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系統級SiP芯片,物聯網下一個競爭高地

放大字體  縮小字體 發布日期:2022-08-01     來源:半導體行業觀察     瀏覽次數:4990
       不知不覺中,我們正在經歷著新一輪的工業革命。物聯網時代的到來推動著千行百業朝著數字化、智能化方向發展。隨著智能終端的普及,人們對于消費電子產品的要求也愈發向著體積小、重量輕、功能全以及低功耗方向發展。

       為了能在更小的空間內構建功能更加豐富、針對行業用戶進行深度優化的芯片系統,系統級 IC 封裝(SiP,System in Package)成為了半導體行業內的新趨勢,當前包括奉加微在內的諸多物聯網通信芯片原廠紛紛開始發力,推出功能豐富的SiP芯片產品。

投向物聯網的“重磅炸彈”

       封裝曾經是半導體制造過程中最容易被忽視的一個環節,但隨著摩爾定律逐漸放緩,工程師們開始意識到,封裝的優化和創新對于芯片功能升級的重要性,而SIP封裝就是當下封裝技術中的重要組成部分。

       與從IC設計角度出發的SoC,以及可相互進行模塊化組裝的Chiplet不同,SiP封裝簡單地說就是將兩個或多個不同的芯片整合在單一封裝中。全球半導體封裝大廠安靠對SiP的定義則為:在單個IC封裝中,包含多個芯片或一個芯片,加上被動組件、電容、電阻、連接器、天線等任一組件以上之封裝,即視為SiP。

       與其他封裝類型相比,SiP技術優勢十分明顯,比如可以集成不同的有源或無源元件,形成功能完整的系統或者子系統;通過增加芯片之間連接的直徑和縮短信號傳輸的距離,提升性能并降低功耗;應用廣泛,主要應用于消費性、通訊產品,如手機、平板等,以及5G、物聯網、自駕車、智能城市、遠距醫療等應用相關電子裝置及組件…等。

SiP封裝的優勢

圖源:天風證券

       在諸多應用中,物聯網可以說是SiP 的一大推動力。以物聯網可穿戴設備來說,Yole Development數據顯示,SiP市場規模預計從2020年的140億美元增長到2026年的190億美元,可穿戴設備SiP市場在2020年的業務價值為1.84億美元,僅占整個消費電子市場SiP的1.55%,預計到2026年將達到3.98億美元,增長率達14%。

       穩坐全球可穿戴設備數量首位的蘋果就是堅定看好SiP應用的公司,也可以說是將SiP帶“火”的公司。早在2015年第一代AppleWatch中,蘋果就開始采用了SiP工藝,將CPU、存儲、WiFi、觸控、音頻等30多個獨立組件,20多個芯片,8000多個元器件都集成在1mm厚度的狹小空間內。

       在2020年推出的AirPods Pro中,蘋果更是首次為其TWS耳機選擇了類似的解決方案——兩種不同的SiP封裝,一種用于藍牙連接,一種用于音頻編解碼器。甚至有媒體爆料,蘋果AirPods Pro 2也將基于全新SiP封裝系統芯片的超強算力支持,以及蘋果優異的降噪算法,將為用戶提供更為舒適的降噪效果。

       從某種意義上說,類似于智能手表、TWS耳機等物聯網可穿戴設備已經成為SiP封裝方案的典型案例。作為社會的發展趨勢,萬物智聯意味著未來將有更龐雜的終端體系、更多元化的應用場景以及更多樣化的交互方式,未來終端電子需要整合的功能將越來越多,如何在體積、功耗等條件限制下實現多功能集成也將成為AIoT行業繞不開的痛點。

       在此背景下,SiP技術成為了助推新時代到來的希望,但這并不意味著研發一款SiP就很容易。SiP封裝的研發是一個系統性的工程,不僅包含電性能、熱性能、機械性能、可靠性等設計,還有材料、工藝的選擇,更需要對周期、成本、供應鏈、風險進行精確的控制,這些都對芯片企業提出了極高的要求。

       奉加微作為一家致力于研發世界一流的低功耗射頻芯片技術與自主知識產權的通信協議棧的芯片原廠,已取得芯片SiP方案階段性成果,目前其PHY62系列中已有6227和6229兩款芯片使用了SiP封裝,可以為AIoT提供靈活、安全、多功能、高性價比的低功耗無線通信芯片和方案。

       在奉加微看來,SiP方案不僅可以大幅縮減方案的封裝體積,實現超小型設備的智能化,還能夠通過集成針對各行業應用的各種不同的傳感器、存儲器和驅動電路,實現多功能集成,提高方案的性能、可靠性和多樣化。更重要的是,SiP方案還能有效降低成本,推動智能設備的普及和大規模商用;并且支持客戶的深度化定制方案,提高封裝效率,縮短產品上市周期。

SiP方案
圖源:奉加微

       SiP芯片,物聯網應用全面開花

       對于物聯網產業鏈而言,SiP集成方案在成為物聯網下游終端客戶明智之選的同時,自然也成為了物聯網上游通信芯片原廠的發力重點。

       奉加微PHY6227、PHY6229兩款芯片就是在其低功耗核心產品PHY6226的基礎上,通過SiP技術,分別合封了G-sensor、Sensor Hub以適配各類低功耗高精度傳感器的采樣需求。PHY6226是奉加微于2022年推出新一代藍牙芯片產品,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頻收發機,接收靈敏度達到-99dBm@BLE 1Mbps。

       去年7月,奉加微高性能ZigBee 3.0協議棧獲得了連接標準聯盟 (CSA, 前身ZigBee Alliance)的平臺認證,奉加微也因此成為第二家獲得CSA Zigbee認證的大陸企業,這意味著奉加微PHY6227、PHY6229芯片皆能夠實現基于ZigBee 3.0協議的各項功能。

       更重要的是,在合封了不同傳感器之后,PHY6227、PHY6229可以在PHY6226原有優勢的基礎上,結合傳感器的優勢,分別應對不同的場景和方案。

       PHY6227

       奉加微電子、阿里云IoT事業部、矽?萍悸摵涎兄频腜HY6227作為一款支持BLE 5.2功能的物聯網通信芯片,集成ARM Cortex-MO 32位處理器、128KB-8MB閃存、96KB ROM、256位efuse,具備超低功耗、高性能、多模式無線電等多種功能,還可以通過安全性、應用程序和無線下載更新來支持BLE,其串行外設IO和集成應用IP更是能夠盡可能降低客戶產品的制造成本。

       這款芯片的獨特之處在于,其具有低噪聲、高精度、低功耗和失調調整的三軸加速度計。在G-Sensor的加持下,PHY6227憑借高集成度的性能已經成功應用于健康穿戴和智慧農業等領域的超輕量級的生物信息監控裝置上。

       當前,智慧牧場已經成為主流發展趨勢,國內大部分規模牧場已經步入數據化、智能化階段,而數據獲取的第一步,就是諸如牛項圈、雞腳環、豬耳標等養殖檢測設備。從這個角度來看,PHY6227的SIP方案有著極大的優勢。

       一方面,對于農畜牧業養殖設備來說,最重要也是最主要的需求就是設備的超輕量級和超小尺寸,否則就會影響牧畜的正常養殖,更嚴重者,甚至會影響生命健康,而奉加微PHY6227由于采用了SIP方案,有效減少體積和重量。

       另一方面,智慧牧場的本質就在于通過數據統計,掌握飼喂情況,幫助牧場提升管理效益。以牛項圈為例,其主要作用就是用于檢測奶牛的活動,計算奶牛運動步數,通過計步器,判定奶牛們的活動軌跡,然后再根據活動軌跡,判斷哪頭奶牛處于“亢奮狀態”,從而進行人工授精。PHY6227合封的G-Sensor就可以在此過程中充分發揮其性能,在主控芯片BLE的驅動下,G-Sensor能夠監測牧畜運動量等相關信息并上報云端,實現智能化管理,不僅可以提高牧場管理效率,還能提高動物健康水平。

智慧牧場
圖源:矽?萍

       當然,除了生物信息監控裝置,健康穿戴也是PHY6227的運用領域之一。

       隨著智能手表、TWS耳機等產品普及度的加深,健康穿戴設備對小型化的要求越來越高,不同工藝的外設、主控、存儲和電源進行SiP深度整合,為該需求提供了最優的解決方案。PHY6227采用針對低功耗需求的SoC架構定義,以及超低功耗射頻收發機和通信基帶,可以實現最低的峰值、平均和休眠功耗,進而保證智能戒指超長時間待機。

       總而言之,奉加微PHY6227芯片集成了超輕量級、超小尺寸、高性價比、低功耗、易上手推廣等多個優點,可以滿足物聯網連接設備的諸多要求。

       PHY6229

       作為奉加微另一款采用SIP方案的芯片,針對物聯網傳感器的多樣性需求,PHY6229提供了低功耗、高精度的Sensor Hub,且Sensor Hub與主控芯片之間可實現相互獨立工作,形成雙核協調工作,可適配各類家居、工業等無線傳感器的應用場景。

       眾所周知,當前聲、光、電、熱、力、位置等傳感器是物聯網SiP實現智能化的主要需求,在高精度低功耗Sensor Hub的助力下,目前PHY6229已經成功運用于交直流計量、健康監測、工業控制等領域。

       以家庭健康監測場景為例,集成PHY6229的手指夾式血氧儀支持脈動式血氧測量的LED傳輸和接收路徑,基于智能保留算法和數據校準方案,保證高效率和高精確度的臨床測量,可通過BLE連接到智能手機等設備,將信息傳輸至云端,實現健康數據監控。工業級場景應用下,以PHY6229作為主控芯片的無線溫度監控設備具有體積小、功耗低、測溫精準、性價比高等優勢,通過大面積無線組網實現區塊范圍內所有設備的操控,即時上傳數據實現高溫告警,實現智能化管理。

       寫在最后

       當前,中國作為全球最大的物聯網市場,IDC最新預測數據顯示,中國物聯網企業級市場規模將在2026年達到2,940億美元,復合增長率(CAGR)13.2%。

中國物聯網市場支出預測
圖源:IDC中國

       隨著物聯網的快速興起,毫無疑問系統級SiP芯片也將迎來快速發展機遇。奉加微作為一家成熟的物聯網通信領域的芯片原廠,根據客戶需求提供高質量的深度定制方案,伴隨未來芯片性能更強、體積更小的需求,持續深耕SiP封裝集成方案,為未來千億級物聯網市場發力蓄能。 
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