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2023年] 指纹识别模组行业分析
2023年] 指纹识别模组行业分析
来源:米6体育app官网 作者:米6体育app官网登录 【发表时间】2024-03-20 【点击次数】15

  伴随技术的革新以及应用场景的持续增多,生物识别市场将保持高速增长的态势,根据中研普华预计2024年中国生物识别行业市场规模将增长至600亿元,未来五年复合增长率为22.6%。从市场规模来看,现阶段,全球生物识别领域市场占有率排名前三的技术为指纹识别、人脸识别以及虹膜识别,2021的市占率分别为52.8%、23.1%以及9.1%。

  指纹识别模组是利用人类指纹的唯一性,通过采集指纹图像进行比对来识别身份的一种技术。它需要先采集指纹并对指纹进行DSP图像处理从而生成细节清晰的指纹图像来进行对比给出结果,其核心部件还是内嵌的指纹识别芯片,主要通过指纹识别芯片来实现指纹图像采集、特征提取、指纹对比等。目前指纹识别技术不仅广泛应用于银行、社保、电商和安防等领域,而且越来越多的手机、笔记本电脑、智能家居和汽车也推出指纹识别功能,既满足了安全性的需求,也让使用更加便捷。

  一般来说,一个模组会由(自上而下)Bezel、coating、Chip、FPCBA、PSA,这几部分组成。1、Bezel 外圈的范围比较广泛,在如iPhone上,外圈是信号增强或触发器,但是对于大部分的正面和背面的模组,外圈只不过是一些倒角或者装饰环,用来过渡或者结构需要。2、Coating材料为酯类的 PU 或UV 型高硬度混合体或复合体涂料;可根据客户 ID 进行不同配色。3、Chip 传感器和芯片这部分是产业链的核心部件,可以把封装方式分成BGA和LGA,这两种方式都各有自己的优缺点。但有趣的是,除了Synaptics采用了BGA封装形式,其他如敦泰/汇顶/思立微等主流厂商都采用了LGA封装形式。4、FPC 柔性印刷电路板,承载指纹芯片和 Ring 环的主要组件,通过印刷导电线路和连接器连接 Host 端,需具备高强度耐弯折性。

  指纹识别模组包含两个模块,指纹识别模块和触摸唤醒模块。为了降低系统的待机功耗,系统在休眠时,指纹识别模块断电不工作。触摸唤醒模块正常供电和正常工作,当触摸唤醒模块的驱动信号打到唤醒 KEY_PAD(集成在 sensor 里)上,进行触摸唤醒检测。用户触摸 SENSOR 表面后,触摸唤醒模块输出中断信号至主控 MCU,主控 MCU 被唤醒以后,对指纹识别模块上电,指纹识别算法芯片完成初始化,进行指纹匹配。指纹匹配完成后,主控 MCU 控制指纹模块断电,随后系统进入休眠模式,等待下一次指纹操作。

  1998年首款搭载指纹识别技术的西门子手机诞生,此部原型机向世界证明手机搭载指纹识别的可能性;

  2003年富士通推出第一款支持指纹识别的手机,指纹技术来自AnthenTec,此时,尚不成熟的指纹识别只能当作概念,而非功能;

  2011年摩托罗拉首款指纹识别智能手机MOTOMB860出现,指纹识别位于机身顶部,与电源键整合,主要用于开机解锁,但是依然没有引自人们的注意;

  2013年9月iPhone5s诞生,彻底点燃指纹识别市场,首款按压式指纹识别、支持解锁/支付、与Home键完美融合等技术。全世界的高端旗舰手机都开始攻关指纹识别技术,可以说苹果为手机指纹识别的普及做出了极大贡献;

  2014 年 12 月,魅族发布 MX4 Pro,国产手机中首款安卓正面按压式指纹识别手机。成为除 Authentec 之外第一家做出正面按压式指纹识别的厂商, 技术来自汇顶科技,且 designed by 汇顶 in China ;

  2015年4月,三星发布了旗下首款支持正面按压式指纹识别的—GalaxyS6,指纹识别技术来自Synaptics。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  (Ⅰ)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;

  (Ⅳ)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。

  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。

  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。

  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。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。

  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。

  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。

  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。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。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。

  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。

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

  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。

  MEMS 传感器是由大量的传感器阵列构成,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 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。


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