据业内人士透露，在2016年刚迎来开春之际，指纹识别的价格战就已早早上演。从ODM厂商的反馈来看，已经有指纹芯片厂商报出了3.2美金的模组价格。2014年指纹模组价格还维持在10美金以上的高位，2015年指纹模组价格直接砍半，跌到5美金附近，而到了今年开春，指纹模组价格就已经跌至3美金附近。
指纹模组的价格很大程度上取决于指纹芯片，指纹芯片作为指纹识别的核心部件，其发展状况将直接左右指纹识别的未来。经历了去年从探索到驶上正轨的第一波发展小高潮后，当前指纹芯片的现状究竟如何，是哪些因素决定了指纹芯片的价格，指纹芯片与模组的价格底线到底在哪？《手机报》将从与指纹芯片息息相关的技术路线、算法以及封装工艺三个方面，结合技术与市场，深度解析指纹芯片及模组价格的秘密。
一、核心技术路线与专利
近期，敦泰与信炜指纹识别侵权纠纷闹得沸沸扬扬，也让业界再一次聚焦指纹识别知识产权。
说到指纹识别，最关键的技术其实就是检测手指电容的半导体电容传感器技术。不管是主动式还是被动式，它都是电容式传感器技术。就像“天下武学皆出自少林”一样，现阶段，所有指纹识别半导体传感器技术都源于1997年5月16日Harris向美国专利商标局递交的名为ElectricFieldFingerprintSensorHavinEnhancedFeathersandRelatedMethods（具有增强特征和领先方法的电场指纹传感器）的发明专利申请，该申请于1999年8月17日获得授权，授权号US9540526。在该专利的说明书里，发明人介绍了以往的电容式指纹传感器（Harris之前被称作被动式Passive，Harris之后被称作主动式Active），并基于电场理论提出了新的设计，提高了对指纹进行探测的灵敏度，以提高传感器表面保护介质的厚度容限来增强可靠性。如图1所示：
图1
该公司后被Authentec收购，Authentec在此基础上进一步研发出射频式传感器技术。而Authentec拥有的这项专利与技术也成为了苹果收购它的原因之一。
美国的发明专利和设计专利的有效期为：95年6月8日之前的，保护期自授权之日起算17年；95年6月8日之后的，自最早申请日起20年，注意，是最早申请日起算。此外，如果保护范围涉及组合物或者使用该组合物方法的专利，其有效期可以延长，最多可以延长5年。可以算一下，Harris的US9540526专利有效期至少可以到2017年5月16日。也就是说，在此期间，采用主动式的电容指纹识别的方案都绕不开这一技术的壁垒。
虽然电容式指纹传感器及专利早在20年前就已经存在，但其穿透能力比较弱，不能满足现今的手机应用。为了提高指纹传感器的穿透能力，各指纹传感器设计公司都是在原有电容传感器专利的基础上进行改进并申请专利。提高指纹传感器穿透能力的有效办法是消除PIXEL的寄生电容和噪声，根据消除PIXEL寄生电容的方式，目前已形成两大主流派别。
1.升压与调制派
该技术流派简单说就是采用浮地设计，需要使用外围驱动或调制芯片配合起来消除PIXEL的寄生电容。
第一种是升压。通过添加一颗驱动芯片，将电压从一般的2.8~3.3V提升至12~16V。该方法虽然能极大提升芯片穿透力，但也带来了功耗多的缺点。另外，有些人对电压比较敏感，在使用时会有刺痛感。目前采用升压方式提升穿透力的芯片厂商主要有思立微、信炜等。
升压方式在使用体验上存在缺陷，于是人们又采用了第二种方法，就是调制。该方法通过添加一颗调制芯片，TX驱动信号被调制到“浮地”，这样金属框就不用连接方波或正旋波的激励信号。这样既能提升穿透力，又解决了刺痛感的问题，但仍然没解决功耗高的缺点。目前采用调制法的芯片厂商主要有苹果、FPC和汇顶等。
下图是FPC申请专利的说明图，通过外围驱动芯片产生下图所示驱动信号32，其优点是通过PIXEL的浮地设计及配合外围驱动芯片能够将PIXEL的大部分寄生电容消除，其缺点是使用浮地设计，外围驱动芯片不能整合到指纹芯片里面，设计结构复杂，需要使用外围驱动芯片，良率低，成本高。
以Harris的电容式传感器技术为基础的技术路线，目前苹果走在了最前面。汇顶则在苹果的基础上提升了像素位数，将苹果的8位像素提升至16位。而不论是升压还是调制，都需要额外增加一颗芯片来解决穿透力的问题。这两种方法的共同特点是：穿透力高、功耗高、成本高（多芯片）。
2.纯电容式派
纯电容技术的源头来自于上世纪80年代的平板电容原理。由于已经过去20年，该技术专利目前已经过期，成为公用专利，因此不存在专利侵权的风险。
纯电容式技术使用电荷泵结构的单芯片设计，不需要使用外围驱动芯片配合来消除寄生电容，也可以不带金属环。目前采用纯电容式技术的芯片厂商主要有费恩格尔、迈瑞微、神盾等，另外，汇顶也刚推出单芯片产品。
下图是费恩格尔申请专利的说明图。PIXEL设计只需几个开关管，配合反馈电路及相应的处理时序，实现消除寄生电容、PIXEL之间的FPN、及电源干扰。其优点是电路结构简单，不需要外围驱动芯片，功耗低，良率高达99%以上，成本较低。
总的来说，采用纯电容式技术的传感器具有成本低（单芯片）、功耗低（射频式传感器的四分之一）的优点。但相对的，该技术对半导体工艺及传感器设计团队的要求较高。
从目前指纹识别传感器的两种主要技术路线对比可以看出，从技术路线上就产生了价格区别——采用升压或调制的指纹传感器由于需要多颗芯片，成本自然较高；采用纯电容式技术的指纹传感器由于只需要单芯片，成本自然较低。随着半导体工艺的发展及传感器设计团队水平逐渐提高，纯电容式技术的成本优势将愈发明显。
二、指纹算法
除了技术路线外，还有一个影响指纹模组成本的重要因素就是传感器的面积。传感器面积越大，一块晶圆可切割的芯片数量自然就少；传感器面积越小，可切割的芯片数量自然就多。通过对传感器面积的节约，可实现成本的降低。
而决定传感器面积大小的关键就在于手机CPU和指纹算法。拥有一颗强大的CPU，即使传感器面积较小，也能得到较高的精确度和较好的使用体验；拥有一套强大的指纹算法，即使传感器面积较小，也能在拒真率（FRR）和认假率（FAR）这两个重要指标上达到应用需求。本文只针对指纹识别算法本身进行剖析，在此就先不谈手机CPU运算能力带来的比对速度优势，只详细分析下指纹算法技术线路的问题。
JPSensor总经理萧旭峰博士曾介绍称，现在全球的指纹识别算法大部分来自前苏联的立陶宛和北朝鲜。因为要获得更准确的拒真率（FRR）和认假率（FAR）参数，需要大量的指纹数据库做支持，而这两个地方的指纹采集是做得最好的。
目前，行业内对于算法的使用主要有两种方式：一种是采用自有算法，另一种是采用瑞典指纹算法厂商PreciseBiometrics（PB）的算法。采用自有算法的芯片厂商主要有苹果、汇顶、神盾、迈瑞微，以及费恩格尔等企业；采用PB算法的芯片厂商主要有FPC、思立微、敦泰、义隆、集创北方等企业。
采用PB算法的最大好处在于，PB算法可以通过第三方认证，比较受到大品牌客户的认可。此外，PB算法还有一个好处是，其安全性比较接近传统行业指纹识别的安全性。不过有业内人士表示，这对于手机行业来说意义不大。该人士认为，在今天，手机等移动终端的指纹识别更加注重的是便利性。
另外，PB算法也存在一些缺点。PB算法并不支持指纹传感器图像本身的去噪，对指纹传感器本身的性噪比要求非常高，传感器出来的图像效果必须很好，否则使用体验就会较差。从指纹传感器技术来说，有些指纹传感器不太适合采用PB的算法。因为当这些指纹传感器设计厂商想降低成本自己来控制性噪比的时候，由于PB算法不支持性噪比控制，这些厂商就必须加上自己的图像预处理算法才能处理，整个运算量就会增加。
总的来说，如果是主动式指纹传感器，采用PB的算法能得到很好的效果；但如果是被动式指纹传感器，或者是纯电容式技术路线的指纹传感器，就不太适合采用PB的算法。当然，采用PB算法还有一个劣势就是，PB算法要收费。
让我们来总结下目前行业内采用指纹算法的现状：
指纹识别算法几个关键步骤：图像预处理、指纹特征信息提取、指纹比对。图像预处理都是针对自家传感器性能来做优化的，例如将对比度提高、消除更多的背景噪声等。采用自有算法的芯片厂商在进行这些优化时更有利。而目前有很多芯片厂商都采用购买第三方算法的方式来缩减开发周期，这样的做法一是不利于针对自家传感器做更多的性能优化，更最重要的是芯片成本会提高。
而在目前指纹算法的现状下，传感器面积尺寸主要分为了两大阵营：大尺寸（120×120，192×80，及以上）和小尺寸（96×96，128×64）。
大尺寸阵营主要有采用自有算法的芯片厂商，比如迈瑞微等，和采用PB算法的芯片厂商，比如FPC等。小尺寸阵营主要是采用自有算法的芯片厂商，比如上文提到的苹果、汇顶、神盾、以及费恩格尔等芯片厂商。这主要是因为目前在业内，自有算法的主流方向就是小面积算法。
直观上来讲，尺寸的减小一是利于客户ID设计，二是成本的降低。从体验上来讲，得益于计算机视觉的蓬勃发展，小尺寸算法的拒真率（FRR）和认假率（FAR）更优秀，而且比对速度也更快。
三、半导体工艺及封装
目前，指纹识别传感器普遍采用8英寸晶圆0.18μm工艺，也有部分厂商采用0.35μm或0.5μm工艺。苹果则更极端一些，采用了12英寸晶圆55纳米的工艺。由此可以看出，目前市场上主要占用的是8英寸晶圆0.18μm工艺的产能。
据《手机报》统计，2015年国内市场指纹手机销量约为1～1.25亿部，指纹识别渗透率在20%左右，有近60款一二线新机型搭载指纹识别。而在2016年，业界普遍预计指纹识别渗透率将上升至50%左右，市场规模翻一番，对指纹模组的产能需求也成倍增长。因此，今年市场对8英寸晶圆0.18μm工艺产能的需求会十分迫切。半导体厂对单片芯片晶圆成本的优化以及在产能和价格方面的支持将会极大影响到指纹芯片厂商的竞争力。
当前，国内具备8英寸晶圆生产工艺的半导体厂主要有联电、中芯国际、华虹宏力、台积电、上海先进、华润上华、韩国东部高科等厂商。
而现阶段占据大半安卓指纹识别市场的FPC就是与中芯国际展开合作。据市场研究机构IHS统计，2015年指纹识别芯片出货量约达4.99亿颗，FPC占有26%左右的市场份额，指纹识别芯片出货量约为1.3亿颗。FPC采用中芯国际8英寸晶圆0.18μm工艺，其产能达到3万片/月。由于FPC的量非常大，它拿到了中芯国际最低的价格，一层光罩19美金，光刻层数为23层。
据业内人士透露，除FPC外，思立微和迈瑞微同样选择与中芯国际合作，并且也采用了和FPC相同的工艺。但是，思立微与迈瑞微能够拿到的价格与产能就无法与FPC相提并论。不过该人士猜测，思立微也有可能以格科微的名义拿到接近FPC的价格。而国内另一家指纹识别芯片大厂汇顶，则是与德国的X-FAB展开合作，但该人士估计其价格应该比国内晶圆厂要贵。
另外，国内指纹识别芯片厂商中有一家具有中国第二大晶圆厂华虹宏力背景，它就是费恩格尔。费恩格尔自然采用华虹宏力的8英寸晶圆0.18μm工艺，据称该工艺只需要17层光罩。至于价格与产能供应方面，虽然相关人士并未透露，但相信有华虹宏力背景在，应该会有一定优势。
至于台系指纹识别芯片厂商，则主要是与台积电、联电，以及格罗方德合作。这三家晶圆厂给台系企业的价格与给大陆企业的价格体系不一样，因此无法直接比较，暂时未知。不过据业内人士透露，台系指纹识别芯片厂商在台湾晶圆厂拿到的成本价格应该比较有优势，这三家晶圆厂给台系企业的价格应该不贵，因为有些台系芯片厂商甚至直接拿着晶圆在大陆卖。但据业内人士分析，“FPC从中芯国际拿到的一层光罩19美金的价格已经是非常低了，然而据了解，如果费恩格尔在华虹宏力确实只需要17层光罩，整体成本应该也很有竞争力。”
而在封装方面，2015年，封装技术得到了长足发展，国内的长电与华天两大巨头也积极展开布局，提升自己的技术实力。尤其是借助资本市场完成了几笔重要收购，打入高端市场。
目前，封装方面的节点还是在于是否采用Trench和TSV的封装工艺。
虽然Trench和TSV封装工艺能提升性能，但由于Trench和TSV产能属于稀缺资源，在高端指纹识别封装领域，国内仅有长电、华天等少数几家封装厂能生产，对于想要大量出货的指纹芯片厂商和终端品牌厂商来说，这都是一个不稳定因素。据业内人士透露，这就导致了目前许多指纹识别芯片厂商想方设法摆脱Trench和TSV封装工艺。如果顺利摆脱Trench和TSV封装工艺的话，那么各家指纹识别芯片厂商的封装成本就基本趋于一致，包括价格和良率。
该人士还表示，据不完全统计，目前还未摆脱Trench和TSV封装工艺的指纹识别芯片厂商主要就是FPC。如果大家都摆脱了Trench和TSV封装工艺，这就降低了对封装厂的技术要求，提升封装良率，单颗芯片的封装成本将会统一降到0.3美金左右。
至此，我们已经总结出了核心技术、算法、和半导体制造及封装工艺对指纹识别传感器成本价格产生的影响。让我们来简单计算一下指纹识别传感器最低成本价格：
假设该传感器是纯电容式技术的单芯片结构，采用自有算法，传感器面积为96×96，采用8英寸晶圆0.18μm工艺，一块8英寸晶圆的价格按照FPC的价格，预计在450美金左右，良率为99%。
那么我们算得，一块8英寸晶圆大概能切割出600-800颗芯片，得出一颗芯片成本在0.6-0.9美金左右。
假设封装工艺不采用Trench和TSV，那么封装成本就在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，成本则上升到1.2-1.5美金左右
如果采用最便宜的coating方案，在不带金属环的情况下，后段加工经过coating、SMT+FPC等组装，最终指纹模组的成本价格大概在2.2-2.8美金左右。
所以我们认为，最终市场上会出现2.5美金亲民价格的指纹模组。
董越
2016-03-29 16:05
孙俐俐
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