指纹识别芯片模组厂商产业链重构新机遇详解Word下载.docx
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与Home结合正面按压采用的手机:
苹果手机官网:
美国新思国际（Synaptics）（收购了ValiditySensors）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（FingerprintCards）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:
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:
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:
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。
台积电、联电官网:
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:
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TFTLCD显示驱动&
控制方案、指纹识别方案以及ForceTouch（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:
苏州迈瑞微晶圆供给方:
中芯国际官网:
上海思立微晶圆供给方:
深圳信炜科技晶圆供给方:
华润上华/中芯国际官网:
深圳贝特莱晶圆供给方:
华虹宏力官网:
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:
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:
深圳芯启航科技晶圆供给方:
格罗方德（GF）官网:
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underglass方案。
在基于电容式原理的三种隐藏式方案是:
1、UnderCoverGlass:
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、InGlass:
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UnderGlassCutou:
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、LGInnotek的方案）,最具有可行性方案;
显然第3中方案具有可行性。
采用盲孔式UnderGlass方案的汇顶IFS技术已经成功商用到联想ZUKEdge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UnderGlass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GalaxyS系列是集成在正面Home键里,小米Note3、华为Mate8等放在了手机背部,LGV10植入到手机侧面的电源键里,努比亚Z9也是放在手机侧面。
手机上不同位的指纹识别
背面指纹识别体验不佳
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。
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
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UnderGlass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;
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;
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;
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。
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（UnderCoverGlass）是将指纹Sensor置于整个手机玻璃面板下面;
第二种（InGlass）更是将Sensor融合进玻璃之中（如IDEX的方案）。
第三种（UnderGlassCutout）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、LGInnotek的方案）;
三种隐藏式指纹识别技术细节第一种方案（UnderCoverGlass）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（InGlass）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。
在这三种方案中,第三种方案盲孔式UnderGlass被普遍看好,具有较大的可行性。
汇顶科技、FPC与LGInnotek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UnderGlass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ZUKEdge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。
采用汇顶IFS技术的联想ZUKEdge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UnderGlass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ZUKEdge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。
传统正面开通孔式指纹模组厚,影响屏占比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wirebonding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。
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。
苹果iPhone5s指纹识别模组拆解
蓝宝石的指纹识别模组成本结构电容式UnderGlass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+wirebonding（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（wirebond）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。
苹果iPhone5s指纹识别芯片layout苹果iPhone7指纹识别芯片layout
事实上,采用wirebond（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,wirebond并不是最佳方案。
同时,尽管iPhone5s结合了trench+RDL+wirebond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。
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TouchIDSensor（iPhone5s/6采用）为88x88像素阵列,第二代TouchIDSensor（iPhone6s/7采用）为96x112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。
第二代TouchID面积增大苹果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。
受限于Home键的尺寸,TouchIDSensor的芯片面积只能做到6.1mmx6.5mm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TouchIDSensor的像素面积是4.4mmx4.4mm,面积19.36平方毫米,略小于拐点1。
第二代的像素面积是4.8mmx5.6mm,面积26.88平方毫米,已经明显超过拐点2。
因此第二代TouchID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TouchIDSensor采用的trench+wirebonding工艺,还是第二代TouchID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wirebonding工艺。
Wirebond与TSV封装对比
典型的wirebonding封装
典型的TSV封装
目前,大多数指纹识别方案,芯片采用wirebonding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。
目前主流的正面开孔指纹芯片封装-wirebonding
典型的wirebonding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。
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wirebonding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wirebonding改为TSV封装,这将利好TSV封装产业。
正面开孔指纹识别——TSV封装
正面开孔指纹识别封装结构-trenth+wirebonding
电容式UnderGlass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,wirebonding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UnderGlass方案大势所趋的背景之下,TSV封装将取代wirebonding成为必然之选。
正面盲孔Underglass指纹识别TSV封装结构背面盲孔
Underglass指纹识别TSV封装结构
与此同时,SiP（SystemInaPackage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。
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。
采用SiP封装的applewatch中SI芯片
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。
几种主流的SiP封装方案
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wirebonding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UnderGlass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。
智能手机越来越薄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。
CNC精雕机用于玻璃开孔和磨边不同类型的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
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