本文轉載自微信公眾號：Amao_eda365，原文作者陶源。已獲得(de)轉載授權。
要說 Air pods Pro 火在哪裡？除了(le) Air Pods 的(de)產品其優越的(de)佩戴體驗舒適外，個人(rén)覺得(de)最大(dà)的(de)亮點就是其兩項黑(hēi)科技：
1. |
主動降噪 |
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2. |
SiP 技術 |
1. 主動降噪
據蘋果官方表示，Air Pods Pro 的(de)外向麥克風可(kě)以檢測外部聲音(yīn)並分(fēn)析環境雜訊。隨後 Air Pods Pro 具有創建等效的(de)抗雜訊功能，以消除背景雜訊。另外，Air Pods Pro 還擁有面向內部的(de)麥克風，可(kě)檢測剩餘噪音(yīn)。據悉，噪音(yīn)消除功能，每秒可(kě)連續調整 200 次聲音(yīn)信號，有效提升降噪效果。
這次 Air Pods Pro 搭載了(le)三顆麥克風：外向式麥克風(波束成形麥克風)，內向式麥克風和(hé)通(tōng)話麥克風(波束成形麥克風)。其不僅可(kě)以消除外部的(de)雜訊，而且可(kě)以抵消耳蝸內的(de)雜訊；據業界回饋，其降噪功能特好，特別是坐(zuò)飛機的(de)時候。
圖 1：Air Pods Pro
從技術上看，不僅與其自身晶片強大(dà)的(de)資料處理(lǐ)有關，也(yě)與其優越的(de) MIC 性能有關。
※ 據分(fēn)析其耳機內部用(yòng)到的(de) MIC 全部來自於歌(gē)爾股份。而這些正是通(tōng)過使用(yòng) SiP（系統級封裝）技術來實現。
2. SiP（System in Package）技術
圖 2 ：產品透視圖
網上有很多(duō)關於 Air Pods 的(de) SiP 介紹，及學習材料，如 SIP 工程入門的(de)書藉有新出版的(de)《晶片 SIP 封裝與工程設計》等。聽 SiP 會議，大(dà)咖們都喜歡從摩爾定律談起？（摩爾定律指：積體電路上可(kě)容納的(de)元器件的(de)數目，約每隔 18-24 個月(yuè)便會增加一倍，性能也(yě)將提升一倍）再從堆疊、埋入、先進封裝、扇出，TSV 等介紹 SiP 可(kě)以延續此定律。
但內容一般會較高(gāo)大(dà)上大(dà)方向講，極少有深入的(de)設計分(fēn)析，本文則以分(fēn)析 Air Pods Pro 採用(yòng)了(le)的(de) SiP 先進封裝技術，可(kě)以實現此產品的(de)小型化(huà)等非常接地氣的(de)實用(yòng)技術分(fēn)析。
3. Air pods Pro 與 SiP 相關的(de)先進技術
下(xià)面將分(fēn)別分(fēn)析 SiP 內部所用(yòng)的(de)技術及通(tōng)過什(shén)麼方法可(kě)以使 Air Pods Pro 產品如此精細小。
3.1 Air Pods Pro 所用(yòng)的(de) SiP 模組技術探討
圖 3：Air Pods Pro 拆解圖
TOP 面
Top 面（即 Mold 面） Mold 裡面沒有 WB，沒有堆疊，沒有埋入，沒有 TSV，沒有 3D Fan-out 等等，簡單來看就是一個高(gāo)密的(de) SMT + Mold + EMI Shielding 結構。
1. SMT：
內部一共包含了(le) 80-90 個電阻、電容和(hé)電感器件，最大(dà)尺寸 0402（4 個），最小 01005，沒有 0603 器件，也(yě)還沒有用(yòng)到 008004 器件，但其器件到器件間距 01005/01005 間距 100um (實際測量值，考慮到器件的(de)公差及設備的(de)精度，設計值可(kě)能是 80um)；實現了(le)真正的(de) High Density SMT。
2. WLCSP：
內部 IC 全部為 WLCSP 器件，最小的(de) Pitch 為 360um，焊球高(gāo) 150um；其他(tā)均為 Pitch: 400um; 這個規格，組裝能力強一點的(de)封裝廠應該都具備此能力。
3. Mold：
SiP 採用(yòng)異形設計，與常規見到的(de)矩形的(de)封裝不同，需要採用(yòng) Selective Molding，單獨設計 Mold 異形模具，一套 100 多(duō)萬，而且週期長：3~4 個月(yuè)。
TOP 面採用(yòng) MUF 工藝，Under fill 也(yě)不用(yòng)了(le)，可(kě)以進一步地縮小模組的(de)佈局空間；另外，據分(fēn)析，其 Moldingfiller size 特小：5~8um；對 Mold 材料的(de)選擇和(hé) Mold 的(de)設備都有特別的(de)要求。
採用(yòng) Mold 工藝將器件塑封在基闆上，既可(kě)以提高(gāo) SMT 的(de)可(kě)靠性，提升整個模組的(de)硬度，同時也(yě)為下(xià)一步的(de) EMI Shielding 提供支撐面。這也(yě)是 Air Pods SiP 與其他(tā)的(de) PCBA 的(de)技術差異。
4. EMI Shielding：
EMI Shielding 中常用(yòng)到共形遮罩，其實現的(de)方法有多(duō)種，如:電鍍、濺射、噴塗等等，它們作為一種新的(de)電磁遮罩的(de)技術被廣泛應用(yòng)在射頻、存儲等電子封裝上。就是在封裝的(de)表面形成一種薄薄的(de)金屬層，以此來遮罩內部器件免受外界幹擾，同時也(yě)遮罩 SiP 內器件和(hé)電路對外界的(de)幹擾。
圖 4：Shielding 效果
共形遮罩有 Conformal Shielding 和(hé) Compartmental Shielding 兩種，其技術優勢網上材料較多(duō)，這裡不再深入。
Air Pods Pro 採用(yòng)的(de)是 Sputter 工藝（SUS-Cu-SUS），Conformal Shielding，都是標準的(de) Sputter 工藝。
圖 5：Shielding Sputter 效果
5. SiP 共形遮罩的(de)優點：
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共形（Conformal）和(hé)劃區（Compartmental）遮罩方案應用(yòng)靈活廣泛 |
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最大(dà)限度減少封裝中的(de)雜散和(hé) EMl 輻射 |
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最大(dà)限度減少系統中相鄰器件間的(de)幹擾 |
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器件封裝橫向和(hé)縱向尺寸增加幾乎為零 |
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節省系統特殊遮罩罩部件的(de)加工和(hé)組裝成本 |
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節省 PCB 面積和(hé)設備內部空間 |
BOTTOM 面
BOTTOM 面，比較簡潔，包括一個較大(dà)且 EMI Shielding 的(de)器件，兩個 SENSOR 器件，一個 Interposer ，射頻天線連接器和(hé)它對應的(de) π 形匹配，還有其他(tā)的(de) 5 個分(fēn)立的(de)阻容感器件。
圖 6：背面元件
1. 上圖中數字 1 和(hé)數字 2，為 2 顆感測器
一顆語音(yīn)辨識加速感應器，一顆運動加速感應器（ST 意法半導體的(de)語音(yīn)辨識加速感應器，說明(míng)上行通(tōng)話降噪，特別針對風噪和(hé)環境雜訊。Bosch 博世的(de)運動加速感應器，與光(guāng)學感測器配合，檢測使用(yòng)者佩戴狀態）。
圖 7：感測器內部走線
對於感測器，兩層 Substrate 加 WB+ Mold，LGA 封裝，內部非常簡單，一看上圖就明(míng)白。
2. 數字 3 處一個基闆 Interposer
應該是 Air Pods Pro 的(de)一個亮點，用(yòng)於信號的(de)測試點，和(hé)與 FPC 的(de)連接。
圖 8：基闆 Interposer
TWS 耳機中由於結構及其它的(de)一些設計要求，不可(kě)以把所有的(de)器件都放在主機闆上，如 MIC、SPK、位置感應器等，必須放在結構配套的(de)位置，這樣，就需要用(yòng)到 PFC；常見的(de) PFC 與主機闆的(de)連接有：B2BConnector、Hot bar、 ACF ，還有近幾年比較流行的(de)軟硬結合闆；各有自身的(de)優缺點。舉例如下(xià)：
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B2B Connector： |
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工藝比較簡單，很多(duō)產品都用(yòng)這種，但是缺點 PIN數少，面積大(dà)。 |
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軟硬結合闆： |
省掉了(le)連接器，Pin 數也(yě)不受限制，但成本高(gāo)。 |
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Hot bar，ACF： |
工藝比較好實現，但對 Pitch 有要求，比如：pitch至少 0.8mm；同時良率不是特高(gāo)；同時由於熱壓的(de)影(yǐng)響，周邊的(de)器件距離 Hot bar 工藝區域至少 1mm 的(de)淨空，這個對於小型化(huà)的(de)穿戴產品是緻命的(de)。ACF 工藝 ，沒那麼多(duō)要求，但其對於 Pitch 有一定的(de)要求，良率還不是很高(gāo)。 |
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Interposer： |
而 Air Pods pro 的(de)這個 Interposer，採用(yòng)一個尺寸約為 2*7*0.7mm 的(de)有機基闆轉接闆，底部採用(yòng) BGA 焊球與大(dà)的(de)基闆連接；同時將焊接點擡高(gāo)，從而避開了(le)淨空要求。在 Interposer 上佈置了(le)近 50 個焊接點和(hé)測試點，Pitch：0.425mm，焊接點採用(yòng)滿整列設計，非常密集；既可(kě)滿足測試的(de)要求，也(yě)能滿足 SMT 的(de)要求。Interposer 與周邊器件隻要滿足 SMT的(de)工藝要求：100um 即可(kě)；大(dà)大(dà)減少了(le)焊接點和(hé)測試點的(de)占闆面積。 |
3. 數字 4 處標注的(de)器件
圖 9：複雜 SiP 元件
這是 Air Pods Pro 的(de)一顆核心器件，一個 Dual Side Mold BGA 的(de) SiP 器件，猜測是其 PMIC 和(hé) DSP 的(de)結合。
這顆 SiP 器件有較大(dà)的(de)難度，Top 面是 FC + SMT + MOLD + EMI shielding；Bottom 面是 EpoxyDie Mold + Ball。
結構堆疊方式類似如下(xià)示意圖：
圖 10：堆疊結構方式
對應的(de)工藝描述如下(xià)：
TOP 面內部 SMT + FC ，難點在於其整體的(de) Mold 高(gāo)度 350um，Mold 與 Die Top 的(de) Gap 為 50um (現在一般的(de)工藝能力都是 100um 以上)；TOP 面採用(yòng)了(le)共形遮罩，Conformal Shielding (至於上面為什(shén)麼有一條分(fēn)割線，後面再詳細介紹)，和(hé)大(dà) SiP 的(de)工藝一樣，Sputter 工藝，很成熟。
BOTTOM 面為 Epoxy Die Mold + Ball ：首先進行 Mold，然後通(tōng)過鐳射將錫球焊盤裸露出來，最後才進行植球；中間的(de) DIE，為先進行整體的(de) Mold，再通(tōng)過研磨的(de)方式將 DIE 的(de)表面裸露出來，用(yòng)於散熱。
中間的(de)基闆採用(yòng) Coreless 工藝，6 層闆厚度 200um;
整個 SiP 的(de)高(gāo)度為 750um 左右，與基闆 Interposer 高(gāo)度相當。
這顆晶片來料就是 SiP 器件，對上遊的(de)封裝廠（具體廠家不明(míng)）的(de)工藝極具難度挑戰。Air pods Pro 組裝廠家 Amkor 隻需要完成把這顆 SiP 組裝到大(dà)的(de) SiP 即可(kě)。
4. RF 連接器
Bottom 面還有一個重要的(de)器件—— RF 連接器；與一般常用(yòng)的(de)天線彈片設計不一樣，Air Pods Pro 採用(yòng)了(le)一個 SMT 的(de)天線連接器，天線設計在耳柄上，通(tōng)過連接線和(hé)連接器與主 SiP 連接。
天線設計為了(le)保證天線的(de)性能，往往要求天線對應區域保持一定的(de)淨空空間，如果天線放在耳蝸內，則天線投影(yǐng)區域及天線彈片對應區域都需要淨空，且不是單面這麼簡單而是雙面及所以內層都要求淨空；這種對於 TWS 的(de)設計極具挑戰；但 Air Pods Pro 現在這種設計，對 SiP 模組影(yǐng)響降到了(le)最低，隻需要連接器對應區域下(xià)面 3 層進行淨空即可(kě)，背面一樣可(kě)布器件，可(kě)走線，大(dà)大(dà)簡化(huà)了(le) SiP 的(de)設計，間接實現了(le)小型化(huà)。
對於天線的(de)匹配：放在 SiP Mold 區域外面，畢竟 Mold 材料對RF性能會有影(yǐng)響，且放在裡面不可(kě)調。
圖 11：RF 連接器
5. 基闆
上面介紹了(le)內部器件接下(xià)來介紹基闆。它是 8 層基闆，Low CTE 材料，常規設計,厚度 300um（Core:50um）; Line W/P: 40/40um; Via:80/140um 3+2+3（任意階）。
3.2 Air Pods Pro 產品減少尺寸的(de)綜合考慮
前面介紹了(le) Air Pods Pro SiP 內部包含了(le)的(de)元件等，相信讀者對內部的(de)器件及結構有了(le)一個較為明(míng)確的(de)瞭解。現在介紹 Air pods Pro 為什(shén)麼可(kě)以做(zuò)得(de)很小。
自從 Air Pods Pro 爆火之後，很多(duō)公司都在提：我們也(yě)要用(yòng) SiP 技術，做(zuò)一款和(hé) Air Pods Pro 一樣的(de)小而輕，功能強的(de) TWS 耳機。
相對于我們傳統的(de) PCB + SMT 和(hé)我們的(de)軟硬結合闆，都是有機基闆加 SMT，SiP 工藝有它的(de)技術優勢：下(xià)表為一個 PCBA 和(hé) SiP 的(de)對比，可(kě)大(dà)家以後設計時參考借鑒。
表 1：PCB 與 SiP 比較表
Air Pods Pro 採用(yòng)了(le) SiP 模組，對於產品的(de)小型化(huà)有較大(dà)的(de)幫助。
4. AirPods Pro 中 SiP 對系統及工藝的(de)考慮
Air Pods Pro 產品應用(yòng)了(le) SiP 裡面的(de)許多(duō)項技術與工藝，經過前面詳細技術分(fēn)析與介紹，對於下(xià)面所提的(de)數字 1-5 標的(de)問題進行技術分(fēn)析。
圖 12：分(fēn)析標注位
4.1 數字 1 處為什(shén)麼有一個凸起，其主要功能是什(shén)麼？
乍看起來像一個按鍵，其實不是，而是為了(le)固定 FPC 用(yòng)；它出於從整機的(de)角度，SiP 模組要求等考慮，此凸台高(gāo)度為 360um。
但對於一個這樣的(de)小需求，在 SiP 模組的(de)設計和(hé)工藝帶來的(de)難度卻不簡單，SiP 模組 Mold 工序需要考慮模流，需要考慮凸台的(de)脫模的(de)角度，同時還要考慮這個凸台的(de)磨損對整體外觀的(de)影(yǐng)響等等。
※ 據 Apple 產品工程師回饋，蘋果對外觀的(de)卡控非常嚴格，同時外觀不良也(yě)是整體不良率中的(de)非常大(dà)占比）。
4.2 數字 2 處模組表面為什(shén)麼是銀色，而模組的(de)側邊不是銀色？
前面的(de)技術介紹時已提過，這是因為模組採用(yòng)了(le)共形遮罩中的(de) Sputter 工藝，表面的(de)銀色是做(zuò)了(le) EMI Shielding。EMI Shielding 由於採用(yòng)與 Mold 共形的(de)原因，厚度較薄，正面鍍層厚度在 6~8um 之間，側邊的(de)鍍層厚度在 4~6um 之間。幾乎不增加模組的(de)高(gāo)度；這與我們常規的(de)金屬遮罩高(gāo)度相比，可(kě)以明(míng)顯降低整體的(de)高(gāo)度，金屬遮罩蓋 常規值 0.15~0.2mm; 內部安全高(gāo)度 0.2mm，外部安全高(gāo)度 0.2mm；共形遮罩與金屬 LID 相比，高(gāo)度上至少可(kě)以降低 0.5~0.6mm。
這麼精確要求的(de)一個結果就是成本增加了(le)，這也(yě)是為啥【水(shuǐ)果】這麼貴的(de)原因。
那為什(shén)麼銀色區域沒有到邊緣呢(ne)？
常規的(de) EMI Shielding 都是器件切割成 Unit 後，採用(yòng) Carrier 進行 Sputter 工藝，器件的(de)側邊也(yě)可(kě)以濺鍍上一層金屬；Unit 側邊露銅，形成一個完整的(de)蓋子整體；但效率低，同時需要採用(yòng)定制 Carrier，成本也(yě)比較高(gāo)。
Air Pods Pro CFS 工藝為 Panel 狀態時作業，然後進行 Laser Cut，故 EMI Shielding 沒有濺射到側邊。
或許你會問：那信號不是從側邊洩露出去了(le)嗎？
當然不會，基闆設計時，會在基闆的(de)週邊預留一圈銅皮和(hé) GND 的(de)過孔，EMI Shielding 與表面的(de)銅皮相連。當然了(le)，這些，都可(kě)以通(tōng)過電磁模擬進行分(fēn)析和(hé)評估。
Panel level CFS, UPH 較高(gāo)，可(kě)間接降低整個 SIP 組裝的(de)加工成本。
4.3 產品中數字 3 處這個凸起的(de)圓弧形作用(yòng)是什(shén)麼？
前面介紹使用(yòng)基闆 Interposer ，既省掉了(le) B2B 連接器，又實現了(le)高(gāo)密的(de)測試點和(hé)連接焊盤；同時，還解決了(le) Hot bar 對於工藝避讓區域的(de)要求限制。
通(tōng)過可(kě)調節的(de)高(gāo)度（其高(gāo)度可(kě)根據整體結構的(de)要求進行設計，從 0.2~2mm 均可(kě)），有助於後續 FPC 的(de)彎折，固定等等。
4.4 產品中數字 4 處的(de)連接器有什(shén)麼作用(yòng)及特點？
天線射頻連接器底座，其獨立藍牙天線採用(yòng) LDS 技術，放在耳機耳柄上，SiP 模組中隻是放置了(le)一個天線連接器底座，8 層闆，隻禁布了(le)其中的(de) 2 層，背面走線，佈局器件。這與目前很多(duō)公司的(de) TWS 耳機中天線彈片完全不一樣，很多(duō)公司的(de) TWS 耳機不但要求投影(yǐng)區域全禁布，而且有的(de)還不止一個天線彈片，如這樣的(de)限制，則更加難把模組做(zuò)小！
而且，其射頻連結非常簡潔，除了(le)一個 π 形匹配外，沒有其他(tā)的(de) PA、Filter 等器件及其匹配。
圖 13：天線
4.5 這個晶片數字 5 表面處為什(shén)麼會出現一條線？
這顆器件其 Mold 面為一階梯形，上半部分(fēn)比下(xià)半部分(fēn)低 100um(上半部分(fēn)Mold 厚度 250um,下(xià)半部分(fēn) 350um) ; 這 100um 的(de)高(gāo)度差目的(de)是給 FPC 留出空間，用(yòng)於放置下(xià)圖示號 A 的(de) FPC。
前面已提到此 SiP 工藝複雜性：雙面 Mold SiP，其 Full Mold 也(yě)是採用(yòng)特殊定制的(de) Mold 模具，才能生產出階梯型的(de) Mold 面；同樣 250um 的(de) Mold 高(gāo)度，50um 的(de) Gap，階梯形的(de) Mold 區域，對於 Mold 工藝和(hé) Laser Mark 工藝都帶來極大(dà)的(de)挑戰。
圖 14：階梯 Mold
5. 總結
經過上面的(de)分(fēn)析可(kě)以看到，這個做(zuò)工精緻的(de)小型化(huà) Air Pods Pro 採用(yòng)了(le)多(duō)種 SiP 技術。這些會技術涉及到系統方案、設計模擬、工藝測試、材料及供應鏈等。
其中的(de) High Density SMT + MOLD + EMI Shielding；採用(yòng) Bottom 的(de)那顆 Double Side Mold BGA 封裝，則把整個 SiP 模組的(de)尺寸做(zuò)得(de)非常小，因而 SiP 的(de)先進封裝技術在 Air Pods Pro 中起到了(le)關鍵的(de)作用(yòng)。
因此在一個產品進行 SiP 模組設計時應從系統性、可(kě)加工性、電、熱等方面進行綜合的(de)評估，這樣才能使產品更具競爭力。
因而提到 SiP 時就不能簡單地覺得(de) Air Pods Pro 小型化(huà)隻是一個 SiP 技術了(le)。
Apple 提出 Air Pods SiP（包括他(tā)提的(de) Watch SiP），絕不僅僅是針對非摩爾定律的(de) SiP 技術，而是涉及到系統方案、設計模擬、工藝測試、材料及供應鏈等一系列的(de) SiP 相關項。
如果沒有 High Density SMT + MOLD + EMI Shielding；沒有 Bottom 的(de)那顆Double SideMold BGA 封裝，整個 SiP 模組的(de)尺寸也(yě)做(zuò)不到那麼小；整體的(de)產品尺寸要求也(yě)無法實現，SiP 的(de)先進封裝技術在 Air Pods Pro 中起到了(le)很大(dà)的(de)貢獻。
Apple 作為穿戴行業的(de)引領者，一直走在行業的(de)前面，引領了(le)很多(duō)很多(duō)新的(de)技術，同時，也(yě)引入了(le)很多(duō)新的(de)概念和(hé)想法。
產品的(de)開發都要的(de)預研，如 Air Pods Pro 在 2019 年 10 月(yuè) 30 號發佈，據稱其在 2017~2018 年就已經開展了(le)工程技術驗證和(hé)工程樣機的(de)試產。
因而 Apple 工作內部應該早就啟動了(le) Air Pods Pro 2 的(de) SiP 的(de)開發，至於什(shén)麼時候上市發佈，得(de)要看 Apple 的(de)計畫了(le)。
當然了(le)，Apple 有他(tā)獨特的(de)優勢，這可(kě)能是其他(tā)的(de) TWS 耳機廠所無法比擬的(de)。
因而開發一個 SiP 的(de)產品時，能力較強的(de)廠商可(kě)考慮下(xià)面的(de)觀點：
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體量大(dà)，可(kě)以引導晶片開發商單獨定制； |
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單品售價高(gāo)，利潤高(gāo)，敢於嘗試新的(de)技術和(hé)工藝； |
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自己開發核心晶片，可(kě)以根據自己的(de)節奏去開發新的(de)產品； |
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敢於沉澱。技術，是需要積累的(de)。 |
相信，就像 2018 / 2019 年，大(dà)家一窩蜂地模仿 Air Pods 開發軟硬結合闆的(de) TWS 耳機一樣。2020 年，會有很多(duō)很多(duō)公司在開發 SiP 形式的(de) TWS 耳機。
建議各個廠家能更多(duō)地從 System 的(de)角度去思考、去規劃 SiP 產品，而不僅僅隻是從一個 Package 的(de)角度去規劃 SiP 模組。
本文授權轉載出處： Amao_eda365
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