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指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

日期: 2017-08-12
浏览次数: 2335

 

指纹识别模块可以分为:


1、光学指纹模块

靠光的折射和反射原理识别指纹。该类型指纹模块对使用环境的温度湿度都有一定的要求,并且在识别准确度上并不理想,再加上这种模块一般会占用更大的空间,使其难以在手机端有所作为。

 

2、电容指纹模块(半导体指纹模块)

通过电容的数值变化来采集指纹。该方式适应能力强,对使用环境无特殊要求,同时,硅晶元以及相关的传感原件对空间的占用在手机设计的可接受范围内,因而使得该技术在手机端得到了比较好的推广。目前的电容式指纹模块也分为划擦式与按压式两种,前者虽然占用体积较小,但在识别率以及便捷性方面有很大的劣势,这也直接导致厂商全都将目光锁定在了操作更加随意、识别率更高的按压式(电容)指纹模块。

 

3、射频指纹模块(刮擦指纹模块)

利用微量射频信号来探测纹路。这一类指纹模块最大的优点便是,手指无需与指纹模块相接触就能识别,基于这一点,射频指纹模块也成为了未来指纹识别的主要发展方向之一。

 

电容式指纹识别模组主要由芯片(硅晶元)、蓝宝石、金属环、软板、载板等组成,其中芯片也就是传感器部分,而蓝宝石负责作为保护层,金属环作为指纹识别的触发装置。从目前的行业情况来看,有没有蓝宝石保护层是不同价位指纹手机的主要区别之一,除此之外,各厂商所采用的指纹模块在组成上并没有太多大的不同。

 

指纹识别芯片的产业链也可以分为两大部分,一部分为芯片传感器电路方案和算法设计,另一大重要环节就是指纹识别芯片传感器的制造、封装以及模组制造:

 

 

 

1芯片设计环节

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

国外及其台湾的有:

美国苹果(收购了Authen Tec)

晶圆供给方:台积电

指纹识别方案:与Home结合正面按压

采用的手机:苹果手机

官网:http://www.apple.com/cn/

 

美国新思国际(Synaptics)(收购了Validity Sensors)

人机界面解决方案的领先开发商

指纹识别方案:滑动及按压式指纹识别

采用的手机:三星手机

官网:滑动及按压式

 

瑞典FPC(Fingerprint Cards)

晶圆供给方:台积电/中芯国际

指纹识别方案:主打背面按压式coating指纹识别方案,同时也有正面与侧面解决方案

采用的手机:华为、HTC、OPPO/VIVO等国内品牌手机

官网:http://www.fingerprints.com/

 

台湾茂丞科技(j-Metrics)

指纹识别方案:滑动及按压式指纹识别

官网:http://j-metrics.com/

 

台湾义隆

义隆电子指纹识别解决方案均可应用在带电池及无电池的智能卡,并适用于目前所有ATM机器及其他金融、支付、医疗、交通、车用等广大的应用范畴,义隆电子将持续的在指纹市场领先带动全球。

晶圆供给方:联电/Magnachip

官网:http://www.emc.com.tw/

 

台湾神盾科技

神盾在指纹识别领域深耕近10年,专精于电容式指纹识别IC的设计、研发、测试及销售。指纹算法处于行业领先地位。目前,神盾产品已被三星、联想等知名品牌公司采用,并凭借过硬的技术研发实力与产品品质,在业内形成了良好的企业及产品口碑。

晶圆供给方:台积电、联电

官网:http://www.egistec.com/

 

内地主要有:

深圳汇顶科技

晶圆供给方:台积电/ 中芯国际/韩国东部高科、德国X-FAB

指纹识别方案:触摸式指纹识别芯片

采用的手机:OPPO/VIVO、魅族等

官网:http://www.goodix.com.cn/

 

敦泰

是全球领先的人机界面解决方案提供商,拥有全球最完整的电容屏触控方案、全方位的TFT LCD显示驱动&控制方案、指纹识别方案以及Force Touch(压力触控)方案。敦泰推出业界最完整的指纹识别解决方案,可支持滑动式、按压式、小面积按压式三种从低到高的指纹IC方案,并采用安全性最高的硬件加密技术和自主研发的商业级算法

官网:http://www.focaltech-systems.com/

 

苏州迈瑞微

晶圆供给方:中芯国际

官网:http://www.microarray.com.cn/

 

上海思立微

晶圆供给方:中芯国际

官网:http://www.sileadinc.com/

 

深圳信炜科技

晶圆供给方:华润上华/中芯国际

官网:http://sunwavecorp.com/

 

深圳贝特莱

晶圆供给方:华虹宏力

官网:http://www.blestech.com/

 

北京集创北方

晶圆供给方:中芯国际/世界先进/台积电、华虹宏力

官网:http://www.chiponeic.com/

 

深圳比亚迪

指纹识别方案:2015年5月发布首款指纹芯片,均为按压式,有正面和背面两种方案。

官网:http://bydic.e99999.com/

 

深圳芯启航科技

晶圆供给方:格罗方德(GF)

官网:http://www.chipsailing.com/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2芯片制造环节

 

主要有中芯国际、台积电、联电、Magnachip、华润上华、世界先进、华虹宏力、格罗方德等大型晶圆制造厂。

 

3
封装环节

根据传感器方案而定,如按压式蓝宝石方案采用晶圆级封装,由国内华天科技、晶方科技、长电科技封装,硕贝德科阳的3D封装也属于此种工艺。

 

 

4
模组制造

模组制造与摄像头模组有相近之处,目前欧菲光、硕贝德、丘钛科技等已积极布局。在封装与模组整合的趋势下,封装环节(华天科技、晶方科技等)、模组环节(欧菲光等)有互相渗透的趋势。

 

 

指纹识别迎产业链重构新机遇

自进入2017 年之后,指纹识别行业站到了“产业变革”的时间节点上。在光学式和超声波式指纹识别技术方案还不够成熟,既要实现正面隐藏式指纹识别,又不得不采用电容式方案的背景之下,盲孔电容式指纹识别就成为了近期最有前景的under glass 方案。

 

在基于电容式原理的三种隐藏式方案是:


1、Under Cover Glass是将指纹Sensor 置于整个手机玻璃面板下面此方案超出电容原理极限

2、In Glass:更是将Sensor 融合进玻璃之中(如IDEX 的方案),此方案不具备量产条件

3、盲孔式Under Glass Cutou则将玻璃面板开盲孔(有正面和背面两种)至0.2-0.3mm 深,然后在玻璃之下放入Sensor(如汇顶IFS、FPC、LG Innotek 的方案), 最具有可行性方案


显然第3种方案具有可行性。采用盲孔式Under Glass 方案的汇顶IFS 技术已经成功商用到联想ZUK Edge 和华为P10 手机上,直接带来防水防尘和一体化盖板的效果。同时,“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板指纹模组可以提高屏占比,也可能被一些旗舰机型采用,成为近期重要趋势之一。

 

除了电容式underglass 有望成为近期主流外,可以嵌入玻璃的“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板模组的指纹识别,可以有效提高屏占比,今年也可能被一些旗舰机型采用。要做到超薄,先进的TSV 封装工艺也是不可避免的。


一、指纹识别正在发生“大变化”,电容式Under Glass 和正面盖板“超薄式”方案有望成为近期内主流


1、 从背面到正面,安卓机指纹识别实现“大搬迁”


指纹识别在手机上的位臵,主流为正面和背面,个别方案是放在侧面。比如苹果iPhone 系列与三星Galaxy S 系列是集成在正面Home 键里,小米Note 3、华为Mate 8等放在了手机背部,LG V10 植入到手机侧面的电源键里,努比亚Z9 也是放在手机侧面。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

正面指纹识别使用方便、体验佳

苹果自2013 年发布5s 以来,其指纹识别始终位于正面Home 键之下。由于AuthenTec 被苹果收购之后停止对外服务,因此安卓阵营的众多智能手机厂商只能寻找其他指纹方案供应商,Synaptics 新思(收购Validity)和FPC 成为了主要的供应商,中国厂商汇顶科技近年来发展迅速。


由于AuthenTec 在正面电容按压式指纹识别领域积累了大量的核心专利,同时许多安卓智能手机使用的是虚拟Home 键,不具有实体Home 键,因此多数安卓智能机的指纹识别是位于手机背面的,包括华为、OPPO、VIVO 等主力手机厂。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解 主流旗舰手机指纹识别方案汇总

 2、 取消Home 键,实现Underglass 是大势趋

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

手机时代人机交互发展历程

 

但是,随着智能手机的普及,Home 键的缺点也逐渐展现出来,如易损坏、维修成本高、无法实现高品质防水、外观不够美观、屏占比低等,这使得取消Home 键成为行业发展的大趋势。

 

3、 电容式Under Glass 方案有望成为近期主流

现在的指纹识别大多数都是类似于苹果iPhone 系列的类型,采用通孔方式,要在正面玻璃挖个洞放臵指纹识别芯片,这样一来影响整部手机的外观,而且无法实现高品质防水。近年来,各大指纹识别方案商挖空心思的结果只有一个,就是让指纹识别在手机上做到优雅美观大方,而且又方便使用。

 

实际上,经过指纹大爆发之后,衍生出来的商机令各大指纹技术公司更热衷开发新技术。他们不断地向外界展示自家的新技术,也开始尝试指纹识别的新可能——隐藏式指纹识别技术。

 

2014 年9 月,汇顶科技提出隐藏式指纹识别方案,IFS 指纹识别与触控一体化技术,与触控大厂TPK 合作,通过在正面盖板玻璃的背面挖盲孔的方式,将电容式指纹识别芯片臵于触控面板之下,实现隐藏式指纹识别;

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

汇顶科技IFS 指纹识别与触控一体化技术

2015 年7 月,老牌生物识别技术公司挪威IDEX 开发出玻璃指纹技术,可以将指纹芯片做进玻璃中,实现指纹识别与盖板玻璃的融合;

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

挪威IDEX 开发出玻璃指纹识别技术

2016 年2 月,FPC 联合从事玻璃面板和层压技术的TPK,成功地将FPC1268指纹传感器跟面板玻璃结合在一起;

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

FPC1268 指纹传感器跟面板玻璃结合

2016 年5 月,LG 子公司Innotek 向外界展示其融合了指纹功能的玻璃面板。汇顶科技、FPC 和LG 的方案均是在盖板玻璃下方挖槽(挖盲孔),使之最薄的地方仅为0.2-0.3mm 厚,然后内臵电容式指纹识别芯片。

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Innotek 展示其融合了指纹功能的玻璃面板

 

上述这些方案可以划分为三种:

第一种(Under Cover Glass)是将指纹Sensor 置于整个手机玻璃面板下面;

第二种(In Glass)更是将Sensor 融合进玻璃之中(如IDEX 的方案)。

第三种(Under Glass Cutout)则将玻璃面板开盲孔(有正面和背面两种)至0.2-0.3mm 深,然后在玻璃之下放入Sensor(如汇顶IFS、FPC、LG Innotek 的方案);

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三种隐藏式指纹识别技术细节

第一种方案(Under Cover Glass)识别精确存在较大的问题,超出电容原理极限,效果不理想。因为目前智能手机正面盖板玻璃厚度普遍超过0.5mm,如果是2.5D 玻璃的话厚度超过0.7mm,而根据电容式指纹识别的原理,如果在芯片上方存在的盖板玻璃厚度超过0.3mm 时,其识别精确度将大幅降低,因为信号在穿透玻璃时会发生强烈的衰减。尽管多家厂商在算法方面极力优化,提高信号的信噪比,但是该方案仍然难以达到理想的效果。

 

第二种方案(In Glass)具有非常高的技术难度,中短期内不具备量产的条件。要将指纹识别芯片集成在盖板玻璃内部,这需要芯片商与玻璃厂等多个环节的通力合作,中短期内大规模量产是不现实的。

 

在这三种方案中,第三种方案盲孔式Under Glass 被普遍看好,具有较大的可行性。汇顶科技、FPC 与LG Innotek 等厂商的力推的本方案,是在盖板玻璃上方或下方挖槽,直接减薄玻璃的厚度至0.2-0.3mm,此时臵于玻璃下方的指纹芯片,信号可以穿透玻璃,从而实现较高的识别精度。相比于第一种方案,本技术方案识别精度遥遥领先,相比于第二种方案,本技术方案加工难度较低。

目前Under Glass 方案的难点在于:首先玻璃本身非常脆弱,如果挖槽,会降低整块玻璃的强度,加大玻璃加工的难度,这对康宁、AGC、肖特等玻璃原材料供应商和蓝思、伯恩、星星科技等玻璃加工商而言,具有一定的挑战性;为了提高信号的信噪比,减少信号在塑封材料中的损失,芯片的封装需要采用先进的TSV 技术(可有效缩减芯片厚度);盲孔的深度及平整度公差很难控制,而采用TSV 的指纹芯片需要直接与玻璃贴合,因此对于玻璃加工而言有较高的技术要求。


2016 年12 月,采用汇顶IFS 技术的联想ZUK Edge 手机发布。2017 年2 月,华为发布全新旗舰机P10,部分手机采用了汇顶的IFS 技术,这表明盲孔电容式UnderGlass 指纹技术已经具备量产所需的成熟度。

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采用汇顶IFS 技术的联想ZUK Edge 手机

 

4、正面盖板“超薄式”方案也是近期重要趋势之一


当然正如我们的分析,目前电容式Under Glass 方案在玻璃加工方面存在非常大的困难,即使已经有商业化的产品推出(如联想ZUK Edge 和华为P10),但是产品的良率和成本问题仍然是很大的瓶颈。


与此同时,基于现在主流的正面开通孔式方案的升级产品——可以嵌入玻璃的“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板模组的指纹识别,由于可以提高屏占比,今年也可能被一些旗舰机型采用,也是重要趋势之一。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

传统正面开通孔式指纹模组厚,影响屏占比

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解 

提升屏占比成为手机的重要趋势

 

采用“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板的指纹识别模组,可以有效缩小整个模组的体积,尤其是厚度,从而使得整个模组的厚度不超过盖板玻璃。这样的话,手机的显示屏幕便可以向下拓展,与指纹Home 键的距离更加紧密(甚至可以覆盖Home 键位臵),从而大幅提升整个屏幕的屏占比。


目前,该方案已经开始在多家手机厂商测试,有望成为今年的趋势之一。由于传统的wire bonding 封装是难以有效缩减芯片厚度的,采用TSV 封装可以解决该问题。

 

二、电容式Underglass 方案与正面盖板“超薄式”方案产业链分析


现阶段,开通孔的指纹识别方案仍然是主流,按照正面盖板材料的不同,可以分为Coating(镀膜)、蓝宝石盖板、玻璃盖板和陶瓷盖板四类。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

 

四种主流的指纹识别盖板方案

  • Coating 方案是直接在芯片正面镀膜(高光涂料),信号强,成本低,缺点是容易损坏,不耐磨;

  • 蓝宝石方案美观,耐磨,但是加工难度大,成本高,用于中高端手机上;

  • 玻璃方案被众多中低端手机所采用,成本比蓝宝石低许多;

  • 陶瓷(氧化锆)方案最近开始流行,与蓝宝石相比其强度大,成本低,产能良率还存在一定问题。

 

从产业链结构方面来说,上述四种方案是类似的,区别就在于盖板材料的不同。我们以蓝宝石方案代表——iPhone5s 的指纹识别为例来说明,主要的模组结构分为:蓝宝石盖板、金属环、粘合材料、传感器芯片、触控开关、电路板等。

 指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

苹果iPhone5s 指纹识别模组拆解

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蓝宝石的指纹识别模组成本结构

电容式Under Glass 指纹识别方案相比于目前的指纹识别会有非常大的变化。不需要专门的蓝宝石、玻璃、陶瓷等盖板材料,不需要金属环,不需要触控开关,不需要芯片正面的粘合材料;芯片制造并不会发生大的变化,目前的8英寸0.18um 工艺可以满足需求;但是芯片设计和芯片封装,以及玻璃加工的重要性越发明显。

 

1、芯片封装地位提升,TSV 封装将成为必然之选


2014年苹果iPhone5s搭载指纹识别,主要采用的是“trench+ wire bonding(深坑+打线)”的工艺进行芯片级的封装。

 

根据Chipworks对iPhone5S的指纹识别芯片的拆解,可以看出在die的上下边缘都各有一个“暗色”区域,实际上那是被部分深反应刻蚀形成的“深坑(trench)”,通过RDL工艺,将Pad置于trench内,用于打线(wire bond)使指纹芯片与外界相连。之所以将Pad做在trench内再打线,而不是直接在表面做Pa打线与外界相连,是因为这样可以不占用表面的空间,以使得指纹信号感测芯片与蓝宝石片直接键合,从而最小化手指指纹和感测芯片的距离,为芯片提供更强的电容信号。

 

苹果iPhone5s的指纹识别做trench+RDL的工艺在台湾精材和苏州晶方进行,芯片做完RDL后,再由日月光完成wirebonding以及SiP模组的制作。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

苹果iPhone5s 指纹识别芯片layout

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苹果iPhone7 指纹识别芯片layout

事实上,采用wire bond(打线)的封装工艺需要进行塑封,这将使得芯片的厚度增加,对于寸土寸金的智能手机而言,尤其是在各大手机厂商竞相“求薄”的背景之下,wire bond并不是最佳方案。同时,尽管iPhone5s结合了trench+ RDL+ wire bond的封装工艺,来缩小芯片尺寸,减少信号损失,但是随着更优的封装方案TSV的崛起,苹果在随后的iPhone6s和iPhone7中,果断将指纹识别封装切换至TSV方案,由台积电提供封装服务。

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iPhone6s 第二代指纹识别采用TSV 封装工艺

 

如同SITRI对苹果iPhone7的指纹芯片拆解,采用TSV(硅通孔)封装技术

之后,芯片的有效探测面积大幅增加,芯片的厚度和模组厚度都实现了缩减。第一代Touch ID Sensor(iPhone5s/6采用)为88 x 88像素阵列,第二代Touch ID Sensor(iPhone6s/7采用)为96 x 112像素阵列,足足提高了近40%,像素的大幅提升带来识别精度的提升。

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第二代Touch ID 面积增大

 

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苹果iPhone6 比iPhone5s 变薄

对于指纹识别而言,可用于识别的特征是指纹皮肤生长中随机产生的,所以特征的总量的概率期望值和指纹面积成正比。特征信息的随机分布性会导致数据源具有信息量拐点特性,大致来说,手指中心和指尖区域,面积不应低于20平方毫米,称为拐点1;手指侧面和指节附近的区域,面积不应低于24平方毫米,称为拐点2。在信号的识别精度方面,拐点2远高于拐点1。

 

受限Home键的尺寸,Touch IDSensor的芯片面积只能做到6.1mm x 6.5mm左右。但芯片上除了传感器像素,还需要有配套的电路,所以传感器像素面积又小于芯片面积。第一代Touch ID Sensor的像素面积是4.4mm x 4.4mm,面积19.36平方毫米,略小于拐点1。第二代的像素面积是4.8mm x 5.6mm,面积26.88平方毫米,已经明显超过拐点2。因此第二代Touch ID大幅度提高安全性和使用体验。

 

事实上,苹果公司在指纹识别领域是走在最前列的,无论是第一代Touch ID Sensor采用的trench+wire bonding工艺,还是第二代Touch ID采用的TSV工艺,在技术上都是非常先进的,都是非常紧缺的封装资源,当然成本也非常高。对于除了苹果之外的手机厂商而言,无论是出于成本方面的考虑,还是资源方面的考虑,指纹识别芯片封装采用TSV工艺的比例还是非常少的,大多数厂商采用的是wire bonding工艺。

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Wire bond 与TSV 封装对比

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典型的wire bonding 封装

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典型的TSV 封装

 目前,大多数指纹识别方案,芯片采用wire bonding工艺进行封装,技术成熟,成本低。由于表面需要与盖板材料贴合,因此在芯片的正面会进行塑封处理,将金属引线掩埋起来,形成平整的表面。塑封的存在会影响信号识别的精度,同时增加芯片的厚度,但是对于如今主流的开孔指纹形式来说,问题并不大,因为芯片+盖板材料(或Coating)直接与手指接触,仍然可以实现较好的指纹识别体验。

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目前主流的正面开孔指纹芯片封装-wire bonding

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典型的wire bonding 芯片封装流程

2016年以来,一些手机厂商开始向苹果学习,对指纹识别芯片进行小规模的trench或TSV封装,如华为Mate9Pro采用的是trench+TSV封装工艺(比直接TSV工艺容易一些)。因为先进封装直接的好处就是信号变强,指纹识别精度体验更佳,更重要的是芯片厚度变薄,从而缩减指纹模组的高度,可以扩大屏占比。

 

采用“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板的指纹识别模组,可以有效缩小整个模组的体积,尤其是厚度,从而使得整个模组的厚度不超过盖板玻璃。这样的话,手机的显示屏幕便可以向下拓展,与指纹Home键的距离更加紧密(甚至可以覆盖Home键位置),从而大幅提升整个屏幕的屏占比。由于传统的wire bonding封装是难以有效缩减芯片厚度的,采用TSV封装可以解决该问题。因此,该方案今年也可能被一些旗舰机型采用,也是重要趋势之一。

 

该方案与目前主流的正面盖板开孔式方案在产品结构方面基本一致,最大的区别在于出于模组减薄的考虑,芯片的封装形式将由传统的wire bonding改为TSV封装,这将利好TSV封装产业。

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正面开孔指纹识别——TSV 封装

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正面开孔指纹识别封装结构-trenth+wire bonding

电容式Under Glass方案将成为指纹识别的重要趋势,目前有两种方案——在盖板玻璃的正面或背面开盲孔,芯片是直接内置于盖板玻璃之下的,本来电容信号穿透玻璃就已经存在较大困难,如果还有塑封材料的话,信号质量将更加堪忧。如果不采用塑封的话,wire bonding的键合线直接暴露在外,会导致芯片正面不够平整,是无法与盖板玻璃紧密贴合的。因此,我们认为,在电容式Under Glass方案大势所趋的背景之下,TSV封装将取代wire bonding成为必然之选。

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正面盲孔Underglass 指纹识别TSV 封装结构

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背面盲孔Underglass 指纹识别TSV 封装结构

与此同时,SiP(System In aPackage系统级封装)仍然是手机端芯片封装的大趋势,未来的指纹识别整体封装还是需要SiP的参与。出于缩小体积、减薄厚度、减少功耗、提升性能等方面的目的,SiP封装已经越来越多的被各大厂商所重视。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

SiP 封装大幅缩小器件的体积

SiP封装进入消费电子领域主要靠的是苹果的推动,在iPhone和applewatch上都可以看到SiP技术的身影。在iPhone上面,指纹识别就采用了SiP封装技术,在体积小巧的applewatch上,核心芯片S1和射频T/R都用到了SiP封装。

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采用SiP 封装的applewatch 中SI 芯片

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iPhone7 指纹识别采用SiP 封装技术

从封装发展的角度来看,因电子产品在体积、处理速度或电性特性各方面的需求考量下,SoC曾经被确立为未来电子产品设计的关键与发展方向。但随着近年来SoC生产成本越来越高,频频遭遇技术障碍,造成SoC的发展面临瓶颈,进而使SiP的发展越来越被业界重视。

 

与在印刷电路板上进行系统集成相比,SiP能最大限度地优化系统性能、避免重复封装、缩短开发周期、降低成本、提高集成度。相对于SoC,SiP还具有灵活度高、集成度高、设计周期短、开发成本低、容易进入等特点。SiP封装技术不仅可以广泛用于工业应用和物联网领域,在手机以及智能手表、智能手环、智能眼镜等领域也有非常广阔的市场。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

几种主流的SiP 封装方案

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

SOC 与SiP 结合推动摩尔定律继续向前

所以,综上所述,我们认为,在电容式Underglass方案与正面盖板“超薄式”方案大势所趋的背景之下,TSV封装将取代wire bonding是必然的,“TSV+SiP”的封装工艺将成为整个指纹芯片的关键,具备先进的TSV和SiP封装工艺的厂商将受益。

 

2、玻璃加工至关重要,工艺难度大,良率问题是瓶颈

对于电容式Under Glass指纹识别,目前非常大的困难在于玻璃挖槽的良率问题,因为现如今的手机正面2D玻璃非常薄(0.5mm左右),2.5D玻璃0.7-0.8mm,直接进行挖槽的话,极容易造成玻璃的损坏。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

智能手机越来越薄

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

 

盲孔式指纹识别玻璃加工要求高

手机越来越薄是趋势,这也是手机的重要卖点,因此各大厂商竞相追逐更加薄的盖板玻璃,目前普通的手机2D盖板玻璃厚度在0.5mm左右(2.5D玻璃为0.7mm左右)。根据我们前文的分析,如果采用玻璃挖盲孔(正面或背面)的方式来实现指纹识别的话,为了保证电容式指纹识别的效果,需要将玻璃挖出0.2-0.3mm的方形盲孔,同时,玻璃在减薄之后,剩下的部分厚度仅为0.2-0.3mm,玻璃槽面的平整度、直角的弧度、锲边的垂直度对于指纹识别的最终效果影响极大,是最关键的几个因素,这对于玻璃加工的要求非常之高,远高于目前玻璃加工企业的良率保证水平。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解 

CNC 精雕机用于玻璃开孔和磨边

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

不同类型的CNC 精雕机

对手机玻璃进行开孔和磨边的主要设备是CNC精雕机,目前大多数CNC产品的尺寸精度为0.01mm,崩边量不大于0.01mm,如此的精度对于玻璃挖盲孔而言是不够的。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

3D 玻璃已经开始被多款智能手机采用

 

3D玻璃受到追捧,已经开始大规模应用。智能手机外壳材料经历了塑料、金属、玻璃的发展过程。目前主流的旗舰手机大多正面采用2D/2.5D玻璃、背面为金属机身。三星2016年发布的Galaxy S7 Edge采用了3D曲面玻璃的外观设计,被称为是当前颜值最高的手机,并受到了市场的热捧,一季度Galaxy S7/Edge销量达到1000万台。

 

2D玻璃盖板或外壳是普通的平面玻璃,而2.5D玻璃盖板或外壳正面是平的,但边缘部分向下凹陷成一个弧形,3D玻璃盖板或外壳的整个正面都会发生弯曲,凸出向外。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

普通屏幕/2.5D/3D 屏幕对比图

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

三星旗下普通屏幕/2.5D/3D 屏幕对比实物图

对于2.5D和3D来说,在玻璃上挖盲孔是更加困难的。普通的2D玻璃是完全平面的,而2.5D和3D玻璃时经过热弯处理之后,玻璃的厚度已经变的不均匀,在这种情况下,继续进行挖孔的话,更加难以控制槽内的平整度和垂直度。

 

综上所述,我们认为,在电容式Under Glass方案中,玻璃加工的重要性越发的明显,玻璃加工的良率将直接影响指纹芯片的效果和成本,具备高品质、高技术玻璃加工的公司将显著受益。

 

3、芯片设计和算法是识别效果的核心因素


由于电容式识别方案在原理上,其信号是难以穿透玻璃的。尽管指纹识别芯片设计公司详尽一切办法(包括成功添加射频功能),使得指纹信号勉强可以突破0.1mm 厚度的蓝宝石/玻璃/陶瓷,但是检测到的信号是非常弱的,识别的算法仍然是至关重要的。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

算法对于指纹识别而言是非常关键的

对于电容式Under Glass 方案而言,指纹信号需要穿透的玻璃厚度为0.2-0.3mm,传统的电容式算法是无法回收足够信噪比的信号。除了要提升驱动IC 的信噪比外,软件算法的know how 更重要。算法方面的另一个难点则是由于图像距离变远,图像是比较虚的,如何让图像变得更清晰?这里涉及图像预处理的问题;另一个则是图像匹配的问题,由于图像质量比前一代的要差,图像匹配就会变得更困难,这里算法就更复杂了。

 

例如,国内的汇顶科技,就针对IFS 方案专门开发了自适应深度传感技术和可变增强图像处理技术。

 

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解 

汇顶科技针对IFS 的自适应深度传感技术

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

汇顶科技针对IFS 的可变增强图像处理技术

因此,全新的方案需要指纹识别芯片设计与算法公司,在信号处理、信噪比改善方面花费非常大的精力和投入,才能够保证识别的效果和体验。

 

三、未来光学式指纹识别产业链分析——红外LED 光源+CIS 为核心


对于未来的光学式Under Display 指纹识别方案,产业链与电容式方案将大为不同。出于信号信噪比的考虑,为了与手机显示屏中的RGB 可见光相区分,同时减少环境光线的干扰,光学式指纹识别将采用近红外光的光源。类似于虹膜识别、主动式人脸识别的产业链结构,整个产品的核心除了算法之外,在硬件端最重要的变化,就是多了近红外光源、光学器件(RGBIR 滤色片)、图像传感器等。

 

因此近红外LED 光源提供商、光学滤色片供应商和光学图像传感器厂商将显著受益于本方案。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

光学式指纹识别产业链结构

四、未来超声波式指纹识别产业链分析——压电陶瓷与MEMS 为核心

 

整个超声波指纹识别产业链可以划分为三大部分:算法、硬件和模组制造。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

超声波指纹识别产业链结构

1、算法方面


成熟的技术方案主要掌握在少数大厂手中,如高通旗下的Ultra-Scan,与苹果合作的Sonavation,芯片大厂Invensense,国内公司还不具备相应的技术实力。


2、硬件方面


主要包括MEMS 超声波传感器、ASIC 芯片、柔性PCB 板和IC 分立器件等。其中,MEMS 超声波传感器主要部件为超声波发射层与接收层(压电材料)和TFT(薄膜晶体管)电路层。


(1)压电材料

目前,高通采用的是PVDF 有机聚合物压电材料,InvenSense 采用的是AlN 压电陶瓷,Sonavation 采用的也是压电陶瓷材料。PVDF 的功耗低,适合移动终端,但是效率和频率都低于压电陶瓷材料,器件性能一般。而压电陶瓷材料,如AlN、PZT、ZnO等,产业链相对成熟,器件的响应效率高。其中,AlN 声速高、热导率高、损耗低、可以与CMOS 工艺兼容,因此比较利于实现声表面波器件的高频化、高功率化、高集成化,是潜力材料,现在的问题就是相比于PZT、ZnO 的压电系数偏低。


在压电陶瓷材料方面,国内公司有三环集团、捷成科创等,其中在最佳的AlN 压电材料方面,目前国内参与的公司或机构较少,清华大学微电子学院在AlN 方面具备一定实力,北京中科汉天下正在建设AlN 生产线,计划用于FBAR 滤波器。

 

(2)MEMS 制造

MEMS 超声波传感器是由大量的超声波传感器阵列构成,技术难度大,壁垒高,主要通过MEMS 和CMOS 工艺结合的形式进行制造和封测。因此具备MEMS 设计、制造和封测技术的厂商将显著受益这一些市场。

 

目前Invensense 的MEMS 超声波传感器主要是新加坡IME+格罗方德代工,其中新加坡IME 负责AlN 压电陶瓷的研发,格罗方德负责MEMS 的量产。

 

(3)ASIC 芯片

由于具备3D 指纹图像信息采集,甚至有望实现皮肤组织结构和血管内血流信息采集,因此超声波指纹识别对图像的处理要求更高,这使得高通等公司直接在其技术方案里集成了专用的ASIC 芯片。


3、模组制造方面


由于超声波指纹识别技术还没有大规模商业化普及,高通的技术方案刚刚被小米采用。因此,在模组制造方面,国内公司还不具有相关经验。但是,在电容式指纹识别领域,国内公司舜宇光学、欧菲光、丘钛科技、硕贝德等已经积累了丰富的指纹识别模组制造经验,有望在未来的超声波指纹识别市场中受益。

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

 超声波式指纹识别产业链结构

五、小结


1、全屏幕指纹识别是未来的理想方案;


2、未来主流方案——光学式In /Under Display 指纹识别;

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

光学式、电容式、超声波式指纹识别元件比较

指纹识别芯片+模组厂商产业链重构新机遇详解

主流指纹识别技术优缺点对比

 

 

 

 

 

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