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屏下指纹识别技术分类、封装及工艺流程汇总

前段时间,半导体巨头博通提出收购要约,拟斥资1000 亿元收购高通,该交易一旦成功将是半导体行业最大的一笔并购案。而生物识别公司FPC 也在瑞典发布了屏内指纹识别方案,该技术可以在智能手机显示面板的任意位臵补货与识别应用者的指纹。这种屏内指纹识别技术基于超声波传感器技术,可以穿透2cm 厚度的玻璃获取指纹信息,支持OLED 和LCD 显示屏。

什么是指纹识别呢?

指纹识别过程

主流指纹识别技术分类
电容式指纹识别

电容式指纹识别是利用手指皮肤表面作为一极,脊线和谷由于与芯片表面距离不同,形成不同的电容值,从而电容式指纹识别传感器获取指纹图像信息。

电容式指纹识别对于湿手指和脏手指的识别较弱,原因是手指或者芯片表面有水、汗液等杂物,使脊线和谷无法与传感器充分接触,导致电容值偏弱。电容式指纹识别第一次采集指纹需要多次按压,这是因为目前按压式采集会有采集指纹面积小的问题,需要多次按压拼出较大面积的指纹图像。

获得合格的指纹图像之后,还需要通过算法对图像进行强化和细化,获得比较清晰的图像,然后进行特征提取。

用户之后再次使用指纹识别时,只要通过特征点校对,手机就自动解锁。

电容式指纹识别又分盖板式、coating 镀膜式、隐藏式三种。

  • 盖板是指芯片保护材料是蓝宝石、玻璃或者陶瓷的电容式指纹识别;
  • Coating 镀膜是指在指纹芯片表面镀一层保护膜,相对于盖板更容易磨损,但成本比较低;
  • 隐藏式又分三种,Under Glass 需要在玻璃盖板上挖盲孔,目前工艺要求高,良率比较低;In Glass 将Sensor 融合进玻璃之中,工艺难度大,目前不具备量产条件;Under Cover Glass 方案达到电容识别极限,目前效果比较差。

超声波指纹识别

超声波指纹识别的原理与声呐类似,先发出超声波,然后接收靠特定频率的信号反射来探知指纹的具体形态,具体来讲就是利用超声波穿透材料的能力,根据不同材料产生的回波来区分指纹脊线与谷所在的位置。

超声波指纹识别能够穿透金属,玻璃等材料,能够在不开孔的情况下实现屏下指纹识别。

同时,超声波指纹识别受手指表面的污垢、水等的影响较小,依旧能够准确识别。

光学指纹识别

光学指纹识别是目前使用最广泛的指纹识别技术,它的原理是将手指放在光学镜片上,手指在内臵光源照射下,用棱镜将其投射在电荷耦合器件上,进而形成脊线呈黑色、谷呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。

但由于需要较长的光程和足够大的尺寸,到目前为止在智能手机中使用较少。并且光学指纹识别只能扫描到死性皮肤层,不能深入真皮层所以容易受指纹的洁净程度影响。

纹识别技术分类比较

指纹芯片封装
wire bonding(打线)工艺

目前大多数的指纹识别芯片封装还是采用wire bonding 工艺,采用wire bonding 工艺会有金属引线的存在,为了保证指纹识别芯片表面与盖板材料或者coating 贴合,则需要进行塑封,保证芯片表面平整并将金属引线掩埋。

但塑封之后会增加芯片厚度,一定程度影响识别精度。

厂商出于成本和TSV 产能限制的考虑,目前中低端产品更加趋向于使用wire bonding 工艺,特别是coating 方案,技术比较成熟,对于封装的要求比较低也更趋向使用wire bonding 封装工艺。

同时,虽然塑封对识别精度有影响,但开孔式指纹识别方案,手指与指纹识别传感器表面是有接触的,仍然可以保证比较好的用户体验。

开孔式指纹识别剖面图

TSV 封装

TSV 封装(硅通孔封装技术)可以使芯片的有效探测面积大幅度增加,并且使芯片的厚度和模组的厚度都实现缩减。但现在主要使用在高端机型前臵盖板指纹识别和盲孔电容式UnderGlass 指纹识别中。

这主要是因为高端机相对于价格更偏向考虑性能,而盲孔电容式UnderGlass 方案需要提高指纹识别穿透力和缩短识别感应器与用户指纹的距离,所在这两种情况下TSV 封装是更好的选择。

但考虑到今年下半年开始,高端旗舰机大部分将使用全面屏,指纹识别将大概率选择后臵coating 方案,指纹芯片使用TSV 封装的机会降低。

未来一年的时间里,指纹识别芯片封装推广应用TSV 封装的速度可能并不能达到大家预期。

但随着TSV 封装技术越来越成熟,成本降低,指纹芯片封装最终还是会选择TSV+SIP封装,使芯片和模组的体积更小性能更佳。

指纹识别模组结构叠层

盖板方案

coating方案

指纹识别模组生产工艺流程
coating方案

盖板方案

部分手机指纹识别IC厂商

Authen Tec

美国Authen Tec 在2012 年之前一直是全球指纹识别芯片龙头,当时市场上的指纹识别芯片几乎是由Authen Tec 和FPC 两家企业垄断,并且Authen Tec 市场份额远超瑞典FPC,份额比大约为8:2。但在2012 年被苹果收购后,独家供应苹果,此时FPC 加大研发投入、拓展市场,成为全球指纹识别新龙头。

而Authen Tec 从iPhone5S 开始一直到iPhone7,一直为苹果提供正面蓝宝石按压指纹识别设计方案(简称Touch ID)得到市场一直好评,成为智能终端加速推广使用指纹识别的转折点。

Authen Tec 现在也在研发屏下指纹识别,但是进展似乎并不顺利,根据目前曝光的iPhone8,指纹识别大概率设臵在电源键上,也就是在手机侧面,说明Authen Tec 的屏下指纹识别技术目前并未达到苹果要求。

Synaptics新思(Validity)

Synaptics 成立于1986 年,是一家全球领先的移动计算、通信和娱乐设备人机界面交互开发解决方案设计制造公司。2013 年Synaptics 以2.55 亿美元收购收购Validity 之后,Synaptics 便开始涉足指纹识别行业。初期提供的刮擦式识别方案体验差,合作手机厂商主要是三星和HTC。2015 年初Synaptics 才能够提供按压式指纹识别,目前主要是三星和国内二线手机厂商联想、金立等在使用。

2016 年,Synaptics 宣布旗下的第三代Natural ID 玻璃内层(under-glass)指纹传感器Natural ID FS4500 已经从9 月份开始出样。

同年,Synaptics 又宣布推出业内首款面向智能手机和平板电脑的光学指纹传感器的Natural ID™系列生物认证解决方案FS9100,该方案可穿透1mm 的完整盖板玻璃完成高分辨率扫描,并实现简洁、无需按键的工业设计。

Fingerprint Cards AB(FPC)

瑞典Fingerprint Card(FPC)是一家瑞典生物识别传感器科技公司,主要开发、生产和销售指纹识别技术,主打背面按压式coating 指纹识别方案。在国内厂商崛起之前,除了苹果、三星,其他手机厂商几乎都是使用FPC 的指纹识别芯片。到2016 年为止,还是全球指纹芯片出货量最大的公司,但市场份额正在被国内厂商所蚕食。而且国内厂商提供的指纹识别芯片性价比较高,对FPC 冲击较大。

汇顶科技

汇顶科技2013 年进入指纹识别市场,是目前唯一能够提供镀膜、盖板(玻璃、蓝宝石、陶瓷)、隐藏式(IFS)、活体指纹检测全系列芯片的公司,目前主打产品是玻璃盖板指方案和IFS 方案。2014 年与魅族合作推出前臵按压式指纹识别手机魅族MX4 Pro,一举打破苹果手机在前臵按压式指纹识别的垄断。

之后,汇顶科技又凭借技术和成本优势,获得国内一线手机厂商华为、OPPO、vivo、小米等的大量订单。

魅族2016 年旗舰机PRO6 Plus 搭载了汇顶的活体指纹识别芯片;华为P10、小米6 都使用汇顶科技的PC1268隐藏式指纹识别解决方案(IFS 方案)。

思立微

思立微目前已经拥有coating 指纹识别方案、陶瓷/玻璃/蓝宝石盖板指纹识别方案,主打产品还是后臵的coating 指纹识别方案。思立微的母公司是格科微,得益于思立微本身在触控领域的积累和格科微在摄像头领域的影响力,众多指纹识别模组厂商都与思立微有合作(合力泰、信利、硕贝德等)。

CrucialTec

CrucialTec韩国企业,光学触控键生产商。CrucialTe总裁曾宣布,公司成功研究出一种全新的玻璃陶瓷材料可以应用于指纹传感器。这种新材料其耐用性是现有高强度玻璃陶瓷材料的两倍,达到8H硬度,接近蓝宝石玻璃的9H硬度,但是价格要低很多,另外一大优点是能做到只有蓝宝石玻璃层十分之一薄。

其主要客户为三星、LG等。

敦泰

敦泰于2005年由数名来自美国硅谷IC业界的资深华人专家在美国注册成立,并于2006年迁址回亚洲,在深圳及台湾设立了研发及工程服务中心。2007年开始投入并逐渐全面专注于电容式触摸屏控制芯片的设计研发、制造及销售,是一家具有全球影响力的华人IC设计公司。

据敦泰高管介绍,敦泰的指纹识别采用基于软件无线电的高灵敏检测技术,与AuthenTec,FPC,Validity等芯片原理不同,敦泰采用了大量通信领域信道技术,完全不同的原理,更好的性能,也不存在相关行业的专利问题。

神盾

台湾公司,专注于电容式指纹识别传感器IC设计、研发、测试及销售业务,同时拥有IC设计技术与系统设计技术研发团队,包含晶圆制程与封装技术的设计能力。三星Note5搭载的是神盾的指纹识别方案。

· 2019-03-24 20:27  本新闻来源自:OLEDindustry,版权归原创方所有

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