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自從蘋果公司（Apple Inc.）於 2017 年首次在 iPhone X 推出 Face ID 人臉辨識功能，取代了行之有年的 Touch ID 指紋辨識之後，各家手機廠商才開始注意到這個「以往只出現在電影場景裡的黑科技」。而這個能讓電子產品彷彿擁有視覺般，得以辨別使用者立體輪廓的3D感測模組，其中最關鍵的元件就屬近期紅透半邊天的面射型雷射－VCSEL。 |
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圖一 人臉辨識功能 （圖片來源：科技新報） |
VCSEL 是 Vertical Cavity Surface Emitting Laser 的縮寫，意即「垂直共振腔面射型雷射」（註1）。自從 1962 年的第一個半導體雷射二極體展示之後，陸續便有類似結構的元件發表。而現代公認的 VCSEL 發明者則是日本東京工業大學的伊賀健一 （Kenichi lga） 教授，1977 年他在實驗室筆記本上畫出了第一個 VCSEL 圖形（下圖二），並於1979年以液相磊晶（Liquid Phase Epitaxy, LPE）技術製備出 InGaAs/InP 材料的 VCSEL，開啟後續一連串的學術研究及商業應用。
註1：取自國家教育研究院頒布雙語詞彙、學術名詞暨辭書資訊網。
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圖二 手繪 VCSEL 圖形 （圖片來源：銀月光科技） |
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人類視覺vs.機器視覺 |
說起人類視覺與機器視覺最大的差異，在於人類能將看到的畫面直接解讀成具有深淺的三維空間訊息；機器視覺則是針對獲取畫面的每一個像素進行編碼，只能得到二維平面影像，而沒有物體遠近的訊息。因此，3D 感測技術是提升機器視覺能力、甚至進一步賦予機器與環境互動及行動化能力的關鍵。
3D 感測模組包含「發射源」及「偵測器」兩個部分，偵測器大致區分為 Si based CMOS 以及 III-V 類型，如 InGaAs 類的材料或是量子點等技術，根據不同的接收波段選擇適用的偵測器。發射源目前的主流是使用紅外光源（Infra-Red, IR），因為相較於可見光，紅外光源有更佳的訊噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。而由於紅外光波段有好幾個適合的波長，像是近紅外光（Near-IR, NIR）的 850nm、905nm、940nm 波段，短波紅外光（Short-Wave IR, SWIR）的 1,350nm、1,550nm 波段，因此，目前各廠商會各自選擇波段及發展相對應的模組。
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3D 感測模組-紅外光發射源 三大元件結構大比拚 |
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若以元件結構來區分紅外光的發射源，則可以分成三大類，如圖三所示，包括： （1）垂直共振腔面射型雷射（ VCSEL） （2）發光二極體（Light-Emitting diodes, LED） （3）邊發射雷射器（Edge Emitting Laser, EEL）
雖然 LED 及 EEL 仍有價格上的優勢，但考量元件穩定性及量產性，VCSEL 在更大的溫度範圍內能維持波長的穩定性，也更容易進行陣列封裝。綜整比較，VCSEL 在高輸出功率、高轉換效率和高品質光束各方面都勝出，因此被廣泛應用在 3D 感測的應用領域。
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圖三 3D 成像模組的紅外光源種類 |
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VCSEL 新發展—汽車自動駕駛系統 |
VCSEL 除了在光通訊及智慧手機的感測光源應用之外，汽車自動駕駛系統的關鍵感測元件－光學雷達（又稱光達、LiDAR），則是下一個帶動 VCSEL 發展的重大應用。LiDAR 全文為「Light Detection and Ranging」，是利用雷射感知探測距離的方法，藉由發射雷射脈衝並收集前方物體反射回來訊號的時間差，來進行距離推算、達到測量距離之目的。車用光達系統藉由同時發射、處理多點雷射脈衝的數據，就能構築成一個具有深度資訊的 3D 環境模型，再透過識別道路標誌、汽機車、行人等靜態及動態物體的位置動作，達到自主感知的目的，幫助車輛檢測路徑中的障礙物，進而實現避障、煞停、路徑規劃等自動駕駛的應用。此外，深度感測系統亦可安裝於車內，進行座艙內監測和乘客手勢感測，達成駕駛輔助或是提升乘客舒適體驗。
汽車產業一直朝著搭載高級駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance System, ADAS）的智能自駕車方向發展，汽車搭載光學雷達和深度感測系統已是必然的趨勢。而 VCSEL 元件和模組要應用在車載領域，就必須通過車規 AEC-Q102 的高標準驗證，範圍涵蓋晶圓製造、元件封裝、電性與光學功能及可靠度驗證等。在車用元件驗證的範疇裡，著重在如何有效降低失效率，其終極目標則是 AEC-Q004 所要求的零失效。整體車用光學離散元件驗證流程如圖四，藉由應用 6δ、統計製程控制 SPC （Statistical Process Control）等品管手法來有效控制失效率，並且藉由提高驗證樣品數量來保證更低的失效率。
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圖四 AEC-Q102 驗證流程圖 （圖片來源：AEC-Q102） |
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嚴格的車規驗證耗時漫長？閎康科技建立一站式服務 |
VCSEL 元件的車用可靠度驗證，包含了環境應力試驗、加速壽命模擬試驗、封裝強度試驗、結構強度可靠度及光學電性驗證等五大項試驗，為了縮短驗證時間，閎康科技建立了 One-Site Service 的一站式服務，特別引進 VCSEL 光學特性量測設備（圖五），在 AEC-Q102 驗證過程無須再送回客戶端執行功能驗證，直接在閎康內部即可完成，減少元件來回運送的時間，進而縮短整體驗證時間。
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圖五 VCSEL 光學特性量測設備 |
閎康科技在 AEC-Q 車用電子驗證有非常豐富的經驗，並已協助多家客戶成功通過嚴格的車規驗證。對於希望進入車用市場的客戶，閎康科技能夠提供全方位車用驗證服務，協助客戶順利取得進入車用市場的門票，讓產品能安心安裝在汽車上，成為車廠供應鏈的一員。
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圖六 閎康科技全方位車用驗證服務 |
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車用元件可靠度服務 |
車用驗證流程包含 Die Design、Wafer 製造、元件封裝、電性測試到可靠度試驗等，每個階段都有嚴謹的驗證項目。 閎康亦可協助客戶進行整體規劃方案，包括AEC-Q100、Q101、Q102、Q104、Q200等，詳細說明請點此，若有需求歡迎與下方服務窗口聯絡！
