AirPods Pro究竟为什么那么火？除了它舒适的佩戴体验，个人觉得最大的亮点就是其两项黑科技：
1）主动降噪
2）SiP技术
No.1、 主动降噪
据苹果官方表示，AirPods Pro的外向麦克风可以检测外部声音并分析环境噪声，并以相对应的反向声波来抵消背景噪声。另外，AirPods Pro还拥有面向内部的麦克风，可以检测剩余噪音。据悉，该主动降噪功能每秒可连续调整200次声音信号，有效提升降噪效果。
这次AirPods Pro搭载了三颗麦克风：外向式麦克风（波束成形麦克风），内向式麦克风和通话麦克风（波束成形麦克风）。其不仅可以消除外部的噪声，而且可以抵消耳蜗内的噪声；据业界反馈，其降噪功能非常好，特别是坐飞机的时候。
从技术上看，这不仅与其自身芯片强大的数据处理有关，也与其优越的MIC性能有关。
*据分析其耳机内部用到的MIC全部来自于歌尔股份。而这些正是通过使用SiP（系统级封装）技术来实现。
No.2、 SiP（系统级封装）技术
网上有很多关于AirPods的SiP介绍及学习材料，例如一些SiP工程入门书藉，像是《芯片SiP封装与工程设计》等。在SiP会议上，大咖们似乎都很喜欢从摩尔定律谈起（摩尔定律指：集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍），再从堆叠、埋入、先进封装、扇出，TSV等介绍SiP可以延续此定律。
他们一般会把内容往较高大上的方向讲，极少有深入的设计分析。本文则通过分析AirPods Pro采用的SiP先进封装技术，来实现对此产品的小型化等非常接地气的实用技术分析。
No.3、 AirPods Pro与SiP相关的先进技术
下面将分别分析SiP内部所用的技术及通过什么方法可以使AirPods Pro产品如此精细小。
23.1 AirPods Pro所用的SiP模组技术探讨
3.1.1 TOP面
Top面即Mold面，Mold里面没有WB，没有堆叠，没有埋入，没有TSV，没有3D Fan-out等等，简单来看就是一个高密的SMT+Mold+EMI Shielding结构。
1. SMT：
内部一共包含了80-90个电阻、电容和电感器件，最大尺寸0402（4个），最小01005，没有0603器件，也还没有用到008004器件，但01005的器件间距仅100um（实际测量值，考虑到器件的公差及设备的精度，其设计值可能是80um）；实现了真正的High Density SMT。
2. WLCSP：
内部IC全部为WLCSP器件，最小的Pitch为360um，焊球高150um；其他Pitch均为400um；这个规格，组装能力强一点的封装厂应该都具备此能力。
3. Mold：
SiP采用异形设计，与常规见到的矩形的封装不同，需要采用Selective Molding，单独设计Mold异形模具，一套100多万，而且周期长达3~4个月。
TOP面采用MUF工艺，Under fill也不用了，可以进一步地缩小模组的布局空间；另外，据分析，其Moldingfiller size非常小，只有5~8um；对Mold材料的选择和Mold的设备都有特别的要求。
采用Mold工艺将器件塑封在基板上，既可以提高SMT的可靠性，提升整个模组的硬度，同时也为下一步的EMI Shielding提供支撑面。这也是AirPods SiP与其他PCBA的技术差异。
4. EMI Shielding：
EMI Shielding中常用到共形屏蔽，其实现的方法有多种，如：电镀、溅射、喷涂等等。它作为一种新的电磁屏蔽技术被广泛应用在射频、存储等电子封装上。这种技术就是在封装的表面形成一种薄薄的金属层，以此来屏蔽内部器件，使它们免受外界干扰，同时也屏蔽SiP内器件和电路对外界的干扰。
共形屏蔽有ConformalShielding和CompartmentalShielding两种，网上有很多材料讨论它们的技术优势，这里不再深入。
AirPods pro采用的是Sputter工艺（SUS-Cu-SUS）的ConformalShielding，都是标准的工艺。
5. SiP共形屏蔽的优点：
共形（Conformal）和划区（Compartmental）屏蔽方案应用灵活广泛：
- 最大限度减少封装中的杂散和EMl辐射
- 最大限度减少系统中相邻器件间的干扰
- 器件封装横向和纵向尺寸增加几乎为零
- 节省系统特殊屏蔽罩部件的加工和组装成本
- 节省PCB面积和设备内部空间
3.1.2 BOTTOM面
BOTTOM面，比较简洁，包括一个较大并且做了EMI Shielding的器件、两个SENSOR器件、一个Interposer、射频天线连接器和它对应的π形匹配，还有其他的5个分立的阻容感器件。
1. 上图中数字1和数字2为2颗传感器
一颗语音识别加速感应器，一颗运动加速感应器（ST意法半导体的语音识别加速感应器，帮助上行通话降噪，特别针对风噪和环境噪声。Bosch博世的运动加速感应器，与光学传感器配合，检测用户佩戴状态。）
传感器的内部是两层Substrate加WB+Mold，LGA封装，结构非常简单，一看上图就明白。
2. 数字3处一个基板Interposer
应该是AirPods Pro的一个亮点，用于信号的测试点，和与FPC的连接。
TWS耳机中由于结构及其它的一些设计要求，不可能把所有的器件都放在主板上，如MIC、SPK、位置感应器等必须放在结构配套的位置，这样就需要用到PFC；常见的PFC与主板的连接有：B2BConnector、Hot bar、ACF，还有近几年比较流行的软硬结合板，它们各有自身的优缺点。举例如下：
- B2B Connector
工艺比较简单，很多产品都用这种方式，缺点是PIN数少，面积大。
- 软硬结合板
省掉了连接器，Pin数也不受限制，但成本高。
- Hot bar，ACF
工艺比较好实现，但对Pitch有要求，比如：pitch至少0.8mm；同时良率不是很高；并且由于热压的影响，周边的器件距离Hot bar工艺区域至少1mm的净空，这个对于小型化的穿戴产品是致命的。ACF工艺没那么多要求，但其对于Pitch有一定的要求，良率还不是很高。
- Interposer
而AirPods pro的这个Interposer，采用一个尺寸约为2*7*0.7mm的有机基板转接板，底部采用BGA焊球与大的基板连接；同时将焊接点抬高，从而避开了净空要求。
在Interposer上布置了近50个焊接点和测试点，Pitch：0.425mm，焊接点采用满整列设计，非常密集；既可满足测试的要求，也能满足SMT的要求。Interposer 与周边器件只要满足SMT的工艺要求：100um即可；大大减少了焊接点和测试点的占板面积。
3.数字4处标注的器件
这是AirPods Pro的一颗核心器件，一个Dual Side Mold BGA的SiP器件，猜测是其PMIC和DSP的结合。
这颗SiP器件有较大的难度，Top面是FC+SMT+MOLD+EMI shielding；Bottom面是EpoxyDie Mold+Ball。
结构堆叠方式类似如下示意图：
对应的工艺描述如下：
TOP面内部SMT+FC，难点在于其整体的Mold高度350um，Mold 与Die Top的Gap为50um（现在一般的工艺能力都是100um以上）；TOP面采用了共形屏蔽Conformal Shielding（至于上面为什么有一条分割线，后面再详细介绍），和大SiP一样采用了Sputter工艺，很成熟。
BOTTOM面为Epoxy Die Mold+Ball：首先进行Mold，然后通过镭射将锡球焊盘裸露出来，最后才进行植球；中间的DIE，为先进行整体的Mold，再通过研磨的方式将DIE的表面裸露出来，用于散热。
中间的基板采用Coreless工艺，6层板厚度200um。整个SiP的高度为750um左右，与基板Interposer高度相当。这颗芯片来料就是SiP器件，对上游封装厂（具体厂家不明）的工艺极具挑战。AirPods Pro组装厂家Amkor只需要完成把这颗SiP组装到大的SiP即可。
4. RF连接器
Bottom面还有一个重要的器件---RF连接器；与一般常用的天线弹片设计不一样，AirPods Pro采用了一个SMT的天线连接器，天线设计在耳柄上，通过连接线和连接器与主SiP连接。
天线设计为了保证天线的性能，往往要求天线对应区域保持一定的净空空间。如果天线放在耳蜗内，则天线投影区域及天线弹片对应区域都需要净空，且不是单面这么简单而是双面及所有内层都要求净空；这种对于TWS的设计极具挑战；但Air Pods Pro现在这种设计，对SiP模组影响降到了最低，只需要连接器对应区域下面3层进行净空即可，背面一样可布器件，可走线，大大简化了SiP的设计，间接实现了小型化。
对于天线的匹配：放在SiP Mold区域外面，毕竟Mold材料对RF性能会有影响，且放在里面不可调。
5. 基板
上面介绍了内部器件接下来介绍基板。
它是8层基板，Low CTE材料，常规设计，厚度300um（Core:50um）；LineW/P: 40/40um；Via:80/140um 3+2+3（任意阶）。
3.2 AirPods Pro产品减少尺寸的综合考虑
前面介绍了AirPods Pro SiP内部包含了的元件等，相信读者对内部的器件及结构有了一个较为明确的了解。现在介绍AirPods Pro为什么可以做得很小。自从AirPods Pro爆火之后，很多公司都在提：我们也要用SiP技术，做一款和AirPods Pro一样的小而轻，功能强的TWS耳机。相对于传统的PCB+SMT和软硬结合板都是有机基板加SMT，SiP工艺有它的技术优势。下表对比了PCBA和SiP，可大家以后设计时参考借鉴。
AirPods Pro采用了SiP模组，对于产品的小型化有较大的帮助。
No.4、 AirPods Pro中SiP对系统及工艺的考虑
AirPods Pro产品应用了SiP里面的许多项技术与工艺，经过前面详细技术分析与介绍，对于下面所提的数字1-5标的问题进行技术分析。
4.1 （数字1）处为什么有一个凸起，其主要功能是什么？
乍看起来像一个按键，其实不是，而是为了固定FPC用；它出于从整机的角度、SiP模组要求等考虑，此凸台高度为360um。
但这样的小需求，给SiP模组的设计和工艺带来的难度却不简单。SiP模组Mold工序需要考虑模流，需要考虑凸台脱模的角度，同时还要考虑这个凸台的磨损对整体外观的影响等等。
*据Apple产品工程师反馈，苹果对外观的卡控非常严格，外观不良也在整体不良率中占有非常大的比例）。
4.2 （数字2）处模组表面为什么是银色而模组的侧边不是银色？
前面的技术介绍中已经提到，这是因为模组采用了共形屏蔽中的Sputter工艺，表面的银色是做了EMI Shielding。EMI Shielding由于采用与Mold共形的原因，厚度较薄，正面镀层厚度在6~8um之间，侧边的镀层厚度在4~6um之间，几乎不增加模组的高度。这与我们常规的金属屏蔽高度相比，可以明显降低整体的高度，金属屏蔽盖常规值0.15~0.2mm、内部安全高度0.2mm、外部安全高度0.2mm。共形屏蔽与金属LID相比，高度上至少可以降低0.5~0.6mm。
提出如此精确的要求，其结果就是成本增加，这也是为啥【水果】这么贵的原因。
那为什么银色区域没有到边缘呢？
常规的EMIShielding都是器件切割成Unit后，采用Carrier进行Sputter工艺，器件的侧边也可以溅镀上一层金属；Unit侧边露铜，形成一个完整的盖子整体；但效率低，同时需要采用定制Carrier，成本也比较高。
AirPods Pro的CFS工艺是在为Panel状态时作业，然后进行Laser Cut，故EMI Shielding没有溅射到侧边。
或许你会问：那信号不是从侧边泄露出去了吗？
当然不会。基板设计时，会在基板的外围预留一圈铜皮和GND的过孔，EMI Shielding与表面的铜皮相连。当然，这些都可以通过电磁仿真进行分析和评估。
Panel level CFS的UPH较高，可间接降低整个SIP组装的加工成本。
4.3 （数字2）处模组表面为什么是银色而模组的侧边不是银色的呢？
前面介绍使用基板Interposer，既省掉了B2B连接器，又实现了高密的测试点和连接焊盘；同时，还解决了Hot bar对于工艺避让区域的要求限制。通过可调节的高度（其高度可根据整体结构的要求进行设计，从0.2~2mm均可），有助于后续FPC的弯折，固定等等。
4.4 产品中（数字4）处的连接器有什么作用及特点？
天线射频连接器底座，其独立蓝牙天线采用LDS技术，放在耳机耳柄上，SiP模组中只是放置了一个天线连接器底座，8层板，只禁布了其中的2层，背面走线，布局器件。这与目前很多公司TWS耳机中天线弹片完全不一样。很多公司的TWS耳机不但要求投影区域全禁布，而且有的还不止一个天线弹片，这样的限制下，更加难以把模组做小！
而且，其射频链路非常简洁，除了一个π形匹配外，没有其他的PA、Filter等器件及其匹配。
4.5 这个芯片（数字5）表面为什么会有一条线？
这颗器件的Mold面为一阶梯形，上半部分比下半部分低100um（上半部分Mold厚度250um,下半部分350um）。这100um的高度差是为了给FPC留出空间，用于放置下图标号A的FPC。
前面已提到此SiP工艺复杂性：双面Mold SiP，其Full Mold也是采用特殊定制的Mold模具，才能生产出阶梯型的Mold面；250um的Mold高度、50um的Gap、阶梯形的Mold区域，也对Mold工艺和Laser Mark工艺带来了极大的挑战。
No.5、 总结
经过上面的分析可以看到，这个做工精致的小型化AirPods Pro采用了多种SiP技术。这些技术涉及到系统方案、设计仿真、工艺测试、材料及供应链等。
其中的High Density SMT+MOLD+EMI Shielding，也就是采用Bottom的那颗Double Side Mold BGA封装，则把整个SiP模组的尺寸做得非常小，因而SiP的先进封装技术在AirPods Pro中起到了关键的作用。因此在一个产品进行SiP模块设计时应从系统性、可加工性、电、热等方面进行综合评估，这样才能使产品更具竞争力。所以，在提到SiP时就不能简单地觉得AirPods Pro小型化只是一个SiP技术了。
Apple提出AirPods SiP（包括它提的Watch SiP），绝不仅仅是针对非摩尔定律的SiP技术，而是涉及到系统方案、设计仿真、工艺测试、材料及供应链等一系列SiP相关项。如果没有High Density SMT+MOLD+EMI Shielding，没有Bottom的那颗Double SideMold BGA封装，整个SiP模组的尺寸也做不到那么小，整体的产品尺寸要求也无法实现。先进的SiP封装技术在AirPods Pro中起到了很大的贡献。
Apple作为穿戴行业的引领者，一直走在行业的前面，引领了很多很多新的技术，同时，也引入了很多新的概念和想法。产品的开发都需要预研。AirPods Pro在2019年10月30号发布，据称其在2017~2018年就已经开展了工程技术验证和工程样机的试产。因而Apple内部应该早就启动了AirPods Pro 2的SiP的开发，至于什么时候上市发布，就要看Apple的计划了。
当然了，Apple有他独特的优势，这可能是其他的TWS耳机厂所无法比拟的。因而开发一个SiP的产品时，能力较强的厂商可考虑下面的观点：
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体量大，可以引导芯片开发商单独定制；
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单品售价高，利润高，敢于尝试新的技术和工艺；
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自己开发核心芯片，可以根据自己的节奏去开发新的产品；
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敢于沉淀。技术，是需要积累的。
相信，就像2018/2019年，大家一窝蜂地模仿AirPods开发软硬结合板的TWS耳机一样。2020年，会有很多很多公司在开发SiP形式的TWS耳机。建议各个厂家能更多地从System的角度去思考、去规划SiP产品，而不仅仅只是从一个Package的角度去规划SiP模组。
本文转载自：Amao_eda365
作者：陶源
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