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TSV 技术较传统封装技术优势与特点分析


          指纹识别在智能手机中的应用最早源自苹果的 i Phone5s。由于指纹技术良好的用户体验,以及移动消费支付的兴起,促使相关技术在智能手机中得到快速普及。而指纹识别的芯片封装技术,历经苹果几代产品的使用,也发生了演进与改善。指纹识别是手机上,人机互动最直接的硬件之一,同时对交互体验的要求也是日趋提高。

          苹果手机为了提升指纹的使用体验,也不断的改进在指纹识别上的技术。最突出变化来自芯片封装所使用的引线技术。从 i Phone5S 时代,苹果就采用了当时先进的 Trench+bond wire(“沟壑”与引线键合)的技术。为了进一步改善体验,在其 6s、7 代产品中,在原有的基础上又采用了改进的TSV(硅通孔)的技术。当其改用 TSV 方案后,在提升芯片有效使用面积、降低芯片封装及模组厚度、提升芯片性能、增加耐用性上,均领先于其他手机品牌厂。而从 17 年的趋势来看,国产品牌手机将在高端机型开始逐步采用 TSV 技术,替代现有的传统封装技术,因为 TSV 技术较传统封装技术,具备无可替代的优势和特点。
          参考观研天下发布《2017-2022年中国集成电路封装行业市场发展现状及十三五盈利战略分析报告
 

         (1)TSV 技术本身的优势使得芯片无需再经过边缘的挖沟壑的工艺处理,能显著提升同等尺寸芯片的传感面积,意味着单次采集的指纹信息更多,有效使用面积更大。其带来的好处是,提升指纹识别的准确性与响应速度,更为关键的是能够带来识别安全性的提升,用户体验和隐私保护均获改善。
         
           (2)国内手机目前多还是采用传统的LGA 封装,需要对芯片进行塑胶封盖。而晶圆级封装技术的 TSV 则通过芯片与晶圆内部作垂直通道,相比原有的引线键合(wire bonding)技术,不需要走塑封,另外极大的降低了芯片封装纵向厚度,封装后相应模组厚度从 1mm+降到 0.6mm 以下,符合指纹模组轻薄化的需求。

 

         (3)在指纹芯片封装中,因为芯片与封装面积比很高,体积比也极高,对于翘曲、应力和可靠性造成了很大挑战。传统的 wire bond 技术会因为使用过程的反复按压,损伤连接处引线,最终导致使用的失灵甚至失效。

         TSV技术则能很好的避免该缺点,增加指纹芯片耐用性。有意思的是,苹果意识到指纹按压对硬件的损耗,所以在i Phone7 Plus 上取消了能够物理按压功能,同时在底部安装了一个巨大的 Taptic Engine 触控反馈马达,模拟按压的震动感。

 

         (4)TSV 技术能够整合芯片封装和模组一体化,有利于成本加速下降。由于模组组装环节的技术难点,通过TSV 技术在芯片封装环节就可以大部分得到解决,而芯片封装规模化产能的快速扩充,较模组的产能扩充会更快,其成本下降将较传统封装更有优势。

          (5)我们认为,对于 Under Glass(简称 UG,玻璃下)电容式指纹识别的技术必须要用 TSV。从手机技术发展来看,Under Glass(玻璃下)指纹识别是一种重要的方向选择,之前高通就在其芯片中采用了超声波的方案,试图通过超声波跳开玻璃盖板的阻隔,直接对指纹信号进行判断,但目前看,使用体验上仍有一些问题。

          但如果 UG 仍采用目前通行的电容技术,那么只有在指纹模组中采用 TSV 封装技术才能够实现。因为玻璃下(UG)的指纹识别方案将会采用盖板玻璃作为保护层,而玻璃较蓝宝石和陶瓷材料硬度要低些,所以一旦手机采用 Under Glass 的指纹技术,就意味着在人体指纹和指纹感应 sensor 间的玻璃介质厚度较蓝宝石或是陶瓷材料有明显增加,所以降低误判率和提高信号穿透非常重要。

           而 TSV 技术能增加传感器有效使用面积,对降低误判率有很大的帮助。另一方面,由于 TSV 技术方案能够使芯片无塑胶封体,同玻璃底部形成直接贴合,最大化减少指纹芯片感应 sensor 同人体指纹之间的物理间距,实现信号穿透能力增强和封装厚度减小的双重效果,降低信号穿透的误判率。

          目前 TSV 的指纹技术在国内品牌手机中已经开始逐步得到认可和使用。前不久发行的华为 Mate9 系列机型,就是采用了 TSV 技术方案。该技术在品牌厂商高端机型的使用将逐步启动,随着规模的扩大和成本降低,而对现有的 LGA 传统封装形成冲击,继而改变整个指纹识别封装市场的版图。


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