據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，在2016年剛迎來開春之際，指紋識別的價格戰(zhàn)就已早早上演。從ODM廠商的反饋來看，已經(jīng)有指紋芯片廠商報出了3.2美金的模組價格。2014年指紋模組價格還維持在10美金以上的高位，2015年指紋模組價格直接砍半，跌到5美金附近，而到了今年開春，指紋模組價格就已經(jīng)跌至3美金附近。
指紋模組的價格很大程度上取決于指紋芯片，指紋芯片作為指紋識別的核心部件，其發(fā)展?fàn)顩r將直接左右指紋識別的未來。經(jīng)歷了去年從探索到駛上正軌的第一波發(fā)展小高潮后，當(dāng)前指紋芯片的現(xiàn)狀究竟如何，是哪些因素決定了指紋芯片的價格，指紋芯片與模組的價格底線到底在哪？《手機(jī)報》將從與指紋芯片息息相關(guān)的技術(shù)路線、算法以及封裝工藝三個方面，結(jié)合技術(shù)與市場，深度解析指紋芯片及模組價格的秘密。
一、核心技術(shù)路線與專利
近期，敦泰與信煒指紋識別侵權(quán)糾紛鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，也讓業(yè)界再一次聚焦指紋識別知識產(chǎn)權(quán)。
說到指紋識別，最關(guān)鍵的技術(shù)其實(shí)就是檢測手指電容的半導(dǎo)體電容傳感器技術(shù)。不管是主動式還是被動式，它都是電容式傳感器技術(shù)。就像“天下武學(xué)皆出自少林”一樣，現(xiàn)階段，所有指紋識別半導(dǎo)體傳感器技術(shù)都源于1997年5月16日Harris向美國專利商標(biāo)局遞交的名為ElectricFieldFingerprintSensorHavinEnhancedFeathersandRelatedMethods（具有增強(qiáng)特征和領(lǐng)先方法的電場指紋傳感器）的發(fā)明專利申請，該申請于1999年8月17日獲得授權(quán)，授權(quán)號US9540526。在該專利的說明書里，發(fā)明人介紹了以往的電容式指紋傳感器（Harris之前被稱作被動式Passive，Harris之后被稱作主動式Active），并基于電場理論提出了新的設(shè)計，提高了對指紋進(jìn)行探測的靈敏度，以提高傳感器表面保護(hù)介質(zhì)的厚度容限來增強(qiáng)可靠性。如圖1所示：
圖1
該公司后被Authentec收購，Authentec在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)出射頻式傳感器技術(shù)。而Authentec擁有的這項專利與技術(shù)也成為了蘋果收購它的原因之一。
美國的發(fā)明專利和設(shè)計專利的有效期為：95年6月8日之前的，保護(hù)期自授權(quán)之日起算17年；95年6月8日之后的，自最早申請日起20年，注意，是最早申請日起算。此外，如果保護(hù)范圍涉及組合物或者使用該組合物方法的專利，其有效期可以延長，最多可以延長5年。可以算一下，Harris的US9540526專利有效期至少可以到2017年5月16日。也就是說，在此期間，采用主動式的電容指紋識別的方案都繞不開這一技術(shù)的壁壘。
雖然電容式指紋傳感器及專利早在20年前就已經(jīng)存在，但其穿透能力比較弱，不能滿足現(xiàn)今的手機(jī)應(yīng)用。為了提高指紋傳感器的穿透能力，各指紋傳感器設(shè)計公司都是在原有電容傳感器專利的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)并申請專利。提高指紋傳感器穿透能力的有效辦法是消除PIXEL的寄生電容和噪聲，根據(jù)消除PIXEL寄生電容的方式，目前已形成兩大主流派別。
1.升壓與調(diào)制派
該技術(shù)流派簡單說就是采用浮地設(shè)計，需要使用外圍驅(qū)動或調(diào)制芯片配合起來消除PIXEL的寄生電容。
第一種是升壓。通過添加一顆驅(qū)動芯片，將電壓從一般的2.8~3.3V提升至12~16V。該方法雖然能極大提升芯片穿透力，但也帶來了功耗多的缺點(diǎn)。另外，有些人對電壓比較敏感，在使用時會有刺痛感。目前采用升壓方式提升穿透力的芯片廠商主要有思立微、信煒等。
升壓方式在使用體驗上存在缺陷，于是人們又采用了第二種方法，就是調(diào)制。該方法通過添加一顆調(diào)制芯片，TX驅(qū)動信號被調(diào)制到“浮地”，這樣金屬框就不用連接方波或正旋波的激勵信號。這樣既能提升穿透力，又解決了刺痛感的問題，但仍然沒解決功耗高的缺點(diǎn)。目前采用調(diào)制法的芯片廠商主要有蘋果、FPC和匯頂?shù)取?/span>
下圖是FPC申請專利的說明圖，通過外圍驅(qū)動芯片產(chǎn)生下圖所示驅(qū)動信號32，其優(yōu)點(diǎn)是通過PIXEL的浮地設(shè)計及配合外圍驅(qū)動芯片能夠?qū)IXEL的大部分寄生電容消除，其缺點(diǎn)是使用浮地設(shè)計，外圍驅(qū)動芯片不能整合到指紋芯片里面，設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要使用外圍驅(qū)動芯片，良率低，成本高。
以Harris的電容式傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)路線，目前蘋果走在了最前面。匯頂則在蘋果的基礎(chǔ)上提升了像素位數(shù)，將蘋果的8位像素提升至16位。而不論是升壓還是調(diào)制，都需要額外增加一顆芯片來解決穿透力的問題。這兩種方法的共同特點(diǎn)是：穿透力高、功耗高、成本高（多芯片）。
2.純電容式派
純電容技術(shù)的源頭來自于上世紀(jì)80年代的平板電容原理。由于已經(jīng)過去20年，該技術(shù)專利目前已經(jīng)過期，成為公用專利，因此不存在專利侵權(quán)的風(fēng)險。
純電容式技術(shù)使用電荷泵結(jié)構(gòu)的單芯片設(shè)計，不需要使用外圍驅(qū)動芯片配合來消除寄生電容，也可以不帶金屬環(huán)。目前采用純電容式技術(shù)的芯片廠商主要有費(fèi)恩格爾、邁瑞微、神盾等，另外，匯頂也剛推出單芯片產(chǎn)品。
下圖是費(fèi)恩格爾申請專利的說明圖。PIXEL設(shè)計只需幾個開關(guān)管，配合反饋電路及相應(yīng)的處理時序，實(shí)現(xiàn)消除寄生電容、PIXEL之間的FPN、及電源干擾。其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要外圍驅(qū)動芯片，功耗低，良率高達(dá)99%以上，成本較低。
總的來說，采用純電容式技術(shù)的傳感器具有成本低（單芯片）、功耗低（射頻式傳感器的四分之一）的優(yōu)點(diǎn)。但相對的，該技術(shù)對半導(dǎo)體工藝及傳感器設(shè)計團(tuán)隊的要求較高。
從目前指紋識別傳感器的兩種主要技術(shù)路線對比可以看出，從技術(shù)路線上就產(chǎn)生了價格區(qū)別——采用升壓或調(diào)制的指紋傳感器由于需要多顆芯片，成本自然較高；采用純電容式技術(shù)的指紋傳感器由于只需要單芯片，成本自然較低。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展及傳感器設(shè)計團(tuán)隊水平逐漸提高，純電容式技術(shù)的成本優(yōu)勢將愈發(fā)明顯。
二、指紋算法
除了技術(shù)路線外，還有一個影響指紋模組成本的重要因素就是傳感器的面積。傳感器面積越大，一塊晶圓可切割的芯片數(shù)量自然就少；傳感器面積越小，可切割的芯片數(shù)量自然就多。通過對傳感器面積的節(jié)約，可實(shí)現(xiàn)成本的降低。
而決定傳感器面積大小的關(guān)鍵就在于手機(jī)CPU和指紋算法。擁有一顆強(qiáng)大的CPU，即使傳感器面積較小，也能得到較高的精確度和較好的使用體驗；擁有一套強(qiáng)大的指紋算法，即使傳感器面積較小，也能在拒真率（FRR）和認(rèn)假率（FAR）這兩個重要指標(biāo)上達(dá)到應(yīng)用需求。本文只針對指紋識別算法本身進(jìn)行剖析，在此就先不談手機(jī)CPU運(yùn)算能力帶來的比對速度優(yōu)勢，只詳細(xì)分析下指紋算法技術(shù)線路的問題。
JPSensor總經(jīng)理蕭旭峰博士曾介紹稱，現(xiàn)在全球的指紋識別算法大部分來自前蘇聯(lián)的立陶宛和北朝鮮。因為要獲得更準(zhǔn)確的拒真率（FRR）和認(rèn)假率（FAR）參數(shù)，需要大量的指紋數(shù)據(jù)庫做支持，而這兩個地方的指紋采集是做得最好的。
目前，行業(yè)內(nèi)對于算法的使用主要有兩種方式：一種是采用自有算法，另一種是采用瑞典指紋算法廠商PreciseBiometrics（PB）的算法。采用自有算法的芯片廠商主要有蘋果、匯頂、神盾、邁瑞微，以及費(fèi)恩格爾等企業(yè)；采用PB算法的芯片廠商主要有FPC、思立微、敦泰、義隆、集創(chuàng)北方等企業(yè)。
采用PB算法的最大好處在于，PB算法可以通過第三方認(rèn)證，比較受到大品牌客戶的認(rèn)可。此外，PB算法還有一個好處是，其安全性比較接近傳統(tǒng)行業(yè)指紋識別的安全性。不過有業(yè)內(nèi)人士表示，這對于手機(jī)行業(yè)來說意義不大。該人士認(rèn)為，在今天，手機(jī)等移動終端的指紋識別更加注重的是便利性。
另外，PB算法也存在一些缺點(diǎn)。PB算法并不支持指紋傳感器圖像本身的去噪，對指紋傳感器本身的性噪比要求非常高，傳感器出來的圖像效果必須很好，否則使用體驗就會較差。從指紋傳感器技術(shù)來說，有些指紋傳感器不太適合采用PB的算法。因為當(dāng)這些指紋傳感器設(shè)計廠商想降低成本自己來控制性噪比的時候，由于PB算法不支持性噪比控制，這些廠商就必須加上自己的圖像預(yù)處理算法才能處理，整個運(yùn)算量就會增加。
總的來說，如果是主動式指紋傳感器，采用PB的算法能得到很好的效果；但如果是被動式指紋傳感器，或者是純電容式技術(shù)路線的指紋傳感器，就不太適合采用PB的算法。當(dāng)然，采用PB算法還有一個劣勢就是，PB算法要收費(fèi)。
讓我們來總結(jié)下目前行業(yè)內(nèi)采用指紋算法的現(xiàn)狀：
指紋識別算法幾個關(guān)鍵步驟：圖像預(yù)處理、指紋特征信息提取、指紋比對。圖像預(yù)處理都是針對自家傳感器性能來做優(yōu)化的，例如將對比度提高、消除更多的背景噪聲等。采用自有算法的芯片廠商在進(jìn)行這些優(yōu)化時更有利。而目前有很多芯片廠商都采用購買第三方算法的方式來縮減開發(fā)周期，這樣的做法一是不利于針對自家傳感器做更多的性能優(yōu)化，更最重要的是芯片成本會提高。
而在目前指紋算法的現(xiàn)狀下，傳感器面積尺寸主要分為了兩大陣營：大尺寸（120×120，192×80，及以上）和小尺寸（96×96，128×64）。
大尺寸陣營主要有采用自有算法的芯片廠商，比如邁瑞微等，和采用PB算法的芯片廠商，比如FPC等。小尺寸陣營主要是采用自有算法的芯片廠商，比如上文提到的蘋果、匯頂、神盾、以及費(fèi)恩格爾等芯片廠商。這主要是因為目前在業(yè)內(nèi)，自有算法的主流方向就是小面積算法。
直觀上來講，尺寸的減小一是利于客戶ID設(shè)計，二是成本的降低。從體驗上來講，得益于計算機(jī)視覺的蓬勃發(fā)展，小尺寸算法的拒真率（FRR）和認(rèn)假率（FAR）更優(yōu)秀，而且比對速度也更快。
三、半導(dǎo)體工藝及封裝
目前，指紋識別傳感器普遍采用8英寸晶圓0.18μm工藝，也有部分廠商采用0.35μm或0.5μm工藝。蘋果則更極端一些，采用了12英寸晶圓55納米的工藝。由此可以看出，目前市場上主要占用的是8英寸晶圓0.18μm工藝的產(chǎn)能。
據(jù)《手機(jī)報》統(tǒng)計，2015年國內(nèi)市場指紋手機(jī)銷量約為1～1.25億部，指紋識別滲透率在20%左右，有近60款一二線新機(jī)型搭載指紋識別。而在2016年，業(yè)界普遍預(yù)計指紋識別滲透率將上升至50%左右，市場規(guī)模翻一番，對指紋模組的產(chǎn)能需求也成倍增長。因此，今年市場對8英寸晶圓0.18μm工藝產(chǎn)能的需求會十分迫切。半導(dǎo)體廠對單片芯片晶圓成本的優(yōu)化以及在產(chǎn)能和價格方面的支持將會極大影響到指紋芯片廠商的競爭力。
當(dāng)前，國內(nèi)具備8英寸晶圓生產(chǎn)工藝的半導(dǎo)體廠主要有聯(lián)電、中芯國際、華虹宏力、臺積電、上海先進(jìn)、華潤上華、韓國東部高科等廠商。
而現(xiàn)階段占據(jù)大半安卓指紋識別市場的FPC就是與中芯國際展開合作。據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)IHS統(tǒng)計，2015年指紋識別芯片出貨量約達(dá)4.99億顆，F(xiàn)PC占有26%左右的市場份額，指紋識別芯片出貨量約為1.3億顆。FPC采用中芯國際8英寸晶圓0.18μm工藝，其產(chǎn)能達(dá)到3萬片/月。由于FPC的量非常大，它拿到了中芯國際最低的價格，一層光罩19美金，光刻層數(shù)為23層。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，除FPC外，思立微和邁瑞微同樣選擇與中芯國際合作，并且也采用了和FPC相同的工藝。但是，思立微與邁瑞微能夠拿到的價格與產(chǎn)能就無法與FPC相提并論。不過該人士猜測，思立微也有可能以格科微的名義拿到接近FPC的價格。而國內(nèi)另一家指紋識別芯片大廠匯頂，則是與德國的X-FAB展開合作，但該人士估計其價格應(yīng)該比國內(nèi)晶圓廠要貴。
另外，國內(nèi)指紋識別芯片廠商中有一家具有中國第二大晶圓廠華虹宏力背景，它就是費(fèi)恩格爾。費(fèi)恩格爾自然采用華虹宏力的8英寸晶圓0.18μm工藝，據(jù)稱該工藝只需要17層光罩。至于價格與產(chǎn)能供應(yīng)方面，雖然相關(guān)人士并未透露，但相信有華虹宏力背景在，應(yīng)該會有一定優(yōu)勢。
至于臺系指紋識別芯片廠商，則主要是與臺積電、聯(lián)電，以及格羅方德合作。這三家晶圓廠給臺系企業(yè)的價格與給大陸企業(yè)的價格體系不一樣，因此無法直接比較，暫時未知。不過據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，臺系指紋識別芯片廠商在臺灣晶圓廠拿到的成本價格應(yīng)該比較有優(yōu)勢，這三家晶圓廠給臺系企業(yè)的價格應(yīng)該不貴，因為有些臺系芯片廠商甚至直接拿著晶圓在大陸賣。但據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，“FPC從中芯國際拿到的一層光罩19美金的價格已經(jīng)是非常低了，然而據(jù)了解，如果費(fèi)恩格爾在華虹宏力確實(shí)只需要17層光罩，整體成本應(yīng)該也很有競爭力。”
而在封裝方面，2015年，封裝技術(shù)得到了長足發(fā)展，國內(nèi)的長電與華天兩大巨頭也積極展開布局，提升自己的技術(shù)實(shí)力。尤其是借助資本市場完成了幾筆重要收購，打入高端市場。
目前，封裝方面的節(jié)點(diǎn)還是在于是否采用Trench和TSV的封裝工藝。
雖然Trench和TSV封裝工藝能提升性能，但由于Trench和TSV產(chǎn)能屬于稀缺資源，在高端指紋識別封裝領(lǐng)域，國內(nèi)僅有長電、華天等少數(shù)幾家封裝廠能生產(chǎn)，對于想要大量出貨的指紋芯片廠商和終端品牌廠商來說，這都是一個不穩(wěn)定因素。據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，這就導(dǎo)致了目前許多指紋識別芯片廠商想方設(shè)法擺脫Trench和TSV封裝工藝。如果順利擺脫Trench和TSV封裝工藝的話，那么各家指紋識別芯片廠商的封裝成本就基本趨于一致，包括價格和良率。
該人士還表示，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前還未擺脫Trench和TSV封裝工藝的指紋識別芯片廠商主要就是FPC。如果大家都擺脫了Trench和TSV封裝工藝，這就降低了對封裝廠的技術(shù)要求，提升封裝良率，單顆芯片的封裝成本將會統(tǒng)一降到0.3美金左右。
至此，我們已經(jīng)總結(jié)出了核心技術(shù)、算法、和半導(dǎo)體制造及封裝工藝對指紋識別傳感器成本價格產(chǎn)生的影響。讓我們來簡單計算一下指紋識別傳感器最低成本價格：
假設(shè)該傳感器是純電容式技術(shù)的單芯片結(jié)構(gòu)，采用自有算法，傳感器面積為96×96，采用8英寸晶圓0.18μm工藝，一塊8英寸晶圓的價格按照FPC的價格，預(yù)計在450美金左右，良率為99%。
那么我們算得，一塊8英寸晶圓大概能切割出600-800顆芯片，得出一顆芯片成本在0.6-0.9美金左右。
假設(shè)封裝工藝不采用Trench和TSV，那么封裝成本就在0.3美金左右，加上芯片成本最后就是0.9-1.2美金如果加上Trench或者TSV，成本則上升到1.2-1.5美金左右
如果采用最便宜的coating方案，在不帶金屬環(huán)的情況下，后段加工經(jīng)過coating、SMT+FPC等組裝，最終指紋模組的成本價格大概在2.2-2.8美金左右。
所以我們認(rèn)為，最終市場上會出現(xiàn)2.5美金親民價格的指紋模組。
01月07日 18:14
