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全面屏时代来袭 指纹识别的未来如何?
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日期:2017-04-18 09:19:49来源:沙龙365官方网站 点击:511
核心提示:全面屏无疑是目前最火的话题。无论是三星推出的18 5:9的Galaxy S8,还是传说中也会使用全面屏的Apple iPhone8,都吸引不少用户的目光。

       全面屏无疑是目前最火的话题。无论是三星推出的18.5:9的Galaxy S8,还是传说中也会使用全面屏的Apple iPhone8,都吸引不少用户的目光。

       而若使用全面屏, 手机厂商就需要解决听筒,距离传感器,摄像头和指纹如何摆放的问题。前三者我们今天不做过多的讨论,尤其听筒和距离传感器,小米已经给出了比较好的完整解决方案。我们今天重点来看看指纹的发展。

       目前指纹识别已经成为智能手机的最常见的功能之一。手机解锁,安全支付,休眠唤醒,一指一应用等功能使得人们越来越离不开指纹识别。

       有数据显示,2016年的指纹识别传感器的出货量已达6.89亿颗,相较2013年的2300万颗,CAGR达到210%。调研机构Yole预测,未来5年,指纹识别市场的复合年增率(CAGR)将达到19%,市场规模有望从2016年的28亿美元,增加到2022年的47亿美元。

       从技术方面来看:

       指纹识别目前主要有三种技术: 电容式,光学式和超声波式。

       目前市面上看到最成熟的指纹手机基本都是电容式的。Apple采用的生物射频原理类似电容式的原理。而小米采用的则是为数不多已量产的高通的超声波式指纹识别芯片。

       电容式/射频式:

       电容式指纹模块是利用指纹sensor与导电的皮下电解液形成电场,指纹的高低起伏会导致二者之间的压差出现不同的变化,借此可实现准确的指纹测定。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。

       做电容式指纹识别的芯片供应有:

       Apple:

       Apple在 2012年7月以3.56亿美元收购了AuthenTec,并在 2015年6月从倒闭的生物识别安全公司Privaris购买了大量与指纹识别及触控屏技术相关的专利,使得Apple在指纹方面有着非常强的技术专利和技术能力。Apple的指纹识别芯片是由台积电完成晶圆代工,台湾精材、晶方科技完成晶圆级封装,日月光负责后续封装与测试以及SiP模组制作。

       FPC:

       得益于AuthenTec只对Apple提供产品和技术,FPC成了非Apple手机阵营中指纹识别芯片的老大。国内第一款带有指纹识别的手机康佳K5就是采用了FPC的指纹芯片,2014年华为Mate 7也采用了FPC指纹芯片。随后国内越来越多的品牌客户开始采用FPC的指纹芯片。但随着国内Goodix,Silead等国内指纹识别公司的崛起,2017年开始FPC先在华为P10上输给了Goodix,后又在Mate 10上输给了Silead,只成为这两个项目的Second Source,日子变得不太好过。今年FPC也开始通过低价来抢回市场。

       Goodix:

       2002年成立,2006年进军触控领域。虽然经历了过2014年魅族MX4 Pro性能风波,但大的品牌手机厂商不愿意看到FPC一家独大,所以Goodix去年开始得到了国内的华为、OPPO、vivo、乐视、中兴、小米等众多公司的认可。凭借多年的技术积累和孰知中国市场,Goodix今年极有可能挑落FPC,成为安卓手机市场里指纹识别芯片的新老大。

       Silead:

       最早做触摸屏芯片,在平板触摸屏芯片上占有很高的市占。2014年开始研发指纹芯片。由于进入指纹芯片领域较早,获得了不少的技术积累,所以今年被华为多款机型采用。2017年有机会月出货10M以上。

       神盾:

       2007年成立,专注于被动电容式指纹识别芯片的开发和销售。由于自家算法做的很好,所以其算法很早就被Samsung手机所采用。目前Samsung低端手机也开始采用神盾的指纹芯片。但由于国内市场做的不够好,在国内很少听到神盾的声音。

       Synaptics:

       1986年成立。2013年10月,Synaptics以2.55亿美元收购Validity。主要客户为Samsung,hTC和ASUS。但是在国内基本没有公司采用其指纹芯片。近期Synaptics宣布投资上海萝箕技术有限公司,并达成独家合作关系,进入光学指纹领域。

       迈瑞微:

       在指纹芯片设计和生产上有自己独到的见解,但主要客户都是做PCBA的小公司,并没有做进品牌客户。

       Chipone:

       凭借与联芯的合作,在部分品牌客户上有一定份额。但是自身的品牌知名度一直没有建立起来。

       Focal敦泰:

       2014年底敦泰推出指纹芯片,但是之后敦泰的指纹业务差不多就陷入了停滞。目前敦泰指纹芯片出货非常少。主要原因则是其原有指纹识别技术团队大部分骨干的出走。一部分人跟着莫良华(敦泰原副总)成立了信炜科技,另外一批人则成立了芯启航,这两家公司都定位于指纹识别领域。

       信炜:

       前敦泰莫良华成立的公司,技术实力不错。但由于存在与老东家敦泰说不清的过往,后续的发展是否会有影响,尚不得知。

       费恩格尔:

       华虹集团是费恩格尔的大股东,当前费恩格尔所有的指纹芯片产品均在华虹集团自己的 Foundry工厂华虹宏力生产,使得费恩格尔指纹识别芯片在品质和产能有了很好的保障。但由于进入这个市场比较晚,只能通过打价格战来占有一席之地。

       BOE:

       BOE的指纹芯片,今年开始量产。由于还没开始大规模推广,所以知道的人并不多。BOE将Sensor部分用自家擅长的TFT制程工艺替代了传统的硅片工艺,再外加一颗简单的转换芯片COB到玻璃上,从而实现指纹功能。这样做降低了指纹对晶元的消耗,避免在指纹大规模生产时需要跟Camera Sensor抢产线的诟病。毕竟BOE有充足的TFT产线,并且这样也可以将指纹芯片做的更薄。 BOE通过这样的方式,与主流产品相同性能的情况下,价格更具杀伤力。

       电容式指纹还有IDEX,韩国的CanvasBio,义隆,比亚迪,贝特莱,芯启航,茂丞,图正等指纹芯片公司,由于份额比较小,就不一一陈列。

       光学式:

       光学式指纹模块是利用光线反射成像识别用户指纹,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,所以刚开始大家并没有考虑采用光学式。但随着UnderGlass,UnderDisplay的出现,穿透率很强的光学式又开始被大家研究起来。

       采用光学技术采集指纹历史最悠久,使用最广泛。目前用于门禁的指纹都是用光学技术。但在手机上,由于需要内置光源,需要外加触控唤醒而一直没有流行起来。

       目前光学指纹识别芯片方面,目前主要已知的是上海萝箕(OXI),Goodix,和印象认知在研发。两家公司在去年就已经在推广,但并没有受到关注。今年UnderGlass和UnderDisplay的出现,使的光学指纹穿透能力强的优势发挥出来,相信随着技术的成熟,光学指纹会有一定的市场份额。另外,汇顶和思立微等传统指纹公司也在考虑光学指纹方案。

       超声波:

       射频式,原理与探测海底物质的的声纳类似,是靠特定频率的信号反射来探知指纹的具体形态的。这一类指纹模块最大的优点是穿透力强, 可实现3D指纹。但由于目前整个生态链还不够完善,没有看到太成熟的解决方案。

       超声波指纹识别芯片方面,除了Qualcomm外,Sonavation和InvenSense也在研发超声波技术。但除了Qualcomm,另外两家还未看到可量产的产品。InvenSense最快将于2017年下半年推出超声波指纹芯片。

       从指纹芯片的摆放位置来看:

       指纹芯片的摆放位置更是直接影响着指纹技术未来的发展方向。

       指纹识别芯片在手机中的摆放位置从去年开始有些变化。最早的时候,很多手机如Apple 一样将指纹芯片正常放在手机正面(如下图)或背面。

       可以看出,是把手机表面的表层玻璃上打一个通孔,然后将指纹芯片嵌入其中。但将指纹识别放在Home键的位置也有些问题:Home键容易损坏,不宜做到防水防尘,而且ID配色较难,使得取消Home键成为行业发展的大趋势。若将Home键取消,Under Glass技术(如下图)是不错的选择 。

       但目前电容式指纹识别芯片仅能穿透300um的玻璃盖板,而一般的玻璃盖板厚度都在500um左右,若做2.5D/3D屏时,厚度甚至超过了700um。于是在电容式方案没有解决穿透性能前,各家的做法则是挖一个盲孔在需要放指纹识别芯片的地方,也就是将玻璃局部打薄,使得指纹识别芯片可以工作。按上面一种方式(即上层打薄)做还有一个好处就是方便用户找到指纹识别芯片的位置。

       局部打薄也并非万无一失,这样会导致表层玻璃更容易摔碎。光学指纹和超声波指纹则有机会穿透的更厚的玻璃,所以成为大家关注的焦。

       而今年开始,很多品牌手机厂商开始采用全面屏,因为更高的屏占比为用户带来更好的用户体验,但更高的屏占比也使得指纹识别芯片的摆放位置变的更加紧张。目前看到的一种解决方案则是Under Display(如下图)。

       将指纹识别芯片放在屏幕的下方则是一个不错的选择。但电容式穿透能力差,在这种模式下基本已无法工作。光学式和超声波式则是最佳选择方案。相对超声波方案的产业链不够成熟,目前光学指纹更具可实现性,只是目前的光学指纹识别技术并不成熟,而且AMOLED的透光率不高,并不能使的指纹芯片准确识别,这可能也是Samsung未选择光学指纹,而将指纹放在背面的最主要的原因吧。

       不过即使光学指纹克服了自身的技术缺陷,若还是像普通指纹识别一样只有很小一个区域去做指纹识别区域的话,用户不易找到识别区域则会带来非常差的用户体验。所以UnderDisplay方案极有可能需要一个较大面积做指纹识别区域。

       而UnderDisplay后,下一个技术发展方向则是InDisplay,即类似In-Cell一样,将指纹识别芯片埋入AMOLED里面(如下图)。

       不过如UnderDisplay一样,InDisplay也会有用户体验问题,所以可能也需要一个很大的指纹感应区域。

       按Yole的分析,2017年指纹还主要是以UnderGlass为主。到了2019年UnderDisplay技术才会成熟,而InDisplay技术则需要到2021年才会变成熟。

       不管是UnderDisplay,还是InDisplay,若采用光学式指纹识别技术,在TFT LCM上使用还是难度很大,主要还是得用AMOLED。

       为什么必须用AMOLED?

       这个是跟这两种屏的结构有很大的关系:

       先看看TFT LCM的结构。由于TFT LCM需要背光(Backlight),一般都是将背光LED下面增加导光板,这样可以将LED的光线更好的向液晶方向反射出去,实现更高的亮度。正因为导光板的存在,使得光线无法穿透TFT LCM,而无法实现光学指纹识别。

       而AMOLED则不会有这样问题。因为AMOLED是自发光,自身不需要背光LED和反射板。而且AMOLED的RGB像素点之间的缝隙可以通过一些工艺,使得光线穿过去。光学指纹芯片接收到这些光线后,再做运行相关算法去识别指纹,实现UnderGlass。同理,AMOLED的RGB像素点之间也有机会放下光学指纹的sensor,实现InGlass。

       不过无论UnderDisplay还是InDisplay,若用光学指纹,都会存在分辨率与指纹识别平衡的问题。分辨率越高,留给光学指纹的缝隙越小,光学指纹越难实现。据传言,Apple的5.8‘ 屏幕,仅上面5.15’ 可以使用,属于高分辨率区域。而下方的指纹区域只是做了一个触摸区域。若真是这样,光学指纹的UnderDisplay还有很长的路要走。

       对于超声波部分,由于超声波自身的特点可以穿透玻璃、陶瓷、塑料,甚至金属,因此也成为除光学外另外一种可实现UnderGlass和InGlass的技术。但由于在技术成熟度和制造工艺方面的问题,目前超声波的穿透厚度还达不到理想状态(如采用高通超声波方案的小米5S正面仍然有减薄挖孔)。而且超声波用到的压电材料可量产公司少,价格贵,也会制约超声波技术向前发展。

       指纹识别的未来如何?

       全面屏的到来,将指纹识别技术从电容式转向光学式和超声波发展。但小编认为电容式指纹并不会那么快消亡。

       低端指纹芯片方面:由于目前电容指纹模组价格非常便宜,都已经低于2个美金以内,很快有可能降至1个美金左右。如此低的价格,相信短期内电容指纹芯片不仅不会被替代,还会推动指纹识别的普及率。今年低端指纹芯片市场里,将会是一场恶战。被Goodix和Silead抢去华为订单的FPC已经放下了高姿态,信誓旦旦的想通过低价,半标准化产品抢回市场。另外一方面拥有自己Fab的BOE,以及华宏投资的费恩格尔也会给那些量不大,跟Fab关系一般的指纹芯片公司,不小的冲击。

       高端指纹芯片方面:为了获得更好的用户体验,无论是UnderDisplay还是InDisplay,都需要比普通指纹芯片面积大很多,其成本势必会增长。UnderDisplay/InDisplay目前都需要AMOLED的配合,在目前AMOLED主要供货只有Samsung的情况下,指纹厂商需要发展UnderDisplay和InDisplay技术还是很难。如何在高分辨率下做到真正的UnderDisplay和InDisplay还要一段时间去发展。而且国内使用AMOLED的机型也肯定都是高端机型。所以光学式和超声波方案预计前期主要应用在高端机型上。

       从长远发展来看,由于做UnderDisplay/InDisplay,都需要跟面板厂商完美配合才能实现最好的性能。当各家的光学/超声波方案都变得成熟起来的时候,用谁家的指纹芯片,面板厂商将会有一定的话语权。

       而且目前指纹Sensor也可以做在玻璃上,做电容式的BOE用自家的TFT工艺;上海萝箕(OXI)采用了天马的4.5代线;据传高通的sensor部分也是高通设计超声用TFT代工,都说明指纹的Sensor部分可以采用TFT工艺来取代传统的指纹硅片工艺。而面板厂商可以采用较低规格的4代线,4.5代线生产指纹sensor,成本非常低,甚至可以自己设计指纹Sensor部分。其实相比camera sensor,晶圆厂更愿意为指纹sensor代工,因为指纹相对面积更大,工艺更难。现如今面板厂要抢晶圆厂的饭碗,势必让晶圆厂非常难受。

       据群智咨询保守测算2017年全球使用全面屏的智能手机的出货规模约为1.3-1.5亿台,占比约为10%。不仅Samsung,Apple会采用18:9的全面屏,LG,Sony,国内的华为,OPPO,VIVO,小米,金立,联想和魅族都有可能在今年推出全面屏手机。一方面是高端的全面屏,一方面是BOE,天马已经进入指纹Sensor领域,长远来看,面板厂商将会影响指纹sensor,LCD driver IC,触摸屏driver IC供应商未来技术和生产的发展。

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