技術牽動面板大勢消長　手機屏下指紋供應鏈起飛

屏下指紋技術才面世約一年多的時間，經歷了過去一年在技術上的精進改善，預計自2019年起將會正式起飛。根據IHS Markit最新的「2019年屏下指紋技術與市場展望報告」(Display Fingerprint Technology and Market Report)，2018年全球屏下指紋模組約有將近3千萬的出貨量，而2019年有機會達到2億組的出貨量，年成長率高達577%。而2019年若是一些影響出貨的因素均得以往正向發展的話，預估也有機會挑戰2.4億組的出貨量。特別是進入第三季的傳統旺季後，這些因素的影響會更明顯。

這些影響出貨的因素像是，屏下指紋方案商的數量(目前可大量出貨者僅三家)、方案商對導入個別機種的相關支援程度、解決能力與時間(Field-application Engineering, FAE)、方案商數量有限之下的模組價格下滑趨勢、主動矩陣式有機發光顯示(AMOLED)面板的價格(主要仍為Samsung Display)、2019年總體智慧型手機市場的出貨量疑慮(特別是中美貿易戰影響與換機潮的遲滯)，甚至使用者體驗等(屏下指紋可能會限制使用者採用第三方的屏幕保護膜，以及目前不易支援盲解鎖)。(註：由於感測面積較大，使用者不用看到屏幕的指示圖像就能憑經驗、感覺按測指紋，此即所謂的盲解鎖)。

至於屏下指紋市場成長的長期影響因素則有，適用於TFT LCD的方案開發、面板內嵌式(embedded FoD)方案的可行性(In-cell或On-cell)，感測器製程(矽晶圓或是TFT製程)，以及手機之外其他應用(特別是智慧型手表)的導入等。因此，縱然已經可以確定2019年是屏下指紋應用於智慧型手機的起飛之年，但未來的市場發展仍然充滿變數；技術的演進還在發生中，而且也會牽動方案商之間的競爭、面板技術之間的競爭(目前所有方案僅能應用於AMOLED上面，TFT LCD還沒有方案)，而最終對整個供應鏈與生態體系有著洗牌的作用，特別是面板相關的IC方案商(例如：聯詠、敦泰)已經正視了屏下指紋的趨勢並投入開發(圖1)。

智慧型手機生物辨識應用

自2013年起，蘋果(Apple)首次採用指紋辨識Touch ID在iPhone 5S之後，開創了後續智慧型手機應用生物辨識(Biometric Identification)的風潮，生物辨識從此取代傳統的密碼成為手機上主流的身分識別技術。除了最普遍使用的解鎖功能外，程式內的身分識別，特別是線上付款也是常用的功能。鑒於智慧型手機透過傳輸、儲存與感測等使用，已經載有太多使用者個人的私密訊息，因此身分識別已是個必要功能。除了指紋外，近年來還興起其他的生物辨識技術，像是3D等級的人臉辨識(用於Apple iPhone X)、虹膜辨識(用於2018年Samsung Galaxy S以及Note)與靜脈辨識(用於LG G8 ThinQ)，但是使用的直覺、便利性上，未必勝過指紋。

以指紋應用而言，原本矽基的電容式指紋在經過短暫幾年就價格迅速崩跌的衝擊後，在智慧型手機應用上已有超過六、七成以上的滲透率，本來有機會繼續進一步拉高滲透率，但是在2017年時開始的全螢幕顯示(Gull-screen Display)趨勢卻改變了這個現狀。由於全螢幕顯示排擠了原本指紋位於手機正面空間，使得指紋模組不得不移到手機背面，但是這卻影響了原本的便利性。因此，自2018年開始，屏下指紋方案陸續被提出，使用者終於又可以直接在螢幕上做指紋辨識，而且指紋按測區隱藏於螢幕上，所以並不需要手機正面有額外的空間以置放感測器。簡單地說，屏下指紋可以算是矽基電容式指紋的升級方案，以適用於全螢幕顯示的趨勢。

2019年的Samsung Galaxy S10系列採用了高通(Qualcomm)的超聲波技術，正式將屏下指紋導入、並取代虹膜辨識技術。中國四大品牌也已經將屏下指紋視為未來的、使用者可感受到的重要功能。屏下指紋並不影響面板外觀、也不需要缺口(Notch)；當品牌進一步以挖孔或是升降機構方式處理前置相機鏡頭(Selfie Camera)後，螢幕視覺的完整性就得到大幅提升。相對地，Apple的3D臉部辨識由於組件太多，若還是要維持上方較窄的邊框，就很難避免掉螢幕缺口的設計，致使螢幕視覺上的完整性較差。雖然Apple也提出了不少的屏下指紋技術專利，但尚未有明確的應用時程。IHS Markit認為，智慧型手機的正面採用屏下指紋是較為理想的做法，原有的3D感測技術，不論是結構光(Structured Light)、飛行時距(Time of Flight)、或是主動式立體視覺(Active Stereo Vision)法，應該放在背面與後置相機鏡頭模組做進一步的整合，擴大未來AR(Augmented Reality)應用的能力(圖2)。

光學/超聲波為主流　屏下指紋供應鏈愈趨成熟

屏下指紋方案商在2018年起始的廠商是新思(Synaptics)，但最終大放異彩的是匯頂(Goodix)。到了2019年上半年，Qualcomm與神盾加入戰局，兩者分別導入Samsung的S10系列與A系列(A80、A70、A50)。思立微雖然也有方案，但是自2018年9月起陷入與匯頂的專利侵權官司後、影響了出貨。因此，整個2019年的方案商主要只有三家(匯頂、神盾、Qualcomm)。在供應端有限的情況下，方案商是否願意快速犧牲毛利率以降低模組價格還有待觀察。上半年的光學式屏下指紋模組價格約在7美元，下半年有機會到5美元，但Qualcomm的超聲波方案在上半年的出貨價格應該還要10美元以上。

方案商的增加趨勢要到2020年才會明顯。中國廠商籮箕(OXI)將目前普遍的矽基CIS(CMOS Image Sensor)作法改為以TFT製程製作光學感測器，優點為降低模組的厚度從3.8mm(鏡頭透鏡為光學層作法)到0.8mm左右，同時TFT製程在較大感測面積的製作上較容易降低成本。籮箕採用了天馬的a-Si TFT製程，而Qualcomm則是透過深超的LTPS TFT製程製作驅動線路，再透過業成與歐菲光完成壓電材料與模組端的製作。其他的已經進行開發中的方案商包含聯詠、敦泰與集創北方。籮箕預計出貨時間已經從2019年的第二季末延後到第四季，其他的方案商就算最快能於第四季完成開發工作，導入的時間也會是2020年上半年。

方案商目前選擇的技術主要為光學式與超聲波式。超聲波技術為Qualcomm所獨有，雖然FPC在2017年11月曾經提出超聲波技術、但不同於Qualcomm的感測器結構，但至今均未有進一步展示品。Apple的超聲波作法見於專利(US20170053151 Acoustic Imaging System Architecture)，但是尚未見於實際開發。光學式的做法目前是主流，主要以矽基CIS感測器置於剛性或是柔性AMOLED面板下方，藉以感測經指紋反射下來的光線。Qualcomm的超聲波感測模組也是置於面板下方，但是僅限於柔性AMOLED面板；這是由於超聲波訊號的傳遞受到介質影響甚深，剛性AMOLED面板裡為了隔絕水氧破壞OLED材料，可能會添加氮氣，而這會影響超聲波技術的效能。兩者均選擇將模組置於面板下方的外掛方式，這是因為這樣的設計對AMOLED面板衝擊最少，面板端需要做的調整、處理不致影響面板的良率，組裝也比較容易，可以讓屏下指紋技術與應用儘快面世。然而，從感測器的設計來說，面板下方的位置讓感測器離訊號源(指紋)太遠，使得訊噪比(Single-noise Ratio)不佳。另外，模組的厚度也阻礙了手機內部的機構設計，特別是電池的容量與置放。

總結來說，從2018年到2019年，屏下指紋方案的供應鏈已經較為成熟，技術上定調為光學式與超聲波式，而各自配合的組件(像是鏡頭)、製程、模組端均更為完善，而感測效能也得到品牌的認定。因此，2019年下半年配合傳統的市場旺季，將會是出貨量倍增、模組價格下滑的時間點。然而，品牌對目前的屏下指紋技術還未完全滿意，特別是希望未來的屏下指紋技術能有較大的感測面積支援便利的盲解鎖、支援多指認證提高安全性。因此，自2020年開始，屏下指紋技術又要開始新一輪的技術演變與競賽，主要重點會是感測面積、模組厚度，以及探索面板內嵌式做法的可行性，特別是針對TFT LCD的適用方案(圖3)。

光學層設計成關鍵　光學式屏下指紋辨識升級

目前出貨量最大的光學式作法在結構上已經是第二代，主要差異在光學層(Optical Layer)的設計。由於CIS光學感測器位在AMOLED面板下方，需要一個光學層的輔助來匯聚經指紋反射的光線，以提高訊噪比、增強感測器的處理。2018年上半年第一代的作法是採用針孔(Pinhole Design)的設計，每一感測像素可以有一個或是多個針孔配合，此一光學層需要半導體製程蝕刻。除了針孔作法外，也可以用光纖等準直器(Collimator)作法。針孔光學層的成本較高，而且與CIS感測晶片之間需要半導體等級的系統級封裝(System in Package)成模組，因此成本不易降低。2018年下半年，匯頂將光學層改用透鏡設計(Optical Lens Design)，此透鏡其實就是相機CIS晶片前方的鏡頭，包含多個透鏡組合。一開始採用兩片透鏡，後來也有開發三片、甚至四片的作法。透鏡光學層的作法已經在目前主流的作法。

比較這兩種光學層的設計，針孔式的總體模組厚度約僅有0.8mm，而透鏡式需要3.8~3.9mm。品牌與方案商之所以願意犧牲厚度主要有一些考量。針孔式需要與AMOLED面板對位(避免摩爾紋)，但又因為怕重工時損壞昂貴的AMOLED面板，所以不建議做全貼合(Direct Bonding)。再者，模組與元件比較仰賴半導體製程，所以成本下降不易。相對地，透鏡式模組較厚，是因為光線經由透鏡需要行程距離。然而，透鏡式的供應鏈可以沿用相機模組原有的供應鏈(如新鉅科、大立光等)，致使成本下降空間大、模組良率高。透鏡式模組也不需要與AMOLED面板貼合，模組固定於手機中框，這對組裝而言是相當有利的。透鏡式最主要的缺點是厚度，厚度影響了內部機構中的電池布局，也影響了電池的容量。

CIS光學感測器技術在2019年已經相當成熟，但是局限於半導體晶圓製程成本過高，很難加大單一晶片的感測面積。縱然匯頂試圖以四片CIS晶片併接來加大面積，這還是比較像是一種救急的、遷就的作法。籮箕的TFT光學作法有機會比針孔式的模組厚度更低，而TFT製程也比較能夠加大感測面積。一般(分離式)矽基電容式指紋的感測面積都在10×10mm以下(以圓形或是正方形計算)；CIS光學屏下指紋的感測面積約小於1.2×1.2mm，而透過透鏡取像有成像扭曲補償的問題；而籮箕的TFT光學初期作法可以達到25×40mm；Qualcomm的TFT超聲波作法正在開發20×30mm的感測面積(圖4)。

儘管屏下指紋功能在Android智慧型手機上的導入越來越多，但當前的解決方案中，無論是基於CIS方案，還是利用超聲波方案，都只能用於AMOLED顯示幕上，而非占有超過70%出貨量的TFT LCD。主要原因還是由於TFT LCD下方的背光模組影響了感測器的訊號接收，而一旦破壞了背光結構去導引光線訊號，又可能影響TFT LCD的顯示效能。雖然有些方案供應商提出利用特殊光學膜材料(主要是擴散膜與稜鏡片的處理)與特定光譜光線通過的方式，但還要時間在效能、成本上做更多的驗證。

不過，面板廠未必會偏愛這種透過背光模組的方案，主要原因是，方案所創造的價值發生在背光學模組廠與光學膜材料商，不是在Open Cell端，也就是無法為面板廠提高價值與提高價格。再者，訊源需要穿過太多層，除了玻璃基板外，還有液晶、上下偏光片、擴散膜、稜鏡片、導光板、反射板等。最後，特製的背光模組對TFT LCD發光、面板成本的影響都還未知。面板廠自然還是比較偏好內嵌式的作法。友達與神盾合作，在SID 2019展示了適用於TFT LCD的In-cell屏下指紋方案。該方案將光電線路以TFT製程製作，並且隱藏於彩色濾光片的黑色矩陣(Black Matrix)區中。天馬與聯詠也正在開發類似的In-cell作法，但是光電線路是堆疊在下方的TFT背板區。這兩種In-cell內嵌式作法離成熟都還有一段不小的距離，而且額外增加TFT光電線路的成本是否經得起競爭力的考驗，都還要時間觀察(圖5)。

技術發展持續精進　屏下指紋商機無庸置疑

經過2019年智慧型手機品牌的大量導入，屏下指紋功能無疑將具有持續多年的、相當高的成長空間，而且也成了中高階以上機種的差異化功能。不過，屏下指紋技術並未就此停留下來，2020年將是技術變遷開始的一年，主要的發展方向是增大感測面積、TFT製程，以及內嵌式整合。再者，屏下指紋模組未來出貨量的巨幅增長，需要仰賴適用TFT LCD方案的成功開發。但是反過來說，如果適用TFT LCD方案一直未能成形，那麼屏下指紋功能就有可能變成是加速AMOLED取代TFT LCD的關鍵因素。

目前品牌已經將AMOLED面板使用於旗艦、高階與中高階手機，而隨著新增於韓國與中國AMOLED面板的產能開出，AMOLED面板價格有機會更為靠近LTPS TFT LCD。當中高階的手機在考慮面板技術時，AMOLED有屏下指紋功能搭配，而LTPS TFT LCD如果沒有的話，那麼LTPS TFT LCD將會打入中階與中低階的定位。也就是說，LTPS TFT LCD即使具有中高階的面板規格，但受制於沒有屏下指紋的支援，最終只能高規低賣，導入較低階的產品，對LTPS TFT LCD面板的毛利率將形成具巨大的壓力。因此，屏下指紋技術不僅是一項新穎的技術，在面板競賽的制高點上，也將發揮重要的影響角色。

(本文作者為IHS Markit研究總監)