[原创] 系统级SiP芯片，物联网下一个竞争高地

2022-07-29 14:00:02 来源: 半导体行业观察

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不知不觉中,我们正在经历着新一轮的工业革命。物联网时代的到来推动着千行百业朝着数字化、智能化方向发展。随着智能终端的普及，人们对于消费电子产品的要求也愈发向着体积小、重量轻、功能全以及低功耗方向发展。

为了能在更小的空间内构建功能更加丰富、针对行业用户进行深度优化的芯片系统，系统级 IC 封装(SiP，System in Package)成为了半导体行业内的新趋势，当前包括奉加微在内的诸多物联网通信芯片原厂纷纷开始发力，推出功能丰富的SiP芯片产品。

投向物联网的“重磅炸弹”

封装曾经是半导体制造过程中最容易被忽视的一个环节，但随着摩尔定律逐渐放缓，工程师们开始意识到，封装的优化和创新对于芯片功能升级的重要性，而SIP封装就是当下封装技术中的重要组成部分。

与从IC设计角度出发的SoC，以及可相互进行模块化组装的Chiplet不同，SiP封装简单地说就是将两个或多个不同的芯片整合在单一封装中。全球半导体封装大厂安靠对SiP的定义则为：在单个IC封装中，包含多个芯片或一个芯片，加上被动组件、电容、电阻、连接器、天线等任一组件以上之封装，即视为SiP。

与其他封装类型相比，SiP技术优势十分明显，比如可以集成不同的有源或无源元件，形成功能完整的系统或者子系统；通过增加芯片之间连接的直径和缩短信号传输的距离，提升性能并降低功耗；应用广泛，主要应用于消费性、通讯产品，如手机、平板等，以及5G、物联网、自驾车、智能城市、远距医疗等应用相关电子装置及组件…等。

图源：天风证券

在诸多应用中，物联网可以说是SiP 的一大推动力。以物联网可穿戴设备来说，Yole Development数据显示，SiP市场规模预计从2020年的140亿美元增长到2026年的190亿美元，可穿戴设备SiP市场在2020年的业务价值为1.84亿美元，仅占整个消费电子市场SiP的1.55%，预计到2026年将达到3.98亿美元，增长率达14%。

稳坐全球可穿戴设备数量首位的苹果就是坚定看好SiP应用的公司，也可以说是将SiP带“火”的公司。早在2015年第一代AppleWatch中，苹果就开始采用了SiP工艺，将CPU、存储、WiFi、触控、音频等30多个独立组件，20多个芯片，8000多个元器件都集成在1mm厚度的狭小空间内。

在2020年推出的AirPods Pro中，苹果更是首次为其TWS耳机选择了类似的解决方案——两种不同的SiP封装，一种用于蓝牙连接，一种用于音频编解码器。甚至有媒体爆料，苹果AirPods Pro 2也将基于全新SiP封装系统芯片的超强算力支持，以及苹果优异的降噪算法，将为用户提供更为舒适的降噪效果。

从某种意义上说，类似于智能手表、TWS耳机等物联网可穿戴设备已经成为SiP封装方案的典型案例。作为社会的发展趋势，万物智联意味着未来将有更庞杂的终端体系、更多元化的应用场景以及更多样化的交互方式,未来终端电子需要整合的功能将越来越多，如何在体积、功耗等条件限制下实现多功能集成也将成为AIoT行业绕不开的痛点。

在此背景下，SiP技术成为了助推新时代到来的希望，但这并不意味着研发一款SiP就很容易。SiP封装的研发是一个系统性的工程，不仅包含电性能、热性能、机械性能、可靠性等设计，还有材料、工艺的选择，更需要对周期、成本、供应链、风险进行精确的控制，这些都对芯片企业提出了极高的要求。

奉加微作为一家致力于研发世界一流的低功耗射频芯片技术与自主知识产权的通信协议栈的芯片原厂，已取得芯片SiP方案阶段性成果，目前其PHY62系列中已有6227和6229两款芯片使用了SiP封装,可以为AIoT提供灵活、安全、多功能、高性价比的低功耗无线通信芯片和方案。

在奉加微看来，SiP方案不仅可以大幅缩减方案的封装体积，实现超小型设备的智能化，还能够通过集成针对各行业应用的各种不同的传感器、存储器和驱动电路，实现多功能集成，提高方案的性能、可靠性和多样化。更重要的是，SiP方案还能有效降低成本，推动智能设备的普及和大规模商用；并且支持客户的深度化定制方案，提高封装效率，缩短产品上市周期。

图源：奉加微

SiP芯片，物联网应用全面开花

对于物联网产业链而言，SiP集成方案在成为物联网下游终端客户明智之选的同时，自然也成为了物联网上游通信芯片原厂的发力重点。

奉加微PHY6227、PHY6229两款芯片就是在其低功耗核心产品PHY6226的基础上，通过SiP技术，分别合封了G-sensor、Sensor Hub以适配各类低功耗高精度传感器的采样需求。PHY6226是奉加微于2022年推出新一代蓝牙芯片产品，支持BLE 5.2和Zigbee多通信模式共存，集成了超低功耗的高性能多模射频收发机，接收灵敏度达到-99dBm@BLE 1Mbps。

去年7月，奉加微高性能ZigBee 3.0协议栈获得了连接标准联盟 (CSA, 前身ZigBee Alliance)的平台认证，奉加微也因此成为第二家获得CSA Zigbee认证的大陆企业，这意味着奉加微PHY6227、PHY6229芯片皆能够实现基于ZigBee 3.0协议的各项功能。

更重要的是，在合封了不同传感器之后，PHY6227、PHY6229可以在PHY6226原有优势的基础上，结合传感器的优势，分别应对不同的场景和方案。

▪️ PHY6227

奉加微电子、阿里云IoT事业部、矽睿科技联合研制的PHY6227作为一款支持BLE 5.2功能的物联网通信芯片，集成ARM Cortex-MO 32位处理器、128KB-8MB闪存、96KB ROM、256位efuse，具备超低功耗、高性能、多模式无线电等多种功能，还可以通过安全性、应用程序和无线下载更新来支持BLE，其串行外设IO和集成应用IP更是能够尽可能降低客户产品的制造成本。

这款芯片的独特之处在于，其具有低噪声、高精度、低功耗和失调调整的三轴加速度计。在G-Sensor的加持下，PHY6227凭借高集成度的性能已经成功应用于健康穿戴和智慧农业等领域的超轻量级的生物信息监控装置上。

当前，智慧牧场已经成为主流发展趋势，国内大部分规模牧场已经步入数据化、智能化阶段，而数据获取的第一步，就是诸如牛项圈、鸡脚环、猪耳标等养殖检测设备。从这个角度来看，PHY6227的SIP方案有着极大的优势。

一方面，对于农畜牧业养殖设备来说，最重要也是最主要的需求就是设备的超轻量级和超小尺寸，否则就会影响牧畜的正常养殖，更严重者，甚至会影响生命健康，而奉加微PHY6227由于采用了SIP方案，有效减少体积和重量。

另一方面，智慧牧场的本质就在于通过数据统计，掌握饲喂情况，帮助牧场提升管理效益。以牛项圈为例，其主要作用就是用于检测奶牛的活动，计算奶牛运动步数，通过计步器，判定奶牛们的活动轨迹，然后再根据活动轨迹，判断哪头奶牛处于“亢奋状态”，从而进行人工授精。PHY6227合封的G-Sensor就可以在此过程中充分发挥其性能，在主控芯片BLE的驱动下，G-Sensor能够监测牧畜运动量等相关信息并上报云端，实现智能化管理，不仅可以提高牧场管理效率，还能提高动物健康水平。

图源：矽睿科技

当然，除了生物信息监控装置，健康穿戴也是PHY6227的运用领域之一。

随着智能手表、TWS耳机等产品普及度的加深，健康穿戴设备对小型化的要求越来越高，不同工艺的外设、主控、存储和电源进行SiP深度整合，为该需求提供了最优的解决方案。PHY6227采用针对低功耗需求的SoC架构定义，以及超低功耗射频收发机和通信基带，可以实现最低的峰值、平均和休眠功耗，进而保证智能戒指超长时间待机。

总而言之，奉加微PHY6227芯片集成了超轻量级、超小尺寸、高性价比、低功耗、易上手推广等多个优点，可以满足物联网连接设备的诸多要求。

▪️ PHY6229

作为奉加微另一款采用SIP方案的芯片，针对物联网传感器的多样性需求，PHY6229提供了低功耗、高精度的Sensor Hub，且Sensor Hub与主控芯片之间可实现相互独立工作，形成双核协调工作，可适配各类家居、工业等无线传感器的应用场景。

众所周知，当前声、光、电、热、力、位置等传感器是物联网SiP实现智能化的主要需求，在高精度低功耗Sensor Hub的助力下，目前PHY6229已经成功运用于交直流计量、健康监测、工业控制等领域。

以家庭健康监测场景为例，集成PHY6229的手指夹式血氧仪支持脉动式血氧测量的LED传输和接收路径，基于智能保留算法和数据校准方案，保证高效率和高精确度的临床测量，可通过BLE连接到智能手机等设备，将信息传输至云端，实现健康数据监控。工业级场景应用下，以PHY6229作为主控芯片的无线温度监控设备具有体积小、功耗低、测温精准、性价比高等优势，通过大面积无线组网实现区块范围内所有设备的操控，即时上传数据实现高温告警，实现智能化管理。

写在最后

当前，中国作为全球最大的物联网市场，IDC最新预测数据显示，中国物联网企业级市场规模将在2026年达到2,940亿美元，复合增长率（CAGR）13.2%。