穿戴式應用產品外型設計輕薄，對元件體積與厚度極為要求，晶片業者遂開始引進先進矽穿孔(TSV)製程技術，取代傳統銲線封裝方式，藉此打造厚度僅約0.32毫米的環境光感測器(ALS)，同時減輕因濕度所導致的腐蝕問題，進而提升元件可靠度。此類超小型環境光感測器的誕生，將能讓智慧手表及運動手環等穿戴式裝置設計師，更容易提升感應精確度與靈敏度，確保最佳使用者體驗。
在現今的穿戴式醫療保健市場中，相關消費性電子產品的背光顯示器愈來愈薄，也因此，設計人員亟需一個可被整合進較薄背光顯示器的環境光感測器(Ambient Light Sensor, ALS)。智慧手機的普及，加上設計者追求更好的使用者體驗，促使極高比例的觸控螢幕手機皆已導入ALS，在這些顯示器的管理應用中，利用ALS自動控制背光強度能確保最佳使用者體驗，同時還能延長電池壽命。
然而，針對持續進化的穿戴式裝置打造ALS，所面臨的重大挑戰之一就是這個ALS必須非常薄，因為它通常是直接黏著在觸控螢幕顯示器的軟性印刷電路板(PCB)上。此外，這個感測器的精確度和敏感度必須夠強大，才能黏著在電子紙顯示器(Inked Glass)背面並正常運作。
光感測器技術在1950年代便已出現，從一開始的簡單光電二極體(Photodiode)和光電晶體，到智慧型光電感測解決方案，後者可提供更高的整合度、更低的操作電力，並包含抗雜訊數位匯流排介面。這些現代的環境光感測器解決方案包括光電二極體、類比數位轉換器(ADC)、用來中斷持續性和臨界值(Threshold)事件的控制邏輯，以及一個快速模式I2C數位介面。
由於此類感測器具有數位介面和中斷能力，因此非常適合用於基於微控制器(MCU)和微處理器(MPU)的應用，例如智慧手表等。如圖1所示，ALS感測器是透過數位I2C介面連結智慧手表方塊圖中的應用處理器。
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| 圖1 智慧手表方塊圖 |
ALS設計首重適光及矽晶片響應
大部分消費性電子裝置，包括穿戴式產品在內，成本效益都是一個重要因素。基於此一要素，利用互補式金屬氧化物半導體(CMOS)光電二極體製成光感測器，方能提供低成本解決方案。然而，在紅外線(IR)區域中，CMOS矽元件的光譜響應是介於300∼1,100奈米(nm)之間，而峰值落在700nm左右。如圖2所示，人眼可見光的範圍落在390∼750nm波長之間；圖3則顯示，人眼可見光範圍僅占光電二極體響應區域的一小部分。
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| 圖2 人眼可見光譜 |
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| 圖3 矽元件響應能力和適光響應關係圖 |
要製造一個可靠的ALS，挑戰就是在於要讓它能和人眼一樣，可看見390∼750nm波長，但是不能對300∼390nm的紫外線和750∼1,100nm的紅外線有反應。以奧地利微電子(ams)的TSL2584TSV光/數位(Light-to-digital)感測器為例，其利用一個靈敏度極高、專利的雙電晶體架構類比前端(AFE)，能將光線強度轉換為數位數值，進而像人眼一樣觀察環境光。
在一個具有數位I2C介面的微控制器上，使用一個能對可見光和紅外線光有反應的寬譜(Broadband)光電二極體，以及一個只對紅外線有反應的光電二極體。這兩個光電二極體的通道響應會經由照度方程式(Lux Equation)進行數學相減。以照度表示的環境光亮度程度，是利用近似人眼反應的經驗公式推導而來。
為最佳化ALS設計，新型ALS(圖4)包含一個晶片上適光(Photopic)紅外線阻斷干擾濾波器，它能排除不需要的紫外線和紅外線所產生的近適光(Near-photopic)反應，如此能產生高度精確的照度量測，不論玻璃透射度如何，就算是安裝在非常不透明的深色玻璃後也是一樣。透過先進的濾波器沉積技術，便能提供較目前市面上其他濾波器更精確和可重複性更高的適光濾波器。
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| 圖4 新型ALS示意圖 |
此外，此一適光濾波器幾乎沒有溫度或濕度的變化，並直接沉積至矽晶片上。新型ALS的光譜響應如圖5所示。
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| 圖5 新型ALS光譜響應圖 |
微型/無玻璃封裝特性亮眼 TSV搶進ALS設計
另一方面，ALS元件透過矽穿孔(TSV)技術實現小尺寸封裝，更能滿足穿戴式產品對於小尺寸的需求。由於擁有內部(In-house)晶圓製造技術的優勢，奧地利微電子已針對先進光感測器技術採用TSV封裝技術，進而除去銲線(Wire Bond)需求，讓裝置的輸入/輸出(I/O)接腳能直接連結至銲球(圖6)，以便設計及製造出從根本大幅改善的IC封裝，不僅體積較小且能提供更佳的裝置效能。
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| 圖6 TSV封裝技術 |
TSV技術利用蝕刻穿孔通至矽晶圓，鎢會沉積至這些蝕刻孔中，一個背面重分布層(BRDL)透過此穿孔沉積至布局完成的銲球位置，然後會附加SAC305(Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金組成)或類似的無鉛銲球；如此一來，封裝整體高度僅有0.32毫米。如圖4所示，新型TSV ALS的封裝尺寸極小，為1.145毫米(mm)×1.66毫米，高度是0.32毫米，幾乎是同級產品尺寸的一半。
除去銲線，並將訊號直接向下布線通過穿孔，這個通道是在矽製程中形成的，如此能減少整體封裝高度(圖7)。此外，由於此類設計不須採用銲線連接IC和封裝， 因此能將互連電感降至最低。
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| 圖7 除去銲線可降低封裝高度 |
TSV另一個重要特性則是無玻璃封裝，相較於晶片尺寸封裝(Chip-scale)，這有助於進一步降低整體Z軸高度。由於TSV封裝中沒有玻璃材料，因此不只是Z高度得以降低，這種無玻璃封裝也非常適用於不同的產品中，當與紫外線通過濾波器搭配時，可以提供紫外線偵測功能。
TSV封裝也能顯著提升元件可靠度，因為它能最大限度地減少因濕度所導致的腐蝕，並能提升溫度循環效能。TSV封裝已將內部與封裝互連，不像某些晶片尺寸封裝需要金屬邊緣連接，因此新型ALS的可靠度可提升至濕度敏感度等級-1標準(Moisture Sensitivity Level-1 Standard)，這讓它非常適合用於濕度較高的環境中。
沉積在ALS上的適光干擾濾波器相當密集，耐用性極高且具有高度抗刮損特性，類似用於晶片尺寸和微機電系統(MEMS)封裝中的玻璃。在高加速應力測試後，適光濾波器的光譜響應沒有發生退化或光譜偏移，這是因為它的濾波器特性對於溫度和濕度變化並不敏感。
穿戴裝置成長可期 ALS市場需求水漲船高
在2014年，穿戴式市場初萌芽，僅有兩千四百萬個智慧手表及運動手環的規模；而根據最近一份由BI Intelligence發布的報告指出，預計穿戴裝置市場在2014∼2018年將以高達35%的年複合成長率增加至一億三千五百萬個裝置出貨水準。
由於穿戴式市場持續進展，小尺寸、精確、高敏感度ALS解決方案的問世，將能讓智慧手表及運動手環等穿戴式裝置的設計師，更容易將環境光感測功能整合至最薄的背光顯示器中。ALS感應精確度和敏感度等效能的提升，更使其能安裝在電子紙玻璃後，且能自動控制背光強度確保最佳的使用者體驗。
(本文作者為奧地利微電子資深產品行銷經理)