尺寸縮小50％！迎5G手機商用，思立微首發新一代CSM光學指紋模組
摘要：8月23日，業界領先的人機交互及生物識別方案供應商思立微宣布，正式推出最新一代的適用於OLED屏下光學指紋識別的CSM (chip-scale module)方案GSL7001F。相比上一代傳統COB（chip on board）方案，在模組尺寸（XY方向）極具優勢，面積可縮減50%，將可為智能手機內部的電池、攝像頭等內部器件提供更多的空間。
在全面屏的趨勢之下，2017年蘋果率先推出了採用「劉海屏」的iPhone X，首次集成了前置的3D人臉識別系統FaceID，用以取代了之前正面的指紋識別。此後不少安卓手機廠商也開始跟進。但是，3D人臉識別成本相對較高，並且正面需要開槽（用劉海屏），用戶也需要改變以往的「指紋識別」解鎖/支付的習慣來適應，這也在一定程度上抑制了3D人臉識別的推進。
相比需要在正面屏幕開槽的3D人臉識別模組來說，屏下指紋模組憑藉隱藏在屏幕之下、且不需要在屏幕上進行挖孔這一優勢脫穎而出，使得手機廠商在保證前置指紋體驗的同時，進一步提升全面屏的屏佔比，兼顧整體設計的實用性與美觀性，因此也受到了不少手機廠商的青睞。
在經歷了數代技術的迭代之後，目前光學屏下指紋已經得到了市場的普遍認可。光學屏下指紋已經在中高端智能手機上普及，而隨著OLED屏價格的快速下滑，以及光學屏下指紋廠商之間的價格競爭，勢必推動光學屏下指紋開始加速向中端機型滲透。
根據IHS Markit預計，2019年屏下指紋的出貨量預計將增長6倍，達到近1.8億片。而天風證券的預測則更為樂觀，他們預測2019年屏下指紋手機出貨量將達到2.8億部，年增長率高達900-1000%。
面對這樣一個大的市場，各家屏下指紋廠商也在不斷的推出新的解決方案來進行爭奪.不過,此前各家廠商主要比拼的還是解鎖速度、準確率、安全性、成本等方面。而現在隨著智能手機攝像頭（旗艦都開始上三攝、四攝了）數量的不斷增加，以及5G的到來，對於智能手機內部的空間也提出了更高的要求。為了應對這一變化，指紋識別廠商在維持產品原本各項性能指標的前提下，通過工藝改良和結構創新，推出了更小尺寸的屏下光學指紋晶元。
8月23日，業界領先的人機交互及生物識別方案供應商思立微宣布，正式推出最新一代的適用於OLED屏下光學指紋識別的CSM (chip-scale module)方案GSL7001F。相比上一代傳統COB（chip on board）方案，在模組尺寸（XY方向）極具優勢，面積可縮減50%，將可為智能手機內部的電池、攝像頭等內部器件提供更多的空間。思立微深耕技術創新路線，相繼推出國內首創MCU和感測器集成方案，首創可調焦光學指紋模組方案，以及最先將3P式鏡頭應用於指紋識別模組。持續引領行業技術進步。
圖示：CSM與COB對比圖
與COB方案相比，CSM方案有何優勢？
現在主流的屏下光學指紋識別方案是COB方案，即裸晶元直接貼裝在FPC軟板上，電容也是直接放在軟板上。從技術上來看，主要存在兩個問題：
1、模組XY方向的尺寸比較大。一方面是基於Wire Bonding的技術，軟板上的內引腳及金線引線需要一定的空間；二是電容也必須焊接在軟板上，也佔用了一定的空間；
2、模組廠必須使用COB的組裝線體來組裝目前屏下光學指紋識別COB模組。而目前COB的組裝線體的建設成本較高，同時，由於目前攝像頭模組的組裝也是需要COB線體來組裝，而基於目前智能手機等終端產品對於攝像頭數量需求的增長較快，使得COB線體的產能較為緊張。也就是說，目前的COB方案的屏下光學指紋需要跟攝像頭去搶產能。
相比之下，思立微所採用的CSM（Chip Scale Module）工藝方案，則很好的解決了這兩個問題。
首先，思立微選擇採用Flip Chip工藝，把CIS晶元焊接在PCB上，然後用玻璃保護晶元表面，再用錫球把晶元的電路引出來；同步，電容也可以焊接在PCB板上面，使得晶元由原來的2D形式轉變為3D，使得XY方向的尺寸大大縮小，形成了一個小尺寸的晶元封裝體。
晶元封裝體
晶元封裝體
其次，基於這個小尺寸晶元封裝體，模組廠可以直接採用傳統的SMT工藝將其焊接在FPC軟板上，然後在晶元封裝體上面直接裝Holder＋Lens，使得整個模組在XY方向的尺寸大大縮小。
從上面的介紹我們不難看出，思立微的CSM工藝方案集成度更高，可以讓FPC軟板的元器件區域空間減小。思立微表示，若進一步結合Flash技術，可以完美達成0外圍器件的指紋晶元模組方案。據介紹，思立微CSM工藝方案，相比較於COB方案，屏下光學指紋的模組在XY方向能有50%的空間縮減（包括金線引線-引腳，及電容的空間）。而節省下來的空間將可為手機內部的電池容量的增加、攝像頭數量的增加、5G手機天線數量以及內部器件的增加提供更多的空間。可以說，CSM方案的屏下光學指紋非常適合於5G手機對於內部空間的需求。
圖示:CSM實物對比圖
特別需要指出的是，基於CSM工藝方案實現的屏下光學指紋晶元模組尺寸的縮小，並沒有犧牲晶元die的尺寸，也就是說這是在保持原有屏下光學指紋的識別區域大小、性能和功能不變的情況下實現的。
另外，在模組生產過程中，直接採用產能極為豐富的傳統的SMT工藝即可，無需採用COB工藝，這也意味著無需去和攝像頭模組搶COB的產能，生產上更具效率，這也在很大程度上保障了屏下光學指紋晶元模組的產能供應。
思立微Steven告訴芯智訊：「不管模組廠的大小，基本都有SMT產線，有Reflow-迴流焊機器，SMT工藝也更成熟。而COB方案需要Die Bond/Wire Bond機器及相應的凈化級別的車間，比如前道晶元封裝，一般要求千級凈化車間及以上，這也意味著產線的成本投入更高。在屏下指紋及攝像頭模組需求短期猛增，對於COB產能提出更高要求的趨勢之下，對於模組廠來說，是否繼續擴建成本更高的COB產線將是一個問題。因為一旦擴建，如果未來攝像頭和屏下指紋需求下滑，產線利用率大幅降低，無疑將會造成損失。如果採用SMT產線就能夠生產屏下光學指紋模組，那麼無疑將幫助模組廠騰出更多的現有COB產能去滿足攝像頭模組的需求，可能也就無需去擴建COB產線。」
那麼，在成本方面，CSM方案相比COB方案優勢又如何呢？Steven表示：「就工藝本身來看，CSM並不會比COB貴，而且考慮到設備的投入、生產效率、良率、品質等方面的因素，CSM方案屏下光學指紋模組的成本會更具優勢。」
CSM方案的難點在哪？
從前面的介紹來看，似乎CSM方案只是一個工藝上的變化，並沒有多高的實現難度，那麼競爭對手是否能夠輕鬆跟進呢？
對此，Steven給出了否定的答案。他表示，Flip Chip和SMT確實都是上游的成熟工藝，但是在晶元模組結構設計上思立微卻做了很多的創新，並且解決了很多的技術上的難點。
首先，因為光學晶元必須裸露——接觸光線，所以不能用環氧樹脂進行覆蓋，並且CSM模組需要用SMT工藝來生產，而SMT當中的迴流焊這一過程中，溫度變化急劇，從室溫（25攝氏度）到260度的峰值溫度，需要在短短的十幾分鐘，甚至幾分鐘完成（各個模組廠的工藝有所差別），如果在一個密封空間里，很容易有「爆米花」的現象；但是如果不封住，留有空隙，水汽或者灰塵又很容易進去，影響產品的可靠性或者性能。
所以在研發時，思立微基於使用玻璃和PCB板，用膠封住，做了很多的模擬和實驗，在初期，使用彎曲管道來管控，效果不好。後面又採用抽真空的方式來進行，產品經過多次驗證後才有了良好的效果。
其次，在做Flip Chip時，也會遇到了很多問題，比如Bump焊盤的布局，在最初時，沒有充分的驗證，結果會有「傾斜」的風險，後續經過反覆的模擬、驗證，才解決了這個問題。
Steven表示，「在CSM方案上，思立微已經有了多項專利的布局。即使競爭對手現在來研發，並且繞過我們的專利，至少也需要一年到一年半的時間」。
編輯：芯智訊-浪客劍
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