指纹识别迎产业链重构新机遇

更新时间:2017-03-31 11:50:27   点击次数:

来自:慧眼网

自进入2017年之后,指纹识别行业站到了“产业变革”的时间节点上。行业正发生“大变化”:1)以苹果为代表的正面指纹识别方案最受欢迎,安卓阵营开始“从后向前”迁移;2)Home键易损坏、维修成本高、无法实现高品质防水、外观不够美观、屏占比低等缺点,使得取消Home键成为行业发展的大趋势,因此,正面Underglass隐藏式技术开始获得关注;3)“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板指纹模组由于可以提高屏占比,也可能成为近期趋势之一。

我们通过本报告,详细地分析了电容式Under Glass和“超薄式”正面盖板指纹模组方案,进而发现,一旦电容式Under Glass成为近期主流,在硬件层面最显著受益的将是TSV先进封装和先进玻璃加工?梢郧度氩AУ摹俺∈健闭娌A/陶瓷盖板模组的指纹识别,可以有效提高屏占比,今年也可能被一些旗舰机型采用。要做到超薄,先进的TSV封装工艺也是不可避免的。

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1.指纹识别正在发生“大变化”,电容式Under Glass和正面盖板“超薄式”方案有望成为近期内主流

从背面到正面,安卓机指纹识别实现“大搬迁”

指纹识别在手机上的位置,主流为正面和背面,个别方案是放在侧面。比如苹果iPhone系列与三星Galaxy S系列是集成在正面Home键里,小米Note 3、华为Mate 8等放在了手机背部,LG V10植入到手机侧面的电源键里,努比亚Z9也是放在手机侧面。

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比较正面、背面和侧面这三种不同的方案,还是以苹果为代表的正面指纹识别方案最受欢迎,背面和侧面指纹识别使用不够方便,用户体验不佳,需要先拿起手机才能操作。手机两侧来进行指纹识别,很容易验证失败。因为现在的智能手机都以“薄”取胜,如果再将指纹识别植入其中,意味着用来验证手指指纹的区域会很小,扫描过程中很容易造成验证失败。同时,背面的方案也存在使用不够方便的问题。

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苹果自2013年发布5s以来,其指纹识别始终位于正面Home键之下。由于AuthenTec被苹果收购之后停止对外服务,因此安卓阵营的众多智能手机厂商只能寻找其他指纹方案供应商,Synaptics新思(收购Validity)和FPC成为了主要的供应商,中国厂商汇顶科技近年来发展迅速。

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由于AuthenTec在正面电容按压式指纹识别领域积累了大量的核心专利,同时许多安卓智能手机使用的是虚拟Home键,不具有实体Home键,因此多数安卓智能机的指纹识别是位于手机背面的,包括华为、OPPO、VIVO等主力手机厂。

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在各大主力手机厂方面,苹果和三星一直是坚持在正面Home键之下集成指纹识别。其中采用AuthenTec按压式指纹识别方案的苹果,正面采用蓝宝石盖板,产品耐摩擦、质量好,具有最佳的用户体验;三星公司采用的是Validity的指纹方案,初期在S5和Note4等机型上采用的是划擦式方案,体验效果不佳自S6开始也转向接触式方案。

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安卓阵营手机厂指纹识别开始“从后到前”迁移。安卓阵营的手机厂,比如华为、OPPO、VIVO等,大多数采用瑞典FPC公司的方案,由于安卓手机大多数不具备实体Home键,因此普遍采用背面Coating(镀膜)的方式集成指纹识别。这种方案技术难度和成本低,但是芯片外表的镀膜在长时间使用之后会发生损坏,并且背面指纹使用不方便。因此华为自2016年11月的Mate9 Pro开始,转向正面Home键下的指纹识别。

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实际的统计数据也支持我们的推断,根据第一手机界研究院的统计,从2016年3月到2017年1月,中国市场畅销手机TOP20中,搭载前置指纹识别的机型从4-5款提高到9款,搭载后置指纹识别的机型保持在7款不变。前置指纹机型渗透率从35%到接近60%。

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取消Home键,实现Underglass是大势趋

手机可以说是最近二十年里最成功的消费电子产品,而手机的发展史也伴随着人机交互方式的变迁。20世纪90年代“大哥大”电话采用古老的拨号按键;2000年之后,功能手机逐步配有小尺寸的显示屏幕,同时依靠键盘式按键;2002年-2005年,全键盘手机和触控笔先后出现;直到2007年苹果手机横空出世,其创造的“大尺寸触控显示屏+Home键”成为了里程碑式的产品。

此后,智能手机全面进入Home键时代,在最近十年时间里,人机交互形式再未发生大的变化。而Home键也成为了智能手机的重要标志之一,相比于功能手机时代的键盘式外观,Home在操作性和时尚型方面极具优势。

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但是,随着智能手机的普及,Home键的缺点也逐渐展现出来,如易损坏、维修成本高、无法实现高品质防水、外观不够美观、屏占比低等,这使得取消Home键成为行业发展的大趋势。

1)易损坏、维修成本高

根据纽约时报的报道,包括亚洲(主要是指中国)、巴西等国家和地区,不少iPhone用户不使用Home键,而是从系统设置中调出Assistive Touch,也就是虚拟的Home键来使用。本来它是作为辅助功能出现的,但很多用户为了避免物理Home键损坏,转而使用虚拟按键。理由则是Home键容易损坏,维修麻烦,Home键一直是苹果手机中除屏幕外维修了最高的iPhone组件。

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2)无法实现高品质防水

手机是人们生活中必不可少的工具,人们在生活中时刻接触到水,这就不可避免的产生诸如手机溅到水或者进水这样的意外情况。一旦进水,要面临高昂的维修费用。正因如此,世界各大手机厂商敏锐的发现了手机防水的庞大需求市场,纷纷制造防水手机。索尼、三星、LG等手机大厂纷纷推出防水手机。

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智能机时期,在触摸屏大行天下的年代,要做到手机防水并不容易。首先麦克风、摄像头、耳机接口、电源接口等直接暴露在外的接口极其容易进水。因此大多数厂商将屏幕与机身用到密封胶处理,除了卡槽等用到橡胶圈防护,听筒则沿用第一代防水机用到的GORE-TEX薄膜防护。现在随着技术不断的进步,耳机接口和USB 端口都采用裸露式的防水设计,内置纳米涂层/“防雨薄膜”等。

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但是,对于Home键而言,采用上述的防水方法仍然无法实现高品质的防水效果,主要原因在于Home键承担按压启动和指纹识别的功能,尤其是物体实体Home键,防水胶和防水纳米材料效果一般。

3)外观不够美观

Home键的存在直接影响的是屏幕的屏占比,同时将手机正面进行了割裂,影响到手机的外观美感。在用户希望手机屏幕越来越大的背景下,Home键已经到了需要被去掉的阶段。

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近年来,随着安卓系统自身的快速发展及手机厂商设计的研发跟进,虚拟按键逐渐大众化,各家手机都开始并热衷于虚拟按键的设计,比如华为最近一些手机都采用了嵌于屏幕中的虚拟按键设计,这种设计的好处是能够考虑机身美感,结合手机屏幕全贴合技术,使手机正面有一种一体的工艺美,而且在横向使用手机时,能够感受到手机屏幕的绝对居中,简洁大气且具有科技冷酷美。

尽管部分安卓手机厂商已经将实体Home键变更为虚拟Home键,但是由于现行的绝大多数电容式指纹识别必须处于手机的外表面。因此,各家厂商均将指纹触控放置在手机的背面,随之而来的是用户体验不如正面指纹识别,同时手机背面的外观也不够美观。

3电容式Under Glass方案有望成为近期主流

现在的指纹识别大多数都是类似于苹果iPhone系列的类型,采用通孔方式,要在正面玻璃挖个洞放置指纹识别芯片,这样一来影响整部手机的外观,而且无法实现高品质防水。近年来,各大指纹识别方案商挖空心思的结果只有一个,就是让指纹识别在手机上做到优雅美观大方,而且又方便使用。

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实际上,经过指纹大爆发之后,衍生出来的商机令各大指纹技术公司更热衷开发新技术。他们不断地向外界展示自家的新技术,也开始尝试指纹识别的新可能——隐藏式指纹识别技术。

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2014年9月,汇顶科技提出隐藏式指纹识别方案,IFS指纹识别与触控一体化技术,与触控大厂TPK合作,通过在正面盖板玻璃的背面挖盲孔的方式,将电容式指纹识别芯片置于触控面板之下,实现隐藏式指纹识别;2015年7月,老牌生物识别技术公司挪威IDEX开发出玻璃指纹技术,可以将指纹芯片做进玻璃中,实现指纹识别与盖板玻璃的融合;2016年2月,FPC联合从事玻璃面板和层压技术的TPK,成功地将FPC1268指纹传感器跟面板玻璃结合在一起;2016年5月,LG子公司Innotek向外界展示其融合了指纹功能的玻璃面板。汇顶科技、FPC和LG的方案均是在盖板玻璃下方挖槽(挖盲孔),使之最薄的地方仅为0.2-0.3mm厚,然后内置电容式指纹识别芯片。

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上述这些方案可以划分为三种:第一种(Under Cover Glass)是将指纹Sensor置于整个手机玻璃面板下面;第二种(Under Glass Cutout)则将玻璃面板开盲孔(有正面和背面两种)至0.2-0.3mm深,然后在玻璃之下放入Sensor(如汇顶IFS、FPC、LG Innotek的方案);第三种(In Glass)更是将Sensor融合进玻璃之中(如IDEX的方案)。

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第一种方案(Under Cover Glass)识别精确存在较大的问题,超出电容原理极限,效果不理想。因为目前智能手机正面盖板玻璃厚度普遍超过0.5mm,如果是2.5D玻璃的话厚度超过0.7mm,而根据电容式指纹识别的原理,如果在芯片上方存在的盖板玻璃厚度超过0.3mm时,其识别精确度将大幅降低,因为信号在穿透玻璃时会发生强烈的衰减。尽管多家厂商在算法方面极力优化,提高信号的信噪比,但是该方案仍然难以达到理想的效果。

第三种方案(In Glass)具有非常高的技术难度,中短期内不具备量产的条件。需要将指纹识别芯片集成在盖板玻璃内部,这需要芯片商与玻璃厂等多个环节的通力合作,中短期内大规模量产是不现实的。

在这三种方案中,第二种方案盲孔式Under Glass被普遍看好,具有较大的可行性。汇顶科技、FPC与LG Innotek等厂商的力推的本方案,是在盖板玻璃上方或下方挖槽,直接减薄玻璃的厚度至0.2-0.3mm,此时置于玻璃下方的指纹芯片,信号可以穿透玻璃,从而实现较高的识别精度。相比于第一种方案,本技术方案识别精度遥遥领先,相比于第三种方案,本技术方案加工难度较低。

因此,在手机厂商出于防水、美观要求而致力于取消Home键的背景下,在光学式与超声波式指纹识别方案还不成熟的情况下,盲孔电容式Under Glass方案有望在近期内成为指纹识别的主流。

目前Under Glass方案的难点在于:首先玻璃本身非常脆弱,如果挖槽,会降低整块玻璃的强度,加大玻璃加工的难度,这对康宁、AGC、肖特等玻璃原材料供应商和蓝思、伯恩、星星科技等玻璃加工商而言,具有一定的挑战性;为了提高信号的信噪比,减少信号在塑封材料中的损失,芯片的封装需要采用先进的TSV技术(可有效缩减芯片厚度);盲孔的深度及平整度公差很难控制,而采用TSV的指纹芯片需要直接与玻璃贴合,因此对于玻璃加工而言有较高的技术要求。

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2016年12月,采用汇顶IFS技术的联想ZUK Edge手机发布。2017年2月,华为发布全新旗舰机P10,部分手机采用了汇顶的IFS技术,这表明盲孔电容式Under Glass指纹技术已经具备量产所需的成熟度。

来自韩国的CrucialTec公司,也在2016年的MWC会议上展示了自家的“Under Glass BTP”,使用了AGC旭硝子特制盖板玻璃,与汇顶科技的方案在原理上基本一致,区别是汇顶是盖板玻璃正面挖盲孔,CrucialTec为盖板玻璃背面挖盲孔。

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4正面盖板“超薄式”方案也是近期重要趋势之一

当然正如我们的分析,目前电容式Under Glass方案在玻璃加工方面存在非常大的困难,即使已经有商业化的产品推出(如联想ZUK Edge和华为P10),但是产品的良率和成本问题仍然是很大的瓶颈。

与此同时,基于现在主流的正面开通孔式方案的升级产品——可以嵌入玻璃的“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板模组的指纹识别,由于可以提高屏占比,今年也可能被一些旗舰机型采用,也是重要趋势之一。

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采用“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板的指纹识别模组,可以有效缩小整个模组的体积,尤其是厚度,从而使得整个模组的厚度不超过盖板玻璃。这样的话,手机的显示屏幕便可以向下拓展,与指纹Home键的距离更加紧密(甚至可以覆盖Home键位置),从而大幅提升整个屏幕的屏占比。

目前,该方案已经开始在多家手机厂商测试,有望成为今年的趋势之一。由于传统的wire bonding封装是难以有效缩减芯片厚度的,采用TSV封装可以解决该问题。

2指纹识别产业链迎来“新机遇”,TSV封装与玻璃加工重要性凸显

1电容式Underglass指纹识别典型方案分析——汇顶IFS

2014年9月,国内指纹识别方案佼佼者——汇顶科技发布了号称全球首创的“IFS(Invisible Fingerprint Sensor)指纹识别与触控一体化技术”。相对于传统的电容式指纹识别技术来说,手机厂商无需在手机前面板或后壳上开通孔,放入指纹传感器?,而是将指纹传感器隐藏于TP面板之下,可支持玻璃面板也可支持蓝宝石面板。IFS技术的难点在于,相比外挂式指纹识别技术,因为其隐藏于TP之下,无法直接与手指相接触,所以其信号强度衰减很大,对于指纹检测芯片的硬件电路设计以及图像预处理和匹配算法提出了更高的要求。同时,采用盖板玻璃开盲孔的方式,将芯片正面的玻璃减薄,从而提高信号强度,因此对玻璃加工和芯片封装的要求高。

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2016年12月,联想发布全新旗舰手机“ZUK Edge”, 除了86.4%的屏占比、74.5毫米的宽度以及7.68毫米的厚度等优势之外,最值得关注的还是隐藏式U-Touch指纹识别设计。ZUK Edge是第一款采用盲孔工艺的IFS指纹识别手机,组件隐藏在正面玻璃下方,支持指纹手势自定义,最快解锁0.09秒。根据手机报的分析,此款IFS指纹芯片方案来自汇顶科技IFS技术,星星科技提供玻璃盖板,深越光电和欧菲光合提供指纹模组。(联想ZUK Edge实现了汇顶IFS技术的商业化,但是由于在玻璃加工方面的巨大困难,其并未实现盖板玻璃一体化的理想状态,而是对指纹膜组上方的玻璃进行了挖槽处理)

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2017年2月,华为在MWC会议上发布了全新旗舰机P10和P10 Plus,在硬件配置、徕卡双摄、电池及快充等方面对比去年的P9手机实现了全面升级。

在指纹识别方面,使用的是汇顶公司的IFS指纹识别技术。IFS指纹识别模组直接贴合在触控屏玻璃面板下方,无需在手机正面或背面挖通孔,既便于终端厂商完美保留原有的外观设计风格,又能满足时下最流行的窄边框设计,更能起到防水防尘的效果,为终端用户带来更美观的视觉享受和更可靠便捷的指纹识别体验。

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联想ZUK Edge和华为P10手机的推出,表明汇顶IFS技术已经在技术上成熟。下面我们对汇顶IFS技术进行详细分析,正如我们前文的分析,IFS(Invisible Fingerprint Sensor)技术与传统电容式指纹识别技术(Coating镀膜和正面蓝宝石/玻璃/陶瓷盖板)相比,最大的区别是其可以实现UnderGlass,即将指纹芯片置于正面盖板玻璃之下。

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目前智能手机正面盖板玻璃厚度普遍超过0.5mm,如果是2.5D玻璃的话厚度超过0.7mm,而根据电容式指纹识别的原理,如果在芯片上方存在的盖板玻璃厚度超过0.3mm时,其识别精确度将大幅降低,因为信号在穿透玻璃时会发生强烈的衰减。因此,汇顶的IFS方案采用盖板玻璃开盲孔Under Glass方式,即将指纹芯片正面盖板玻璃进行减薄处理,使之厚度在0.2-0.3mm,达到信号有效穿过玻璃的目的。

方案的困难之处是显而易见的,对玻璃的强度和玻璃加工的要求非常高,尤其是在整块玻璃盖板上,在10*10mm左右的方形面积之内,将0.5mm厚的玻璃减薄至0.2-0.3mm,同时保证盲孔表面的平整度和四周的垂直度,这对玻璃加工的要求极高,产品良率较低。

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同时,由于电容信号仍然需要穿透0.2-0.3mm的玻璃,信号的衰减和信噪比问题仍然是非常的困难。根据汇顶公司的说法,基于电容触控的Coating指纹识别驱动IC,与普通的Touch IC相比,灵敏度要高大约3倍,而采用蓝宝石盖板后,与Coating相比,驱动IC灵敏度再提升约20倍。而IFS方式比蓝宝石盖板指纹识别还难,需要的驱动IC灵敏度比蓝宝石方案还要至少高出3倍。

因此,2014年9月汇顶发布IFS技术,并推出工程样机,直到两年之后,在2016年12月才出现第一款搭载IFS的商业化手机,汇顶IFS技术经历了长达两年的成熟期。而手机大厂华为采用汇顶IFS技术,更加表明了其技术水平已经达到大规模商业化量产的地步。

2电容式Underglass方案与正面盖板“超薄式”方案产业链分析

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。

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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;蓝宝石方案美观,耐磨,但是加工难度大,成本高,用于中高端手机上;玻璃方案被众多中低端手机所采用,成本比蓝宝石低许多;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。

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根据我们前文的分析,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。

2.2.1芯片封装地位提升,TSV封装将成为必然之选

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。

苹果iPhone5s的指纹识别做trench+RDL的工艺在台湾精材和苏州晶方进行,芯片做完RDL后,再由日月光完成wire bonding以及SiP模组的制作。

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事实上,采用wire bond(打线)的封装工艺需要进行塑封,这将使得芯片的厚度增加,对于寸土寸金的智能手机而言,尤其是在各大手机厂商竞相“求薄”的背景之下,wire bond并不是最佳方案。同时,尽管iPhone5s结合了trench+ RDL+ wire bond的封装工艺,来缩小芯片尺寸,减少信号损失,但是随着更优的封装方案TSV的崛起,苹果在随后的iPhone6s和iPhone7中,果断将指纹识别封装切换至TSV方案,由台积电提供封装服务。

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如同SITRI对苹果iPhone7的指纹芯片拆解,采用TSV(硅通孔)封装技术之后,芯片的有效探测面积大幅增加,芯片的厚度和模组厚度都实现了缩减。第一代Touch ID Sensor(iPhone5s/6采用)为88 x 88像素阵列,第二代Touch ID Sensor(iPhone6s/7采用)为96 x 112像素阵列,足足提高了近40%,像素的大幅提升带来识别精度的提升。

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对于指纹识别而言,可用于识别的特征是指纹皮肤生长中随机产生的,所以特征的总量的概率期望值和指纹面积成正比。特征信息的随机分布性会导致数据源具有信息量拐点特性,大致来说,手指中心和指尖区域,面积不应低于20平方毫米,称为拐点1;手指侧面和指节附近的区域,面积不应低于24平方毫米,称为拐点2。在信号的识别精度方面,拐点2远高于拐点1。

受限于Home键的尺寸,Touch ID Sensor的芯片面积只能做到6.1mm x 6.5mm左右。但芯片上除了传感器像素,还需要有配套的电路,所以传感器像素面积又小于芯片面积。第一代Touch ID Sensor的像素面积是4.4mm x 4.4mm,面积19.36平方毫米,略小于拐点1。第二代的像素面积是4.8mm x 5.6mm,面积26.88平方毫米,已经明显超过拐点2。因此第二代Touch ID大幅度提高安全性和使用体验。

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TouchID 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。

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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。

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2016年以来,一些手机厂商开始向苹果学习,对指纹识别芯片进行小规模的trench或TSV封装,如华为Mate9 Pro采用的是trench+TSV封装工艺(比直接TSV工艺容易一些)。因为先进封装直接的好处就是信号变强,指纹识别精度体验更佳,更重要的是芯片厚度变薄,从而缩减指纹模组的高度,可以扩大屏占比。

采用“超薄式”正面玻璃/陶瓷盖板的指纹识别模组,可以有效缩小整个模组的体积,尤其是厚度,从而使得整个模组的厚度不超过盖板玻璃。这样的话,手机的显示屏幕便可以向下拓展,与指纹Home键的距离更加紧密(甚至可以覆盖Home键位置),从而大幅提升整个屏幕的屏占比。由于传统的wire bonding封装是难以有效缩减芯片厚度的,采用TSV封装可以解决该问题。因此,该方案今年也可能被一些旗舰机型采用,也是重要趋势之一。

该方案与目前主流的正面盖板开孔式方案在产品结构方面基本一致,最大的区别在于出于模组减薄的考虑,芯片的封装形式将由传统的wire bonding改为TSV封装,这将利好TSV封装产业。

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电容式Under Glass方案将成为指纹识别的重要趋势,目前有两种方案——在盖板玻璃的正面或背面开盲孔,芯片是直接内置于盖板玻璃之下的,本来电容信号穿透玻璃就已经存在较大困难,如果还有塑封材料的话,信号质量将更加堪忧。如果不采用塑封的话,wire bonding的键合线直接暴露在外,会导致芯片正面不够平整,是无法与盖板玻璃紧密贴合的。因此,我们认为,在电容式Under Glass方案大势所趋的背景之下,TSV封装将取代wire bonding成为必然之选。

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与此同时,SiP(System In a Package系统级封装)仍然是手机端芯片封装的大趋势,未来的指纹识别整体封装还是需要SiP的参与。出于缩小体积、减薄厚度、减少功耗、提升性能等方面的目的,SiP封装已经越来越多的被各大厂商所重视。

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SiP封装进入消费电子领域主要靠的是苹果的推动,在iPhone和applewatch上都可以看到SiP技术的身影。在iPhone上面,指纹识别就采用了SiP封装技术,在体积小巧的applewatch上,核心芯片S1和射频T/R都用到了SiP封装。

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封装发展的角度来看,因电子产品在体积、处理速度或电性特性各方面的需求考量下,SoC曾经被确立为未来电子产品设计的关键与发展方向。但随着近年来SoC生产成本越来越高,频频遭遇技术障碍,造成SoC的发展面临瓶颈,进而使SiP的发展越来越被业界重视。

与在印刷电路板上进行系统集成相比,SiP能最大限度地优化系统性能、避免重复封装、缩短开发周期、降低成本、提高集成度。相对于SoC,SiP还具有灵活度高、集成度高、设计周期短、开发成本低、容易进入等特点。SiP封装技术不仅可以广泛用于工业应用和物联网领域,在手机以及智能手表、智能手环、智能眼镜等领域也有非常广阔的市场。

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所以,综上所述,我们认为,在电容式Underglass方案与正面盖板“超薄式”方案大势所趋的背景之下,TSV封装将取代wire bonding是必然的,“TSV+SiP”的封装工艺将成为整个指纹芯片的关键,具备先进的TSV和SiP封装工艺的厂商将受益。

2.2.2玻璃加工至关重要,工艺难度大,良率问题是瓶颈

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。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。

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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。

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对手机玻璃进行开孔和磨边的主要设备是CNC精雕机,目前大多数CNC产品的尺寸精度为0.01mm,崩边量不大于0.01mm,如此的精度对于玻璃挖盲孔而言是不够的。

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3D玻璃受到追捧,已经开始大规模应用。智能手机外壳材料经历了塑料、金属、玻璃的发展过程。目前主流的旗舰手机大多正面采用2D/2.5D玻璃、背面为金属机身。三星2016年发布的Galaxy S7 Edge采用了3D曲面玻璃的外观设计,被称为是当前颜值最高的手机,并受到了市场的热捧,一季度Galaxy S7/Edge销量达到1000万台。

2D玻璃盖板或外壳是普通的平面玻璃,而2.5D玻璃盖板或外壳正面是平的,但边缘部分向下凹陷成一个弧形,3D玻璃盖板或外壳的整个正面都会发生弯曲,凸出向外。

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对于2.5D和3D来说,在玻璃上挖盲孔是更加困难的。普通的2D玻璃是完全平面的,而2.5D和3D玻璃时经过热弯处理之后,玻璃的厚度已经变的不均匀,在这种情况下,继续进行挖孔的话,更加难以控制槽内的平整度和垂直度。

综上所述,我们认为,在电容式Under Glass方案中,玻璃加工的重要性越发的明显,玻璃加工的良率将直接影响指纹芯片的效果和成本,具备高品质、高技术玻璃加工的公司将显著受益。

2.2.3芯片设计和算法是识别效果的核心因素

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。

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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。

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因此,全新的方案需要指纹识别芯片设计与算法公司,在信号处理、信噪比改善方面花费非常大的精力和投入,才能够保证识别的效果和体验。

3未来光学式指纹识别产业链分析——红外LED光源+CIS为核心

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。

例如,与新思合作的上海箩箕技术有限公司,目前在光学式指纹识别方面走在列,其推出的TOT超薄光学按压式传感器,相比于传统的棱镜式全反射指纹传感器,更加适合智能手机,并且未来有望成为光学式Under Display指纹识别的佼佼者。其中,在硬件方面最大的变化就是多了背光源和基于玻璃基板的光学传感器。

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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。

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对于更加高端的In Display光学式方案,产业链将发生更大的变化,此时将不再需要指纹识别芯片这个概念,因为指纹识别传感器已经于显示屏幕融合为一体。

正如我们在前文的分析,苹果公司已经计划在OLED和MicroLED显示屏幕的发光层内加入具备指纹识别功能的传感器,形成“交互像素”,即在每一个传统的RGB像素点旁边添加指纹识别像素点(包括近红外发射与接收),形成单个像素点为RGBIRSIR的结构。此时,整个产业链将形成以显示屏幕制造商为核心的格局,由显示屏幕制造商,联合近红外光源供应商和图像传感器厂商,共同实现“RGBIRSIR交互像素”显示屏幕的生产。

4未来超声波式指纹识别产业链分析——压电陶瓷与MEMS为核心

整个超声波指纹识别产业链可以划分为三大部分:算法、硬件和模组制造。

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(1)算法方面

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。

(2)硬件方面

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

1)压电材料

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。

2)MEMS制造

MEMS超声波传感器是由大量的超声波传感器阵列构成,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超声波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压电陶瓷的研发,格罗方德负责MEMS的量产。

3)ASIC芯片

由于具备3D指纹图像信息采集,甚至有望实现皮肤组织结构和血管内血流信息采集,因此超声波指纹识别对图像的处理要求更高,这使得高通等公司直接在其技术方案里集成了专用的ASIC芯片。

(3)模组制造方面

由于超声波指纹识别技术还没有大规模商业化普及,高通的技术方案刚刚被小米采用。因此,在模组制造方面,国内公司还不具有相关经验。但是,在电容式指纹识别领域,国内公司舜宇光学、欧菲光、丘钛科技、硕贝德等已经积累了丰富的指纹识别模组制造经验,有望在未来的超声波指纹识别市场中受益。

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3受益标的分析

1汇顶科技——全球IFS方案领军者,掌握核心技术

公司于2002年成立,现已发展成为全球人机交互及生物识别技术领导者,目前已在包括手机、平板电脑和可穿戴产品等在内的智能移动终端领域构筑了领先优势。公司先后推出全球领先的单层多点触控芯片、全球首创的触摸屏近场通信技术Goodix Link、全球首家应用于Android手机正面的指纹识别芯片、全球首创的Invisible Fingerprint Sensor(IFS)、全球首创支持玻璃盖板的指纹识别芯片、全球首创应用于移动终端的活体指纹检测技术Live Finger Detection等。其中,公司的IFS和Goodix Link斩获2016 国际消费电子展(CES)两项创新大奖,成为首个在CES上获得嵌入式技术创新奖项的中国芯片设计公司。

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公司在指纹识别领域异军突起,成为全球主流供应商。公司于2014年第四季度进军指纹识别领域,在短短三年内,迅速卡位市场,在非苹果系的智能手机领域,市占仅次于FPC,位居第二。公司在切入指纹识别初期,就推出了指纹传感器技术、指纹匹配算法两项核心技术,并利用这两项技术研发出业内领先的指纹芯片产品GF9系列,主要应用于智能手机等终端。公司推出了市场领先的全系列指纹芯片产品,并成功应用于中兴、乐视、魅族、维沃、金立等知名品牌手机客户。

全球首发IFS指纹识别方案,实现精准卡位,具备先发优势。公司于2014年推出的IFS(“Invisible Fingerprint Sensor)技术,非常具有前瞻性,代表着近期内指纹识别行业未来的方向。经过两年多时间的打磨,目前公司方案已经成熟,并成功商用在联想ZUK Edge和华为P10手机上。未来,有望借IFS技术成为全球指纹识别的领头羊。

风险提示:指纹识别领域替代电容方案的新技术加速商用。

2华天科技——掌握先进TSV+SiP封装技术,具备丰富的指纹识别封装经验

华天科技主要从事半导体集成电路、MEMS、半导体元器件的封装测试业务。公司拥有1000多家海内外客户,是国内客户资源最多的封测厂商。Aptina、海力士、意法半导体以及国内的展讯、格科微等知名厂商均是公司客户,目前已完成天水、西安、苏州三地布局。

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2015年公司完成定增募集20亿元,投向SiP、TSV、MEMS、BGA等先进封装产品。用于集成电路高密度封装扩大规模项目(华天天水实施)、智能移动终端集成电路封装产业化项目(华天西安实施)、晶圆级集成电路先进封装技术研发及产业化项目(华天昆山实施)。募投项目产品涵盖MCM(MCP)、QFP、QFN、DFN、BGA、SiP、MEMS、Bumping、TSV等系列产品,符合行业的发展趋势。

华天指纹识别芯封装成功供货FPC和汇顶科技,掌握TSV+SiP的先进技术。指纹识别方面,公司自2014年底开始量产,昆山子公司能够完成指纹识别芯片的trench深刻蚀部分,掌握高端工艺,指纹识别芯片和ASIC等芯片组成SiP模组的能力可以在华天西安子公司进行。公司掌握的TSV和SiP封装工艺,是未来隐藏式指纹识别的核心技术,公司采用自主研发的TSV+SiP系统级封装方案,先在昆山做TSV晶圆级中道工序,后交由西安完成系统级封装。公司同时具备了指纹识别芯片大规模封装的经验,指纹识别业务有望在未来实现快速扩张。

风险提示:半导体进展低于预期,扩产加剧行业竞争。

3关注:晶方科技——具备先进的trenth+TSV封装技术

晶方科技是目前中国大陆第一,全球第二家能大规模提供晶圆级芯片尺寸封装量产技术的高科技公司。影像传感芯片、环境光感应芯片、医疗电子器件为公司主要产品,这些产品应用于消费电子、医学电子、背光源和照明(绿色能源)、电子标签身份识别等诸多领域。

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公司曾为苹果iPhone5s的指纹识别提供trenth+RDL的封装技术,掌握先进的封装工艺。公司将自身的IP技术与智瑞达的模组技术进行融合,突破了trench、TSV、LGA等技术,后续将瞄准国内品牌手机指纹识别市场,提供多样化的技术与全方案服务能力。公司开发出ETIM (Edge Trench Interconnect Module) 技术,是目前非常先进的指纹传感器?榉庾凹际。

在图像传感器芯片封装方面,晶方具备一批国际知名半导体厂商组成的客户群,并与其建立了长期的合作关系。公司积极整合与优化收购的智瑞达资产相关业务,联合开发Flip chip、Fan-out、SiP等传感器系统级封装技术,积极布局高端手机摄像头封测业务。

风险提示:客户认证进度低于预期;新产品研发进度低于预期。

4关注:星星科技——掌握先进玻璃加工技术

公司成立于2003年9月,目前主要围绕智能手机、平板电脑等移动互联网终端产品,紧跟产业发展的最前沿技术需求,积极组织开发、生产和制造各种视窗玻璃防护屏、触摸屏、触摸显示模组、新型显示器件及相关材料和组件。

公司成立以来,一直以国际国内高端客户市场为目标,走国际化合作路线。先后通过了微软、诺基亚、黑霉、摩托罗拉、索尼、亚马逊等国际知名品牌的认证,同时与多家国内知名的制造业巨头,如联想、华为、酷派、小米、步步高等等建立了长期稳定的合作关系,质量达到国际同类产品先进水平。

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公司在玻璃加工方面走在行业前列,已经提前布局多项2.5D和3D玻璃的加工技术,并取得多项专利。目前公司的3D盖板玻璃技术在国内同行业中居于领先地位,公司在3D盖板的成型、曲面印刷、曲面贴合等工艺上都有充分的技术储备,同时不断优化自身在丝网印刷、CNC加工、搬运叠加等工序的技术水平和自动化程度。华为P10的IFS指纹识别由公司提供盖板玻璃加工,这表明公司在先进玻璃加工方面的技术能力得到的客户认可,未来有望率先受益于行业的爆发。

风险提示:市场竞争加剧;重组整合存在不达预期。

5关注:蓝思科技——全球顶级手机玻璃加工供应商

公司紧跟消费电子产品技术升级带来的整机更新热潮,积极跟踪各大品牌对上游技术要求的发展动态,抢先开发和率先投入,延伸产业链。目前公司业务已经覆盖视窗防护玻璃,触摸屏单体,触摸屏模组,摄像头,按键,陶瓷,金属配件等。产品广泛应用于手机、平板电脑、笔记本电脑、数码相机、播放器、GPS导航仪、车载触控、智能穿戴、智能家居等方面。

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公司是苹果和三星智能手机盖板玻璃的核心供应商,在玻璃加工方面具备全球领先的技术水平。公司早在2014年便开始布局曲面玻璃相关工艺及设备开发,已经开发出完整生产线,具备曲面玻璃量产能力。目前公司曲面玻璃产品包括四周弧面玻璃、两边弯曲玻璃、桥面玻璃、双弯玻璃等。

公司同时深度布局高端玻璃加工工艺,强化竞争优势。公司已具备冷磨、热压、热熔等工艺来满足市场需求,同时申请多项设备专利包括热弯整机、模具、抛光、丝印、磨砂等保持自身竞争优势,稳固行业领先地位。作为行业龙头企业之一,随着背面盲孔式指纹识别的快速发展,公司凭借先进的玻璃加工工艺,有望深刻获益。

风险提示:蓝宝石产品渗透率低于预期;3D玻璃渗透率低于预期。

6光学式指纹识别受益标的

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。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。

1)近红外光光源方面,采用近红外LED是比较可行的方案,国外公司处于领先的地位,包括欧司朗、EPITEX、晶电等公司。国内在近红外LED领域,建议关注有所布局的公司:三安光电(600703)、旭晟股份(837094)。

2)在图像传感器方面,主流的供应商包括索尼、三星电子、意法半导体等,国内方面,建议关注北京君正(300223)(拟收购豪威科技、思比科)、格科微电子。

3)在滤色片方面,建议关注国内公司水晶光电(002273),具备国际领先技术水平。

对于更加高端的In Display光学式方案,产业链将发生更大的变化,此时将不再需要指纹识别芯片这个概念,因为指纹识别传感器已经于显示屏幕融合为一体。整个产业链将形成以显示屏幕制造商为核心的格局,由显示屏幕制造商,联合近红外光源供应商和图像传感器厂商,共同实现“RGBIRSIR交互像素”显示屏幕的生产。

7超声波式指纹识别受益标的

整个超声波指纹识别产业链可以划分为三大部分:算法、硬件和模组制造。

1)在算法方面,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,Sonavation,以及Invensense,国内公司还不具备相应的技术实力。

2)在硬件方面,超声波方案核心部件为基于MEMS工艺和压电陶瓷材料的超声换能器(pMUT),国外方面比较领先的公司有新加坡IME、格罗方德、Invensense、台积电等,建议关注国内潜在受益标的,三环集团(300408)、捷成科创(824951)、耐威科技(300456)、华灿光电(300323)、苏州固锝(002079)。

3)在模组制造方面,由于超声波指纹识别技术还没有大规模商业化普及,因此,在模组制造方面,国内公司还不具有相关经验。国内公司欧菲光(002456)、舜宇光学(2382.HK)、丘钛科技(1478.HK)、硕贝德(300322)等已经积累了丰富的指纹识别模组制造经验,有望在率先受益,建议关注。

4附录:光学与超声波指纹识别方案有望成为长期主流

1全屏幕指纹识别是未来的理想方案

篇幅所限,内容有删减,详见原文报告。

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2未来主流方案——光学式In /Under Display指纹识别

篇幅所限,内容有删减,详见原文报告。

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3未来主流方案——超声波Under Glass指纹识别

篇幅所限,内容有删减,详见原文报告。

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风险提示:盖板玻璃盲孔式指纹识别方案进展过慢,用户体验不佳,玻璃加工良率过低;国内相关公司缺乏技术竞争力;光学式与超声波式指纹识别技术成熟度不够。

 


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