全球指紋識別芯片的產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成

指紋識別芯片的產(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，另一大重要環(huán)節(jié)就是指紋識別芯片傳感器的制造、封裝以及模組制造：

1、芯片設(shè)計環(huán)節(jié)

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

2、芯片制造環(huán)節(jié)

主要有中芯國際、臺積電、聯(lián)電、Magnachip、華潤上華、世界先進、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，如按壓式藍寶石方案采用晶圓級封裝，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。

指紋識別方案發(fā)展趨勢

眾所周知，指紋識別在手機上的位置，主流為正面和背面，個別方案是放在側(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等放在了手機背部，LG V10 植入到手機側(cè)面的電源鍵里，努比亞Z9 也是放在手機側(cè)面。

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

1、盲孔式Under Glass指紋識別方案

自進入2017 年之后，隨著即將發(fā)布的iPhone 8采用屏下Touch ID指紋識別解決方案，安卓陣營的手機廠商勢必也會逐漸采用正面隱藏式指紋識別方案。在光學(xué)式和超聲波式指紋識別技術(shù)方案還不夠成熟，既要實現(xiàn)正面隱藏式指紋識別，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 置于整個手機玻璃面板下面；第二種（In Glass）更是將Sensor 融合進玻璃之中（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）識別精確存在較大的問題，超出電容原理極限，效果不理想。因為目前智能手機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，其識別精確度將大幅降低，因為信號在穿透玻璃時會發(fā)生強烈的衰減。盡管多家廠商在算法方面極力優(yōu)化，提高信號的信噪比，但是該方案仍然難以達到理想的效果。

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，此時臵于玻璃下方的指紋芯片，信號可以穿透玻璃，從而實現(xiàn)較高的識別精度。相比于第一種方案，本技術(shù)方案識別精度遙遙領(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 方案的難點在于：首先玻璃本身非常脆弱，如果挖槽，會降低整塊玻璃的強度，加大玻璃加工的難度，這對康寧、AGC、肖特等玻璃原材料供應(yīng)商和藍思、伯恩、星星科技等玻璃加工商而言，具有一定的挑戰(zhàn)性；為了提高信號的信噪比，減少信號在塑封材料中的損失，芯片的封裝需要采用先進的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 手機發(fā)布。2017 年2 月，華為發(fā)布全新旗艦機P10，部分手機采用了匯頂?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，基于現(xiàn)在主流的正面開通孔式方案的升級產(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別，由于可以提高屏占比，今年也可能被一些旗艦機型采用，也是重要趨勢之一。

采用“超薄式”正面玻璃/陶瓷蓋板的指紋識別模組，可以有效縮小整個模組的體積，尤其是厚度，從而使得整個模組的厚度不超過蓋板玻璃。這樣的話，手機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），從而大幅提升整個屏幕的屏占比。

目前，該方案已經(jīng)開始在多家手機廠商測試，有望成為今年的趨勢之一。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），信號強，成本低，缺點是容易損壞，不耐磨；藍寶石方案美觀，耐磨，但是加工難度大，成本高，用于中高端手機上；玻璃方案被眾多中低端手機所采用，成本比藍寶石低許多；陶瓷（氧化鋯）方案最近開始流行，與藍寶石相比其強度大，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。我們以藍寶石方案代表——iPhone5s 的指紋識別為例來說明，主要的模組結(jié)構(gòu)分為：藍寶石蓋板、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 指紋識別模組拆解

電容式Under Glass 指紋識別方案相比于目前的指紋識別會有非常大的變化。不需要專門的藍寶石、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)計和芯片封裝，以及玻璃加工的重要性越發(fā)明顯。

圖：藍寶石的指紋識別模組成本結(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)指紋識別方案，芯片采用wire bonding工藝進行封裝，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進行塑封處理，將金屬引線掩埋起來，形成平整的表面。塑封的存在會影響信號識別的精度，同時增加芯片的厚度，但是對于如今主流的開孔指紋形式來說，問題并不大，因為芯片+蓋板材料（或Coating）直接與手指接觸，仍然可以實現(xiàn)較好的指紋識別體驗。

圖：目前主流的正面開孔指紋芯片封裝-wire bonding

2016年以來，一些手機廠商開始向蘋果學(xué)習(xí)，對指紋識別芯片進行小規(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）。因為先進封裝直接的好處就是信號變強，指紋識別精度體驗更佳，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”方案是指紋識別兩個重要的趨勢。一方面，對于 “超薄式”正面玻璃/陶瓷蓋板的指紋識別方案，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指紋芯片的關(guān)鍵，具備先進的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

對于電容式Under Glass指紋識別，目前非常大的困難在于玻璃挖槽的良率問題，因為現(xiàn)如今的手機正面2D玻璃非常薄（0.5mm左右），2.5D玻璃0.7-0.8mm，直接進行挖槽的話，極容易造成玻璃的損壞。

圖：盲孔式指紋識別玻璃加工要求高

手機越來越薄是趨勢，這也是手機的重要賣點，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）的方式來實現(xiàn)指紋識別的話，為了保證電容式指紋識別的效果，需要將玻璃挖出0.2-0.3mm的方形盲孔，同時，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、鍥邊的垂直度對于指紋識別的最終效果影響極大，是最關(guān)鍵的幾個因素，這對于玻璃加工的要求非常之高，遠高于目前玻璃加工企業(yè)的良率保證水平。

圖：CNC 精雕機用于玻璃開孔和磨邊

對手機玻璃進行開孔和磨邊的主要設(shè)備是CNC精雕機，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大多正面采用2D/2.5D玻璃、背面為金屬機身。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，被稱為是當(dāng)前顏值最高的手機，并受到了市場的熱捧，一季度Galaxy S7/Edge銷量達到1000萬臺。

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弧形，3D玻璃蓋板或外殼的整個正面都會發(fā)生彎曲，凸出向外。

對于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)計和算法是識別效果的核心因素

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

對于電容式Under Glass 方案而言，指紋信號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。除了要提升驅(qū)動IC 的信噪比外，軟件算法的know how 更重要。算法方面的另一個難點則是由于圖像距離變遠，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IFS 方案專門開發(fā)了自適應(yīng)深度傳感技術(shù)和可變增強圖像處理技術(shù)。

圖：匯頂科技針對IFS 的自適應(yīng)深度傳感技術(shù)

未來超聲波式指紋識別產(chǎn)業(yè)鏈分析

對于未來的光學(xué)式Under Display 指紋識別方案，產(chǎn)業(yè)鏈與電容式方案將大為不同。出于信號信噪比的考慮，為了與手機顯示屏中的RGB 可見光相區(qū)分，同時減少環(huán)境光線的干擾，光學(xué)式指紋識別將采用近紅外光的光源。類似于虹膜識別、主動式人臉識別的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，整個產(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。

整個超聲波指紋識別產(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、捷成科創(chuàng)等，其中在最佳的AlN 壓電材料方面，目前國內(nèi)參與的公司或機構(gòu)較少，清華大學(xué)微電子學(xué)院在AlN 方面具備一定實力，北京中科漢天下正在建設(shè)AlN 生產(chǎn)線，計劃用于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)合的形式進行制造和封測。因此具備MEMS 設(shè)計、制造和封測技術(shù)的廠商將顯著受益這一些市場。

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 負責(zé)AlN 壓電陶瓷的研發(fā)，格羅方德負責(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，因此超聲波指紋識別對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。但是，在電容式指紋識別領(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別模組制造經(jīng)驗，有望在未來的超聲波指紋識別市場中受益。