代原有单个摄像头。此项技术不需要阵列中每个摄像头有很高的像素，然而整体的阵列通过后端算法处理可以得到较高的像素。

电子复眼对于组成它的摄像头一致性有较高的要求。晶圆级摄像头由于采用半导体工艺，拥有非常明显的一致性优势。同时晶圆级镜头一次同时制造3000—5000个镜头，在制作过程中可以直接切割成需要的阵列，排布精确。可以说晶圆级摄像头就是生产电子复眼的最优解决方案。

电子复眼有3大优势：

1.先拍照后调焦：普通相机只能选择一个清晰的焦距，其余的部分均为模糊的。阵列相机则对一定景深范围内的数据实施全部采集，因此可以实现事后调焦的功能。

2.3D成像以及尺寸测量：由于电子复眼在成像过程中为全景深数据采集，因此电子复眼可实现一定范围内的立体成像。同样是基于其全景深数据采集的原因，电子复眼拍摄的图片可以直接进行测距，这样将给消费者生活带来极大的方便。

3.较传统高像素摄像头轻薄30%—50%：传统摄像头内部构造较为复杂，像素越高，其厚度越大。用阵列相机后，摄像头厚度可以从6mm降低到3mm。

在02专项研发后期的2019年，华天慧创计划在智能手机出现的新需求——超薄光学屏下指纹模组上，再度商业化已积累十余年的晶圆级光学核心技术。

传统屏下指纹模组通过一组镜头将指纹图像信息聚焦到芯片上，其厚度约为3—5mm，空间占用大、电池容量也因此受限；而WLO超薄光学屏下指纹方案可将模组集成在手机中框，且厚度仅有0.56mm，不额外占用手机原有空间。Lens表面的每个准直孔的上方都集成了微透镜，通过微透镜即可获取足够丰富的指纹信息。光线进入微准直孔后，其他方向干扰光线会被过滤掉。最终投射在成像芯片上的就是进光量充足、信噪比高、图像清晰的指纹信息，不仅质量高易于识别解锁，还增强了抗干扰能力。

在WLO超薄光学屏下指纹模组项目的开发过程中，华天慧创成功克服了80微米晶圆玻璃基底压印碎片的重大难题，开发出COB芯片超薄封装Molding On Chip的先进工艺，收获了6项发明专利、8项实用新型。尽管项目开发过程十分顺利，但由于受到了终端核心客户被美国实体清单制裁、以及整体国产手机市场萎缩的影响，该项目最终未能成功推向量产阶段。

回首2008年到2022年这十四年间，华天慧创（及其前身西钛微电子）坚定地在晶圆级集成光学研发和制造的道路上砥砺前行。作为行业的先行者，我们一直认为WLO技术在传统折射光学和未来衍射光学上大有可为。经历过手机行业蓬勃兴起的前置摄像头量产时代，参与过国家科技重大专项的研发和测试工作，遗憾过苦心钻研的技术被市场放弃。但随着近两年华天慧创在新行业取得了新突破，一切向好发展，前景光明远大，我们全体同仁相信“华天慧创成为中国晶圆级集成光学领军企业”的愿景终会实现。

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企业介绍

华天慧创科技（西安）有限公司，地处西安经济技术开发区，注册资本2.22亿，项目总投资23亿，占地面积6.8公顷（自有），净化生产厂房及配套设施19万平米。