全球指紋識(shí)別芯片的產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成

指紋識(shí)別芯片的產(chǎn)業(yè)鏈也可以分為兩大部分，一部分為芯片傳感器電路方案和算法設(shè)計(jì)，另一大重要環(huán)節(jié)就是指紋識(shí)別芯片傳感器的制造、封裝以及模組制造：

1、芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

此前國際電子商情在《指紋識(shí)別技術(shù)原理及全球芯片廠商大盤點(diǎn)》一文中對(duì)指紋識(shí)別芯片設(shè)計(jì)公司有詳盡的報(bào)道，有興趣的讀者可點(diǎn)擊鏈接閱讀。

2、芯片制造環(huán)節(jié)

主要有中芯國際、臺(tái)積電、聯(lián)電、Magnachip、華潤上華、世界先進(jìn)、華虹宏力、格羅方德等大型晶圓制造廠。

3、封裝環(huán)節(jié)

根據(jù)傳感器方案而定，如按壓式藍(lán)寶石方案采用晶圓級(jí)封裝，由國內(nèi)華天科技、晶方科技、長電科技封裝，碩貝德科陽的3D封裝也屬于此種工藝。

4、模組制造

模組制造與攝像頭模組有相近之處，目前歐菲光、碩貝德、丘鈦科技等已積極布局。在封裝與模組整合的趨勢(shì)下，封裝環(huán)節(jié)（華天科技、晶方科技等）、模組環(huán)節(jié)（歐菲光等）有互相滲透的趨勢(shì)。

指紋識(shí)別方案發(fā)展趨勢(shì)

眾所周知，指紋識(shí)別在手機(jī)上的位置，主流為正面和背面，個(gè)別方案是放在側(cè)面。比如蘋果iPhone 系列與三星Galaxy S 系列是集成在正面Home 鍵里，小米Note 3、華為Mate 8等放在了手機(jī)背部，LG V10 植入到手機(jī)側(cè)面的電源鍵里，努比亞Z9 也是放在手機(jī)側(cè)面。

從體驗(yàn)上來看，蘋果正面指紋識(shí)別的體驗(yàn)好于安卓陣營的背部指紋識(shí)別方案。但由于AuthenTec 被蘋果收購之后停止對(duì)外服務(wù)，恰好 AuthenTec 在正面電容按壓式指紋識(shí)別領(lǐng)域積累了大量的核心專利，同時(shí)許多安卓智能手機(jī)使用的是虛擬Home 鍵，不具有實(shí)體Home 鍵，因此多數(shù)安卓智能機(jī)的指紋識(shí)別是位于手機(jī)背面的，包括華為、OPPO、VIVO 等主力手機(jī)廠。

1、盲孔式Under Glass指紋識(shí)別方案

自進(jìn)入2017 年之后，隨著即將發(fā)布的iPhone 8采用屏下Touch ID指紋識(shí)別解決方案，安卓陣營的手機(jī)廠商勢(shì)必也會(huì)逐漸采用正面隱藏式指紋識(shí)別方案。在光學(xué)式和超聲波式指紋識(shí)別技術(shù)方案還不夠成熟，既要實(shí)現(xiàn)正面隱藏式指紋識(shí)別，又不得不采用電容式方案的背景之下，盲孔電容式指紋識(shí)別就成為了近期最有前景的under glass 方案。

基于電容式原理的三種隱藏式方案是：第一種（Under Cover Glass）是將指紋Sensor 置于整個(gè)手機(jī)玻璃面板下面；第二種（In Glass）更是將Sensor 融合進(jìn)玻璃之中（如IDEX 的方案）；第三種（Under Glass Cutout）則將玻璃面板開盲孔（有正面和背面兩種）至0.2-0.3mm 深，然后在玻璃之下放入Sensor（如匯頂IFS、FPC、LG Innotek 的方案）。

第一種方案（Under Cover Glass）識(shí)別精確存在較大的問題，超出電容原理極限，效果不理想。因?yàn)槟壳爸悄苁謾C(jī)正面蓋板玻璃厚度普遍超過0.5mm，如果是2.5D 玻璃的話厚度超過0.7mm，而根據(jù)電容式指紋識(shí)別的原理，如果在芯片上方存在的蓋板玻璃厚度超過0.3mm 時(shí)，其識(shí)別精確度將大幅降低，因?yàn)樾盘?hào)在穿透玻璃時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的衰減。盡管多家廠商在算法方面極力優(yōu)化，提高信號(hào)的信噪比，但是該方案仍然難以達(dá)到理想的效果。

第二種方案（In Glass）具有非常高的技術(shù)難度，中短期內(nèi)不具備量產(chǎn)的條件。需要將指紋識(shí)別芯片集成在蓋板玻璃內(nèi)部，這需要芯片商與玻璃廠等多個(gè)環(huán)節(jié)的通力合作，中短期內(nèi)大規(guī)模量產(chǎn)是不現(xiàn)實(shí)的。

第三種方案盲孔式Under Glass 被普遍看好，具有較大的可行性。匯頂科技、FPC 與LG Innotek 等廠商的力推的本方案，是在蓋板玻璃上方或下方挖槽，直接減薄玻璃的厚度至0.2-0.3mm，此時(shí)臵于玻璃下方的指紋芯片，信號(hào)可以穿透玻璃，從而實(shí)現(xiàn)較高的識(shí)別精度。相比于第一種方案，本技術(shù)方案識(shí)別精度遙遙領(lǐng)先，相比于第二種方案，本技術(shù)方案加工難度較低。

目前Under Glass 方案的難點(diǎn)在于：首先玻璃本身非常脆弱，如果挖槽，會(huì)降低整塊玻璃的強(qiáng)度，加大玻璃加工的難度，這對(duì)康寧、AGC、肖特等玻璃原材料供應(yīng)商和藍(lán)思、伯恩、星星科技等玻璃加工商而言，具有一定的挑戰(zhàn)性；為了提高信號(hào)的信噪比，減少信號(hào)在塑封材料中的損失，芯片的封裝需要采用先進(jìn)的TSV 技術(shù)（可有效縮減芯片厚度）；盲孔的深度及平整度公差很難控制，而采用TSV 的指紋芯片需要直接與玻璃貼合，因此對(duì)于玻璃加工而言有較高的技術(shù)要求。

2016 年12 月，采用匯頂IFS 技術(shù)的聯(lián)想ZUK Edge 手機(jī)發(fā)布。2017 年2 月，華為發(fā)布全新旗艦機(jī)P10，部分手機(jī)采用了匯頂?shù)腎FS 技術(shù)，這表明盲孔電容式UnderGlass 指紋技術(shù)已經(jīng)具備量產(chǎn)所需的成熟度。

2、正面蓋板“超薄式指紋識(shí)別方案

前文提到，目前電容式Under Glass 方案在玻璃加工方面存在非常大的困難，即使已經(jīng)有商業(yè)化的產(chǎn)品推出（如聯(lián)想ZUK Edge 和華為P10），但是產(chǎn)品的良率和成本問題仍然是很大的瓶頸。

與此同時(shí)，基于現(xiàn)在主流的正面開通孔式方案的升級(jí)產(chǎn)品——可以嵌入玻璃的“超薄式”正面玻璃/陶瓷蓋板模組的指紋識(shí)別，由于可以提高屏占比，今年也可能被一些旗艦機(jī)型采用，也是重要趨勢(shì)之一。

采用“超薄式”正面玻璃/陶瓷蓋板的指紋識(shí)別模組，可以有效縮小整個(gè)模組的體積，尤其是厚度，從而使得整個(gè)模組的厚度不超過蓋板玻璃。這樣的話，手機(jī)的顯示屏幕便可以向下拓展，與指紋Home 鍵的距離更加緊密（甚至可以覆蓋Home 鍵位臵），從而大幅提升整個(gè)屏幕的屏占比。

目前，該方案已經(jīng)開始在多家手機(jī)廠商測(cè)試，有望成為今年的趨勢(shì)之一。由于傳統(tǒng)的wire bonding 封裝是難以有效縮減芯片厚度的，采用TSV 封裝可以解決該問題。

電容式Underglass 方案與正面蓋板“超薄式”方案產(chǎn)業(yè)鏈分析

現(xiàn)階段，開通孔的指紋識(shí)別方案仍然是主流，按照正面蓋板材料的不同，可以分為Coating（鍍膜）、藍(lán)寶石蓋板、玻璃蓋板和陶瓷蓋板四類。

Coating 方案是直接在芯片正面鍍膜（高光涂料），信號(hào)強(qiáng)，成本低，缺點(diǎn)是容易損壞，不耐磨；藍(lán)寶石方案美觀，耐磨，但是加工難度大，成本高，用于中高端手機(jī)上；玻璃方案被眾多中低端手機(jī)所采用，成本比藍(lán)寶石低許多；陶瓷（氧化鋯）方案最近開始流行，與藍(lán)寶石相比其強(qiáng)度大，成本低，產(chǎn)能良率還存在一定問題。

從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)方面來說，上述四種方案是類似的，區(qū)別就在于蓋板材料的不同。我們以藍(lán)寶石方案代表——iPhone5s 的指紋識(shí)別為例來說明，主要的模組結(jié)構(gòu)分為：藍(lán)寶石蓋板、金屬環(huán)、粘合材料、傳感器芯片、觸控開關(guān)、電路板等。

圖：蘋果iPhone5s 指紋識(shí)別模組拆解

電容式Under Glass 指紋識(shí)別方案相比于目前的指紋識(shí)別會(huì)有非常大的變化。不需要專門的藍(lán)寶石、玻璃、陶瓷等蓋板材料，不需要金屬環(huán)，不需要觸控開關(guān)，不需要芯片正面的粘合材料；芯片制造并不會(huì)發(fā)生大的變化，目前的8英寸0.18um 工藝可以滿足需求；但是芯片設(shè)計(jì)和芯片封裝，以及玻璃加工的重要性越發(fā)明顯。

圖：藍(lán)寶石的指紋識(shí)別模組成本結(jié)構(gòu)

1、芯片封裝地位提升，TSV封裝將成為必然之選

目前，大多數(shù)指紋識(shí)別方案，芯片采用wire bonding工藝進(jìn)行封裝，技術(shù)成熟，成本低。由于表面需要與蓋板材料貼合，因此在芯片的正面會(huì)進(jìn)行塑封處理，將金屬引線掩埋起來，形成平整的表面。塑封的存在會(huì)影響信號(hào)識(shí)別的精度，同時(shí)增加芯片的厚度，但是對(duì)于如今主流的開孔指紋形式來說，問題并不大，因?yàn)樾酒?蓋板材料（或Coating）直接與手指接觸，仍然可以實(shí)現(xiàn)較好的指紋識(shí)別體驗(yàn)。

圖：目前主流的正面開孔指紋芯片封裝-wire bonding

2016年以來，一些手機(jī)廠商開始向蘋果學(xué)習(xí)，對(duì)指紋識(shí)別芯片進(jìn)行小規(guī)模的trench或TSV封裝，如華為Mate9 Pro采用的是trench+TSV封裝工藝（比直接TSV工藝容易一些）。因?yàn)橄冗M(jìn)封裝直接的好處就是信號(hào)變強(qiáng)，指紋識(shí)別精度體驗(yàn)更佳，更重要的是芯片厚度變薄，從而縮減指紋模組的高度，可以擴(kuò)大屏占比。 　　 前文提到，電容式Underglass 方案與正面蓋板“超薄式”方案是指紋識(shí)別兩個(gè)重要的趨勢(shì)。一方面，對(duì)于 “超薄式”正面玻璃/陶瓷蓋板的指紋識(shí)別方案，由于玻璃非常薄，傳統(tǒng)的wire bonding封裝難以有效縮減芯片厚度，采用TSV封裝可以解決該問題。

另一方面，對(duì)于電容式Under Glass方案——在蓋板玻璃的正面或背面開盲孔，芯片是直接內(nèi)置于蓋板玻璃之下的，本來電容信號(hào)穿透玻璃就已經(jīng)存在較大困難，如果還有塑封材料的話，信號(hào)質(zhì)量將更加堪憂。如果不采用塑封的話，wire bonding的鍵合線直接暴露在外，會(huì)導(dǎo)致芯片正面不夠平整，是無法與蓋板玻璃緊密貼合的。采用TSV封裝可以解決該問題。因此，我們認(rèn)為TSV封裝將取代wire bonding是必然的，“TSV+SiP”的封裝工藝將成為整個(gè)指紋芯片的關(guān)鍵，具備先進(jìn)的TSV和SiP封裝工藝的廠商將受益。

圖：TSV封裝

圖：正面盲孔Underglass 指紋識(shí)別TSV 封裝結(jié)構(gòu)

2、玻璃加工至關(guān)重要，工藝難度大，良率問題是瓶頸

對(duì)于電容式Under Glass指紋識(shí)別，目前非常大的困難在于玻璃挖槽的良率問題，因?yàn)楝F(xiàn)如今的手機(jī)正面2D玻璃非常薄（0.5mm左右），2.5D玻璃0.7-0.8mm，直接進(jìn)行挖槽的話，極容易造成玻璃的損壞。

圖：盲孔式指紋識(shí)別玻璃加工要求高

手機(jī)越來越薄是趨勢(shì)，這也是手機(jī)的重要賣點(diǎn)，因此各大廠商競相追逐更加薄的蓋板玻璃，目前普通的手機(jī)2D蓋板玻璃厚度在0.5mm左右（2.5D玻璃為0.7mm左右）。根據(jù)我們前文的分析，如果采用玻璃挖盲孔（正面或背面）的方式來實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別的話，為了保證電容式指紋識(shí)別的效果，需要將玻璃挖出0.2-0.3mm的方形盲孔，同時(shí)，玻璃在減薄之后，剩下的部分厚度僅為0.2-0.3mm，玻璃槽面的平整度、直角的弧度、鍥邊的垂直度對(duì)于指紋識(shí)別的最終效果影響極大，是最關(guān)鍵的幾個(gè)因素，這對(duì)于玻璃加工的要求非常之高，遠(yuǎn)高于目前玻璃加工企業(yè)的良率保證水平。

圖：CNC 精雕機(jī)用于玻璃開孔和磨邊

對(duì)手機(jī)玻璃進(jìn)行開孔和磨邊的主要設(shè)備是CNC精雕機(jī)，目前大多數(shù)CNC產(chǎn)品的尺寸精度為0.01mm，崩邊量不大于0.01mm，如此的精度對(duì)于玻璃挖盲孔而言是不夠的。

3D玻璃受到追捧，已經(jīng)開始大規(guī)模應(yīng)用。智能手機(jī)外殼材料經(jīng)歷了塑料、金屬、玻璃的發(fā)展過程。目前主流的旗艦手機(jī)大多正面采用2D/2.5D玻璃、背面為金屬機(jī)身。三星2016年發(fā)布的Galaxy S7 Edge采用了3D曲面玻璃的外觀設(shè)計(jì)，被稱為是當(dāng)前顏值最高的手機(jī)，并受到了市場(chǎng)的熱捧，一季度Galaxy S7/Edge銷量達(dá)到1000萬臺(tái)。

2D玻璃蓋板或外殼是普通的平面玻璃，而2.5D玻璃蓋板或外殼正面是平的，但邊緣部分向下凹陷成一個(gè)弧形，3D玻璃蓋板或外殼的整個(gè)正面都會(huì)發(fā)生彎曲，凸出向外。

對(duì)于2.5D和3D來說，在玻璃上挖盲孔是更加困難的。普通的2D玻璃是完全平面的，而2.5D和3D玻璃時(shí)經(jīng)過熱彎處理之后，玻璃的厚度已經(jīng)變的不均勻，在這種情況下，繼續(xù)進(jìn)行挖孔的話，更加難以控制槽內(nèi)的平整度和垂直度。

綜上所述，我們認(rèn)為，在電容式Under Glass方案中，玻璃加工的重要性越發(fā)的明顯，玻璃加工的良率將直接影響指紋芯片的效果和成本，具備高品質(zhì)、高技術(shù)玻璃加工的公司將顯著受益。

3、芯片設(shè)計(jì)和算法是識(shí)別效果的核心因素

由于電容式識(shí)別方案在原理上，其信號(hào)是難以穿透玻璃的。盡管指紋識(shí)別芯片設(shè)計(jì)公司詳盡一切辦法（包括成功添加射頻功能），使得指紋信號(hào)勉強(qiáng)可以突破0.1mm 厚度的藍(lán)寶石/玻璃/陶瓷，但是檢測(cè)到的信號(hào)是非常弱的，識(shí)別的算法仍然是至關(guān)重要的。

對(duì)于電容式Under Glass 方案而言，指紋信號(hào)需要穿透的玻璃厚度為0.2-0.3mm，傳統(tǒng)的電容式算法是無法回收足夠信噪比的信號(hào)。除了要提升驅(qū)動(dòng)IC 的信噪比外，軟件算法的know how 更重要。算法方面的另一個(gè)難點(diǎn)則是由于圖像距離變遠(yuǎn)，圖像是比較虛的，如何讓圖像變得更清晰？這里涉及圖像預(yù)處理的問題；另一個(gè)則是圖像匹配的問題，由于圖像質(zhì)量比前一代的要差，圖像匹配就會(huì)變得更困難，這里算法就更復(fù)雜了。

例如，國內(nèi)的匯頂科技，就針對(duì)IFS 方案專門開發(fā)了自適應(yīng)深度傳感技術(shù)和可變?cè)鰪?qiáng)圖像處理技術(shù)。

圖：匯頂科技針對(duì)IFS 的自適應(yīng)深度傳感技術(shù)

未來超聲波式指紋識(shí)別產(chǎn)業(yè)鏈分析

對(duì)于未來的光學(xué)式Under Display 指紋識(shí)別方案，產(chǎn)業(yè)鏈與電容式方案將大為不同。出于信號(hào)信噪比的考慮，為了與手機(jī)顯示屏中的RGB 可見光相區(qū)分，同時(shí)減少環(huán)境光線的干擾，光學(xué)式指紋識(shí)別將采用近紅外光的光源。類似于虹膜識(shí)別、主動(dòng)式人臉識(shí)別的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，整個(gè)產(chǎn)品的核心除了算法之外，在硬件端最重要的變化，就是多了近紅外光源、光學(xué)器件（RGBIR 濾色片）、圖像傳感器等。因此近紅外LED 光源提供商、光學(xué)濾色片供應(yīng)商和光學(xué)圖像傳感器廠商將顯著受益于本方案。

整個(gè)超聲波指紋識(shí)別產(chǎn)業(yè)鏈可以劃分為三大部分：算法、硬件和模組制造。

圖：超聲波指紋識(shí)別產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

1、算法方面

成熟的技術(shù)方案主要掌握在少數(shù)大廠手中，如高通旗下的Ultra-Scan，與蘋果合作的Sonavation，芯片大廠Invensense，國內(nèi)公司還不具備相應(yīng)的技術(shù)實(shí)力。

2、硬件方面

主要包括MEMS 超聲波傳感器、ASIC 芯片、柔性PCB 板和IC 分立器件等。其中，MEMS 超聲波傳感器主要部件為超聲波發(fā)射層與接收層（壓電材料）和TFT（薄膜晶體管）電路層。

（1）壓電材料

目前，高通采用的是PVDF 有機(jī)聚合物壓電材料，InvenSense 采用的是AlN 壓電陶瓷，Sonavation 采用的也是壓電陶瓷材料。PVDF 的功耗低，適合移動(dòng)終端，但是效率和頻率都低于壓電陶瓷材料，器件性能一般。而壓電陶瓷材料，如AlN、PZT、ZnO等，產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)成熟，器件的響應(yīng)效率高。其中，AlN 聲速高、熱導(dǎo)率高、損耗低、可以與CMOS 工藝兼容，因此比較利于實(shí)現(xiàn)聲表面波器件的高頻化、高功率化、高集成化，是潛力材料，現(xiàn)在的問題就是相比于PZT、ZnO 的壓電系數(shù)偏低。

在壓電陶瓷材料方面，國內(nèi)公司有三環(huán)集團(tuán)、捷成科創(chuàng)等，其中在最佳的AlN 壓電材料方面，目前國內(nèi)參與的公司或機(jī)構(gòu)較少，清華大學(xué)微電子學(xué)院在AlN 方面具備一定實(shí)力，北京中科漢天下正在建設(shè)AlN 生產(chǎn)線，計(jì)劃用于FBAR 濾波器。

（2）MEMS 制造

MEMS 超聲波傳感器是由大量的超聲波傳感器陣列構(gòu)成，技術(shù)難度大，壁壘高，主要通過MEMS 和CMOS 工藝結(jié)合的形式進(jìn)行制造和封測(cè)。因此具備MEMS 設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)技術(shù)的廠商將顯著受益這一些市場(chǎng)。

目前Invensense 的MEMS 超聲波傳感器主要是新加坡IME+格羅方德代工，其中新加坡IME 負(fù)責(zé)AlN 壓電陶瓷的研發(fā)，格羅方德負(fù)責(zé)MEMS 的量產(chǎn)。

（3）ASIC 芯片

由于具備3D 指紋圖像信息采集，甚至有望實(shí)現(xiàn)皮膚組織結(jié)構(gòu)和血管內(nèi)血流信息采集，因此超聲波指紋識(shí)別對(duì)圖像的處理要求更高，這使得高通等公司直接在其技術(shù)方案里集成了專用的ASIC 芯片。

3、模組制造方面

由于超聲波指紋識(shí)別技術(shù)還沒有大規(guī)模商業(yè)化普及，高通的技術(shù)方案剛剛被小米采用。因此，在模組制造方面，國內(nèi)公司還不具有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。但是，在電容式指紋識(shí)別領(lǐng)域，國內(nèi)公司舜宇光學(xué)、歐菲光、丘鈦科技、碩貝德等已經(jīng)積累了豐富的指紋識(shí)別模組制造經(jīng)驗(yàn)，有望在未來的超聲波指紋識(shí)別市場(chǎng)中受益。