Apple Watch超強(qiáng)拆解：主板結(jié)構(gòu)及內(nèi)部傳感器工藝深度分析

Apple Watch智能手表是蘋(píng)果公司沖擊可穿戴市場(chǎng)的一記重拳，作為以創(chuàng)新而聞名的尖端科技品牌，Apple的每一款新產(chǎn)品都必定備受矚目，一經(jīng)發(fā)售，各家分析機(jī)構(gòu)的分析報(bào)告便接踵而至。SITRI將從更深層次的工藝分析方面入手，帶給大家一個(gè)更直觀的Apple Watch。

產(chǎn)品外觀和拆解照

產(chǎn)品外觀

產(chǎn)品拆解照

部件合照

引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的科技

Taptic Engine它是一個(gè)線(xiàn)性致動(dòng)器，用來(lái)生成觸覺(jué)反饋。通俗地說(shuō)，就是當(dāng)你收到提醒、通知，或按壓顯示屏的時(shí)候，它會(huì)輕點(diǎn)一下你的手腕。與此同時(shí)，特別設(shè)計(jì)的揚(yáng)聲驅(qū)動(dòng)器會(huì)釋放出細(xì)微的音頻信號(hào)，配合Taptic Engine共同與你的感官互動(dòng)，帶來(lái)一種細(xì)致而微妙的使用體驗(yàn)。

Force Touch壓感觸控是蘋(píng)果在2015春季發(fā)布的全新的觸控板技術(shù)。通過(guò)Force Touch，設(shè)備可以感知輕壓以及重壓的力度，并調(diào)出不同的對(duì)應(yīng)功能。Force Touch是自Multi-Touch之后，又一個(gè)意義非凡的全新傳感功能。

Apple Watch在心率傳感器方面，采用的是光體積描記器，其工作原理是血液反射紅光并吸收綠光的特性。Apple Watch使用綠色LED燈，配合對(duì)光敏感的感光器，可以檢測(cè)任意時(shí)間點(diǎn)流經(jīng)手腕的血液流量。心臟跳動(dòng)時(shí)，流經(jīng)手腕的血液會(huì)增加，吸收的綠光也會(huì)增加;心跳間隔期，流經(jīng)手腕的血液會(huì)減少，吸收的綠光也會(huì)隨之減少。Apple Watch內(nèi)置的兩顆綠色LED燈可以每秒閃動(dòng)數(shù)百次，從而計(jì)算出每分鐘的心跳次數(shù)，也就是心率。

通常，Apple Watch先利用紅外線(xiàn)每10分鐘就測(cè)量一次你的心率。不過(guò)，如果紅外線(xiàn)系統(tǒng)提供的讀數(shù)不充分時(shí)，Apple Watch就會(huì)自動(dòng)切換至綠色LED光模式。此外，為了應(yīng)對(duì)對(duì)心率信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，避免信號(hào)過(guò)弱影響讀數(shù)，蘋(píng)果表示對(duì)心率傳感器進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，比如提高LED亮度和采樣率。

看過(guò)Apple Watch的產(chǎn)品外觀及拆解照后，SITRI將在這部分主要為大家展示Apple Watch的主板結(jié)構(gòu)以及其中傳感器的相關(guān)信息。

S1 SiP主板

我們?cè)贏pple Watch中首次看到了系統(tǒng)級(jí)封裝，這種封裝真正體現(xiàn)了將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行封裝的精髓。在這塊26.15 mm x 28.50 mm的主板上，集成了多達(dá)14顆左右核心芯片產(chǎn)品以及上百個(gè)電阻電容等元器件，這些元器件都各自有獨(dú)立的封裝，并被緊密有序的排列在主板上，除了慣性組合傳感器產(chǎn)品外，其他都被整個(gè)封裝在一起。主板整體封裝的縱向解剖圖片顯示，整個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝的厚度僅為1.16mm。

S1 SiP OM Package Thickness Photo

在整個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝的上面有一層厚度為10.38um的金屬銅，并且封裝內(nèi)含有二氧化硅作為填充球。

S1 SiP Package SEM Cross Section Photo

EDS Analysis for S1 Sip Package

Apple Watch中的傳感器

慣性傳感器

早前推測(cè)的慣性組合傳感器為Invensense的產(chǎn)品，最終被證實(shí)使用了ST的6軸慣性組合傳感器產(chǎn)品。這顆慣性組合傳感器位于Apple Watch 主板的左上角，并沒(méi)有與其他的芯片一起被放入整個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝，這使得我們能夠?qū)⑦@顆傳感器先于其他芯片取下并進(jìn)行分析。這顆慣性組合產(chǎn)品使用了3.00 x 3.00 x 0.86 mm的LGA封裝，封裝正面的標(biāo)記并不是傳統(tǒng)的代表Partnumber等信息，而是由一個(gè)二維碼以及C504組成。

ST 6-axis IMU Package Photo

通過(guò)x-ray圖片我們可以清晰的看到，封裝內(nèi)包含集成在一個(gè)芯片的MEMS慣性傳感器，并且使用Wire Bonding的方式與ASIC芯片進(jìn)行鍵合連接。

ST 6-axis IMU Package X-ray Top View and Side View Photo

ST 6-axis IMU ASIC OM Die Photo

ST 6-axis IMU ASIC OM Die Mark

這顆6軸慣性組合傳感器中的ASIC芯片使用了5層金屬布線(xiàn)，其中頂層金屬為鋁布線(xiàn)，下面4層都為銅布線(xiàn)。數(shù)字區(qū)域中測(cè)量到的最小線(xiàn)寬為121.0nm。

ST 6-axis IMU ASIC Die SEM General Structure

ST 6-axis IMU ASIC Die SEM Poly Gate in Logic Area

為了能夠看到更多MEMS芯片的信息，我們使用紅外顯微鏡(IR)拍攝了這顆MEMS芯片的平面圖片，并且對(duì)芯片進(jìn)行了縱向分析。通過(guò)IR圖片，我們可以看出，這款慣性組合產(chǎn)品的MEMS芯片將3軸加速度計(jì)與3軸陀螺儀集成在同一顆芯片上，這種布局與ST官方發(fā)布的iNEMO Inertial Module如出一轍。加之2013年ST新推出Always-On 6軸慣性傳感器組合產(chǎn)品系列，并在2014年進(jìn)行量產(chǎn)，其中具有代表性的是LSM6D系列。據(jù)稱(chēng)這個(gè)產(chǎn)品系列中高能效MEMS傳感器的功耗小于2mA，并且都采用了相對(duì)較小的封裝，種種跡象都表明這系列的產(chǎn)品非常有可能是為了可穿戴設(shè)備推出的。Apple Watch中的這款6軸慣性組合傳感器產(chǎn)品，是否出自這個(gè)系列的產(chǎn)品呢?

ST 6-axis IMU MEMS IR Die Photo

通過(guò)SEM縱向圖片，我們可以觀察到慣性傳感器芯片的蓋子及襯底的厚度，以及可動(dòng)結(jié)構(gòu)層的主要厚度。ST使用THELMA表面硅工藝制造慣性傳感器，并且使用傳統(tǒng)的含鉛的玻璃熔封將蓋子與MEMS的主要芯片進(jìn)行密封連接。

ST 6-axis IMU MEMS SEM General Structure

Accelerometer MEMS SEM General Structure

Accelerometer SEM MEMS Structure Cross Section

Gyroscope MEMS SEM General Structure

Gyroscope SEM MEMS Structure Cross Section

EDS Analysis for Glass Frit Seal in IMU MEMS

MEMS麥克風(fēng)

蘋(píng)果在iPhone6 Plus中沒(méi)有使用樓氏電子的麥克風(fēng)產(chǎn)品，但在Apple Watch中，我們?cè)俅伟l(fā)現(xiàn)了樓氏電子的麥克風(fēng)的身影。產(chǎn)品封裝尺寸為2.80 x 1.88 x 0.92 mm，封裝的標(biāo)記由二維碼以及0444KMM1組成。

Knowles Microphone Package Photo

Knowles Microphone Package X-ray Top View and Side View Photo

去掉麥克風(fēng)芯片的金屬外殼，可以直接觀察麥克風(fēng)MEMS芯片。

Knowles Microphone Decap SEM Photo

Knowles Microphone ASIC OM Die Photo

Knowles Microphone ASIC OM Die Mark

麥克風(fēng)中的ASIC芯片厚度為105.00um，使用了3層鋁布線(xiàn)制程。

Knowles Microphone ASIC SEM Die Thickness

Knowles Microphone ASIC SEM General Structure

Knowles Microphone MEMS OM Die Photo

Knowles Microphone MEMS OM Die Mark

我們?cè)诓榭催@顆樓氏電子的麥克風(fēng)芯片時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象。一般麥克風(fēng)芯片的振動(dòng)薄膜上的聲學(xué)孔位于中間位置，而這顆芯片的聲學(xué)孔靠近芯片的邊緣位置。

MEMS Die OM Diaphragm Hole Position Photo

MEMS Die SEM Angled View Photo

以下兩張圖片為麥克風(fēng)芯片的SEM放大倍率細(xì)節(jié)圖，透過(guò)上層的背板，我們可以將聲學(xué)孔的位置和非聲學(xué)孔的位置進(jìn)行對(duì)比。其中左圖白色虛線(xiàn)框內(nèi)圈出的即振動(dòng)薄膜上的聲學(xué)孔位置，右圖沒(méi)有聲學(xué)孔的地方我們可以看到振動(dòng)薄膜是連續(xù)的。

MEMS Die SEM Angled View Photo

通過(guò)剖面圖片，能夠更清楚的觀察出麥克風(fēng)MEMS芯片中的背板與振動(dòng)薄膜的結(jié)構(gòu)。整個(gè)麥克風(fēng)MEMS芯片的厚度為248.20um，其中空腔的深度為242.10um，這意味著在6.10um的距離中包含背板和振動(dòng)薄膜以及其中的空隙空間。

MEMS Die SEM General Structure Photo

MEMS Die SEM Cross Section Photo

環(huán)境光傳感器

Apple Watch 中使用的環(huán)境光傳感器是來(lái)自于AMS的產(chǎn)品TSL2590，封裝尺寸為2.15mmx1.30mmx0.42mm。芯片使用了3層鋁布線(xiàn)制程，數(shù)字區(qū)域測(cè)量到的最小線(xiàn)寬為0.35um。

Ambient Light Sensor Package Photo

Ambient Light Sensor OM Die Photo

Ambient Light Sensor OM Die Mark

Ambient Light Sensor SEM General Structure

Ambient Light Sensor SEM Poly Gate in Logic Area

環(huán)境光傳感器中的光敏器件區(qū)域尺寸為0.75mmx0.83mm，其中每個(gè)單元的尺寸大約為90umx80um。

Photodiode Area in Ambient Light Sensor OM Photo

Photodiode Cell in Ambient Light Sensor OM Photo