指纹识别将迎新一轮黄金发展期 产业链优化升级在望

2017-08-22 10:34 产业观察   来源:手机报在线

导读自2013年苹果发布的iPhone 5s首次搭载指纹识别模组以来,短短4年间指纹识别几乎已经成为智能手机的标配。指纹识别模组技术的成熟,模组产品良率的提升以及生产成本的下降,使得千元以下的智能机也开始大量搭载指纹识别模组。  

自2013年苹果发布的iPhone 5s首次搭载指纹识别模组以来,短短4年间指纹识别几乎已经成为智能手机的标配。指纹识别模组技术的成熟,模组产品良率的提升以及生产成本的下降,使得千元以下的智能机也开始大量搭载指纹识别模组。

当前,指纹识别主要采用前置指纹识别和后置指纹识别及侧面指纹识别三种常见方案,其中,又以前置和后置方案识别居多:比如苹果iPhone 7、小米6等采用的是前置指纹识别方案,三星Galaxy S8和华为Nova等则是将指纹识别后置。

而相对来说,指纹识别前置比后置更能够增强用户的用户体验。随着18:9全面屏的铺开,手机行业圈内人士可以明显感觉到指纹识别方案与全面屏高屏占比的设计相左,于是屏下,屏内,光学式,超声波式等方案被相继提出,我们有理由相信,指纹识别将迎来新一轮黄金发展期。

指纹识别方案的发展变化

1、盲孔式Under Glass指纹识别方案

自即将发布的iPhone 8的消息不断被爆料以来,苹果的指纹识别方案也备受瞩目,有消息称其将采用屏下Touch ID指纹识别解决方案,而此消息一出,安卓阵营的手机产商坐不住了,纷纷将目光转向正面指纹识别。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情况下,盲孔电容式指纹识别无疑成为了目前最有前景的under glass方案。

基于电容式原理的三种隐藏式方案是: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;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。

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。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。需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。

第三种方案盲孔式Under Glass 被普遍看好,具有较大的可行性。是汇顶科技、FPC 等厂商的力推的识别方案,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,此时置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。

2、正面盖板“超薄式指纹识别方案”

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,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。

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),从而大幅提升整个屏幕的屏占比。

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、蓝宝石盖板、玻璃盖板和陶瓷盖板四类。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。

Coating方案是直接在芯片正面镀膜,信号强,成本低,缺点是不耐磨,容易损坏;蓝宝石方案美观,耐磨,但是加工难度大,成本高,大部分用于中高端机型;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。

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;芯片制造也不会发生大的变化,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

目前,大多数指纹识别方案,芯片采用wire bonding工艺进行封装,因其技术成熟,且成本低。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+盖板材料直接与手指接触,仍然可以实现较好的指纹识别体验。

前文提到,电容式Underglass方案与正面盖板“超薄式”方案是指纹识别两个重要的趋势。一方面,对于 “超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板的指纹识别方案,由于玻璃非常薄,传统的wire bonding封装难以有效缩减芯片厚度,采用TSV封装可以解决该问题。

另一方面,对于电容式Under Glass方案,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;而采用TSV 的指纹芯片能够实现与玻璃的直接贴合。因此,“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

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。

而玻璃槽面的平整度、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。综上,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。

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。

综上,指纹识别芯片的产业链主要包括芯片传感器电路方案和算法设计、指纹识别芯片传感器的制造、封装以及模组制造。而每一次指纹识别方案的出新,都将促使产业链上的各个环节的技术出新和升级,同时也会淘汰相对落后的技艺,究竟指纹识别方案的变化发展能使产业链产生什么样的反应,且让我们拭目以待!

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