面板整合設計當道　指紋辨識規格推陳出新

指紋辨識(Fingerprint Recognition)不算是太新的技術，早已經用在各種需要安全認證的領域。但是一直到蘋果(Apple)在2013年將Touch ID的主動式電容技術用在iPhone 5S之後，指紋辨識結合手機開鎖、電子付款、身分確認等應用，才在消費性電子、特別是智慧型手機上，獲得廣泛注目。其他非Apple的品牌之後也陸續導入高階機種，但是一直要到2015年Android 5.0內建原生指紋辨識、打造基礎支援平台後，指紋模組的滲透率才提高到31%，2016年時更是挑戰50%。預計2017年在指紋模組價格(低於5美元)的推波助瀾下，全球滲透率可望進一步提高到60%以上。除了手機外，平板與筆記型電腦也開始導入，但成長幅度相對緩慢。

從2013年第3季iPhone 5S發表後，Touch ID歷經兩代。最近的iPhone 7除了效能的改進外，還結合壓力改應(Force Touch)以取代原先的實體按鍵，如此可以讓Touch ID元件的耐用性得以提升。在感測器設計方面，原先的滑擦式(Swipe Type)已經不見蹤影，區域式(Area Type)已經是主流，並且為了配合外觀設計的需求，而有了圓形或是橢圓形的設計。在技術方面，一般電容式與主動電容式幾乎是壟斷的局面，由高通(Qualcomm)主導的超聲波SenseID(Ultrasound)目前則還初期的起步階段。

電容式指紋技術大致上已經發展成熟，而且平均模組價格在過去兩年幾乎下跌了50%。即使如此，電容式技術還是無法令品牌完全滿意，主要原因並不是安全性問題，而是對外觀設計的影響。虹膜辨識(Iris Recognition)具有約240個特徵點(機率約1/1072)，而指紋約在30到40個特徵點(Minutiae)之間；理論上虹膜應該比指紋有更高的安全性。然而，虹膜辨識模組成本不低，光是一個波長約810nm的紅外線四元LED報價就高達約5美元，況且還需要特定的紅外線相機模組。再者，虹膜辨識在使用行為上也沒有指紋辨識來得迅速、方便與直覺。因此，指紋技術的演進與改進仍然是目前相關生物辨識技術(Biometric Recognition)廠商著力的重點。

隱形指紋模組需求與日俱增

受限於電容式技術穿透能力的限制，主要晶片廠商已經在開發光學式取像(Optical Imaging or Optical Sensing)技術，大約在2017年第3季就可以開發完成。目前電容式技術約只能穿透300到350um左右的厚度，但光學式有機會在800到1,000um之間。由於當前2.5D的表面玻璃厚度約在0.7到0.8mm，所以光學式指紋模組可以直接使用。但電容式模組就必須在模組於表面玻璃的黏合處上，予以削薄至300um左右；除了加工成本外，對玻璃強度的影響也是問題。

以2017年的時間點來看，目前的指紋技術、不管是電容式、光學式，或是超聲波式，都已經可以讓指紋模組置放於表面玻璃之下，也就是從手機的外觀上是隱形化的、看不到指紋模組的。理論上，這應該就不致影響外觀設計，也可以讓品牌就此滿意。但實際上，這只是未來到以面板為基礎的(Display-based)、全螢幕指紋辨識前的一個過渡階段而已。雖然這樣的指紋模組已經隱形，但是模組還是占據了手機內部的空間；最理想的方式是跟其他元件整合，完全不占據內部空間，而這個元件自然非面板莫屬。

這種元件整合的趨勢，已有的內嵌式觸控(Embedded Touch, In-cell and On-cell)面板就是個顯著的例子。內嵌式觸控並沒有強化觸控面板的功能，但減少了元件、簡化整機結構，並讓面板從單純的顯示功能進化到互動功能。半導體產業近幾年來更是對這趨勢大力實踐，像是矽穿孔(TSV)、扇出型封裝(FOWLP)、系統級封裝(SiP)等，都是在半導體製程的精進之外，走出一條先進的封裝整合之路。

對品牌來說，為了持續創新、延續市場的動能，對上游供應鏈的鞭策自然不會歇手，2017年的面板高占比化(Screen-to-body)就是個典型例子。人體工學舒適度的考量限制了整機大小，為了提升視覺效果，從面板左右窄邊框(1mm到0.5mm)到曲面螢幕的無邊框設計，目前更進一步邁向18:9(或18.5:9)上下窄邊框的潮流。面板的高占比除了帶來外觀耳目一新的購買誘因外，也將為相關電子元件、人機互動帶來長遠的影響。高占比帶來幾乎滿屏的設計潮流，但也逐漸將手機正面或側面的一些功能鍵虛擬化入手機面板，例如：主按鍵(Home Button)、矽晶片指紋辨識區、音量鍵、拍照鍵。指紋感測器從矽晶片轉為面板的薄膜電晶體(TFT)之後，所得到的優點包含：可支援多指以增加安全性、可由軟體定義螢幕上的感測區、感測器成本有機會降低，同時，將不再影響外觀設計。目前面板廠與晶片廠商已經緊密研發中，預計2017年下半年到2018下半年，陸續會有Under-display、On-display與In-display的方案提出(圖1)。

圖1 手機指紋模組的隱形化過程

當前指紋技術與模組做法

雖然指紋模組整合進面板、或以面板線路來整合指紋感測器的想法已然產生，廠商的相關專利(包含Apple)也陸續浮出檯面，然而要讓指紋模組真正地隱形起來，工程上還有一段路要走。以2017年來看，矽晶圓為感測器基礎的電容式技術仍是主流。電容式指紋模組(包含Apple目前的Touch ID)在過去兩年的進展主要是在提高訊號穿透度、加強模組的耐用性上面；薄玻璃、藍寶石薄層、陶瓷薄層等已取代原先的硬塗層(Hard Coating)。但電容式技術還是有穿透厚度的限制，讓品牌與模組不得不以削薄表面玻璃厚度來達到隱形化(圖2)。

圖2 電容式指紋方案的隱形化方案

就算是穿透度再進一步提高，由於以矽晶圓為基礎的感測器是不透明的，不可能置放於面板上方，而置放於面板下方又有穿透度的問題，因此電容式觸控模組很難不干擾到手機的外觀設計。目前的作法包含：隱形化並置於手機前方，但會影響到18:9的滿屏設計；移到手機背部，但使用的便利與直接性稍差；或者移到側面與電源按鈕整合，但會增加邊框厚度。除了電容式技術外，恐怕現在的光學式和超聲波式技術也很難避開這些問題。不過即使如此，光學式和超聲波式技術還是比較有機會提高訊號穿透厚度。

這兩種技術目前尚在發展初期，因此還未能夠威脅到電容式技術；然而這兩者最特殊之處在於：都可能不再以矽晶圓為感測線路基礎(特別是未來的In-display與On-display結構)。換句話說，如果兩者一旦普及，目前電容式晶片廠商爭搶8吋晶圓產能的盛況將不復再有。高通的超聲波式SenseID以壓電材料PVDF(Poly-vinylidene Fluoride)作為發射端(Tx)與接收端(Rx)的基礎，接收端再布以TFT線路、匯流到後端的特定應用積體電路(ASIC)轉成指紋影像判讀；TFT作為指紋感測器接收端的線路，取代了較為昂貴的矽晶圓線路。SenseID稍早的TFT線路合作面板廠應該是深超光電，與指紋模組端的業成一樣，均和鴻海體系關係密切。

至於光學式技術，晶片大廠像FPC、新思(Synaptics)等，應該在2017年第3季度就會有成熟方案出來；Synaptics正與大陸的廠商籮箕(OXI)合作，其FS91xx可以穿透1,000um的厚度。與超聲波技術類似，光學式技術以一片玻璃基板作為線路基礎，估計應該也可以TFT黃光製程來進行；精度還是約508ppi，也就是每1mm的寬度約有20個感應器單元，平均每一個單元約50um。感測器線路可以將指紋凹凸(Ridge and Valley)反射的光，經感測器上的光電二極體轉化成256灰階影像，讓後端演算法進一步判讀。目前的光學式技術的發展受惠於感應線路與光源的改進，早已經跟過去笨重的設計完全不同。不過，光學式技術應用在手機上可能還有一個關鍵問題；由於手機表面玻璃下方通常會有油墨，光學式技術的光源能否穿透該油墨會是個問題。目前採取的方式是留置透明穿透區給LED光源，如同前置相機鏡頭的處理(圖3)。

圖3 現有指紋技術的模組結構比較

指紋整合入面板設計

將指紋模組整合或是結合進到面板中的做法，其實就是要解決如何將發射端、接收端與感應線路等、落實進到面板結構中的工程。由於面板做為顯示之用，因此指紋的相關元件若是位於面板的光源之上，那麼就必須是透明的，或至少是不可視的；如果是不透明的，那麼就必須位在面板的光源之下。以Apple從併購Privaris而來的專利(US9342674 Man-machine Interface for Controlling Access to the Electronic Devices)來看，光學式與電容式都有機會在光源之上，但超聲波式則會在光源之下，或是位在不同的平面位置。

液晶顯示器(LCD)或是主動矩陣有機發光二極體(AMOLED)面板以上下兩片玻璃為線路或是發光結構，因此指紋的發射端、接收端與感應線路在整合上也有不同的選擇。如果均是位在下方玻璃上(主要是TFT基板)，那麼可視為In-display結構，其實這個概念很類似內嵌式觸控面板的In-cell結構。如果接收端位在上方玻璃，則可以視為On-display結構，就如同內嵌式觸控面板的On-cell結構一般。另外，也可以與面板的結構無主要關係，而是以外加的基板、緊密置於面板之上來承載指紋相關線路，這也可以視為一種On-display結構，而其實這很像外掛式觸控模組的做法。最後，如果均位在下方玻璃之下，那麼就是一種Under-display的結構，超聲波指紋模組應該會是Under-display的結構。除非超聲波指紋模組的原有接收端壓電材料可以用其他的透明材料來取代，而置於TFT上，同時，讓面板的TFT來整合指紋感測線路。至於技術選擇上，以目前的專利文獻來看，光學式應該居多。Synaptics在2018年會推出光學式的Under-display結構，但是以有機發光二極體(OLED)本身為光源、互補式金屬氧化物半導體影像感應器(CIS)為感測器；與2017年的FS9100是不同做法(圖4)。

圖4 指紋整合入面板的設計

除了原理、技術、結構的選擇外，在實際的工程上還有許多問題待解。例如：偵測光從光源發出來後，必須避免先干擾到接收端的光電二極體，否則反射光回來後會造成偏差。面板的組成包含許多不同的元件層，偵測光與反射光在行進時，指紋模組結構的設計必須使得訊號雜訊比(S/N Ratio)清楚到可以讓後端判讀；有些專利文獻中提到類似「光準直器」(Collimator)的設計(US20160132712)，也是為了能集光以增強訊號的目的。而在TFT端的線路密集(顯示、指紋、甚至觸控等)，也有可能會影響解析度與開口率。另外，為了提高敏感度，光源的波長、強度的選擇必須和光電二極體的材料相配合。

在Apple所申請的專利中，US20150331508 (Integrated Silicon-OLED Display and Touch Sensor Panel)應該是個相當具前瞻性的專利；由於該專利又以OLED面板為基礎，因此容易讓人猜測這是否就會是Apple未來的Touch ID結構。但是考慮到當前Apple最重要的使命是如何確保OLED面板供應鏈的順暢(包含足夠的供應商和面板良率)，而不是如同2012年的In-cell Touch，再次要求面板廠在TFT端予以過度客製化，因此在2017年或是2018年導入的機會都不大。US20150331508體現了指紋的發射端、接收端與感應線路等在TFT上的高度整合。

Crucialtec的US20160132177(Display Apparatus Capable of Image Scanning and Driving Method Thereof)專利文獻中，提出一種類似On-cell Touch的On-display結構；發射端光源可位在LCD的背光模組處，而接收端則是在彩色濾光片上。至於大陸的印象認知(VkanSee)在WO2015192712(Touch Image, Touch Screen, Fingerprint Acquisition Device)專利中，提出了光學的「破壞全反射」(Frustrated Total Internal Reflection, FTIR)作法。破壞全反射原理也可以應用在觸控面板上，最典型的廠商就是Flatfrog。

Apple的專利中還有一些看起來像是外掛式的On-display做法。

US20150036065(Fingerprint Sensor in an Electronic Device)中提到，以一種特殊、細微的盲孔結構來增強指紋訊號，盲孔可以位在表面玻璃或是額外的基板上，而面板就位於基板下方。US20160216813(Electronic Device Including Finger Biometric Sensor Including Transparent Conductive Blocking Areas Carried by a Touch Display and Related Method)則是提到一種切換線路的概念；在同一水平區域上，堆疊垂直面由上而下分別是表面玻璃、膠材、指紋感測線路(基板)、切換線路、透明介電層；觸控面板感應線路、面板。切換線路的目的估計應該作為切換觸控與指紋功能之用；當指紋功能被Apps呼叫後，圖形使用者介面(GUI)會顯示指紋感測區，此時觸控線路應該先暫停，讓指紋線路作用於該感測區，以免造成誤觸。從Apple所申請的專利可以看出，在In-display結構還需要時間讓技術成熟前，Under-display或是On-display結構應該可以先行。不過其結構、線路也是相當客製化，除了需要Apple自己的ASIC配合外，iOS端的應用程式介面(API)和底層都要進一步完善。

供應鏈/生態體系大洗牌　觸控面板市場競爭激烈

面對觸控面板的競賽，面板廠已經是勝利在望，代價也是相當慘烈。預計2017年時內嵌式觸控有機會達到70%。但迎接在前的未必是內嵌式觸控面板單價或毛利的顯著拉升，正面的因素有可能在未來產能充沛與競爭的情況下而抵銷。因此，面板廠已經在著手未來的突破點；除了2017年可以看到的In-cell減光罩方案外，對外來較有影響的應屬2018年的面板整合指紋方案。

任何面板當顯示器都會有兩大區塊，一是顯示技術(如OLED、液晶背光或等離子)，二是TFT背板。後者正如半導體，除原有的顯示驅動線路外，更可以集成多重的感應線路，像是觸控、指紋。正是因為這些新加入的集成線路與結構，讓面板從單純的顯示器件進化成為感應平台。以指紋而言，矽晶片成本高，除了位置固定外，也很難支援多指以提高防偽難度(指紋不如虹膜)，但TFT線路、配合較大的面板可以勝任。作為感應平台的面板，在收集使用者產生的不同訊號(如：觸摸、施力、溫度、指紋等)，可以透過感應頭端(Sensor Hub)的匯整後，將原生數位化的類比資料交由後端的處理器、演算法處理。 技術的演進表面上或許只是技術的競爭或取代而已，但實際上在表面下的卻是供應鏈與生態體系的重組，也是廠商間競爭的消長。面板整合指紋不只是一項新技術，還會連帶影響指紋晶片將來對8吋晶圓廠的需求，甚至晶片廠商間的競爭洗牌。

(本文作者為IHS研究總監)