Apple Watch超强拆解：主板结构及内部传感器工艺深度分析

 Apple Watch智能手表是苹果公司冲击可穿戴市场的一记重拳，作为以创新而闻名的尖端科技品牌，Apple的每一款新产品都必定备受瞩目，一经发售，各家分析机构的分析报告便接踵而至。SITRI将从更深层次的工艺分析方面入手，带给大家一个更直观的Apple Watch。

产品外观和拆解照

产品外观

 

 

 

 

产品拆解照

 

 

部件合照

 

 

引领产业的科技

Taptic Engine它是一个线性致动器，用来生成触觉反馈。通俗地说，就是当你收到提醒、通知，或按压显示屏的时候，它会轻点一下你的手腕。与此同时，特别设计的扬声驱动器会释放出细微的音频信号，配合Taptic Engine共同与你的感官互动，带来一种细致而微妙的使用体验。

 

 

Force Touch压感触控是苹果在2015春季发布的全新的触控板技术。通过Force Touch，设备可以感知轻压以及重压的力度，并调出不同的对应功能。Force Touch是自Multi-Touch之后，又一个意义非凡的全新传感功能。

 

 

Apple Watch在心率传感器方面，采用的是光体积描记器，其工作原理是血液反射红光并吸收绿光的特性。Apple Watch使用绿色LED灯，配合对光敏感的感光器，可以检测任意时间点流经手腕的血液流量。心脏跳动时，流经手腕的血液会增加，吸收的绿光也会增加;心跳间隔期，流经手腕的血液会减少，吸收的绿光也会随之减少。Apple Watch内置的两颗绿色LED灯可以每秒闪动数百次，从而计算出每分钟的心跳次数，也就是心率。

通常，Apple Watch先利用红外线每10分钟就测量一次你的心率。不过，如果红外线系统提供的读数不充分时，Apple Watch就会自动切换至绿色LED光模式。此外，为了应对对心率信号进行补偿，避免信号过弱影响读数，苹果表示对心率传感器进行了针对性的设计，比如提高LED亮度和采样率。

 

 

看过Apple Watch的产品外观及拆解照后，SITRI将在这部分主要为大家展示Apple Watch的主板结构以及其中传感器的相关信息。

S1 SiP主板

我们在Apple Watch中首次看到了系统级封装，这种封装真正体现了将整个系统进行封装的精髓。在这块26.15 mm x 28.50 mm的主板上，集成了多达14颗左右核心芯片产品以及上百个电阻电容等元器件，这些元器件都各自有独立的封装，并被紧密有序的排列在主板上，除了惯性组合传感器产品外，其他都被整个封装在一起。主板整体封装的纵向解剖图片显示，整个系统级封装的厚度仅为1.16mm。

 

 

S1 SiP OM Package Thickness Photo

 

 

在整个系统级封装的上面有一层厚度为10.38um的金属铜，并且封装内含有二氧化硅作为填充球。

S1 SiP Package SEM Cross Section Photo

 

 

EDS Analysis for S1 Sip Package

 

 

 

 

 

 

Apple Watch中的传感器

惯性传感器

早前推测的惯性组合传感器为Invensense的产品，最终被证实使用了ST的6轴惯性组合传感器产品。这颗惯性组合传感器位于Apple Watch 主板的左上角，并没有与其他的芯片一起被放入整个系统级封装，这使得我们能够将这颗传感器先于其他芯片取下并进行分析。这颗惯性组合产品使用了3.00 x 3.00 x 0.86 mm的LGA封装，封装正面的标记并不是传统的代表Partnumber等信息，而是由一个二维码以及C504组成。

ST 6-axis IMU Package Photo

 

 

通过x-ray图片我们可以清晰的看到，封装内包含集成在一个芯片的MEMS惯性传感器，并且使用Wire Bonding的方式与ASIC芯片进行键合连接。

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

 

 

这颗6轴惯性组合传感器中的ASIC芯片使用了5层金属布线，其中顶层金属为铝布线，下面4层都为铜布线。数字区域中测量到的最小线宽为121.0nm。

ST 6-axis IMU ASIC Die SEM General Structure

 

 

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

 

 

为了能够看到更多MEMS芯片的信息，我们使用红外显微镜(IR)拍摄了这颗MEMS芯片的平面图片，并且对芯片进行了纵向分析。通过IR图片，我们可以看出，这款惯性组合产品的MEMS芯片将3轴加速度计与3轴陀螺仪集成在同一颗芯片上，这种布局与ST官方发布的iNEMO Inertial Module如出一辙。加之2013年ST新推出Always-On 6轴惯性传感器组合产品系列，并在2014年进行量产，其中具有代表性的是LSM6D系列。据称这个产品系列中高能效MEMS传感器的功耗小于2mA，并且都采用了相对较小的封装，种种迹象都表明这系列的产品非常有可能是为了可穿戴设备推出的。Apple Watch中的这款6轴惯性组合传感器产品，是否出自这个系列的产品呢?

ST 6-axis IMU MEMS IR Die Photo

 

 

通过SEM纵向图片，我们可以观察到惯性传感器芯片的盖子及衬底的厚度，以及可动结构层的主要厚度。ST使用THELMA表面硅工艺制造惯性传感器，并且使用传统的含铅的玻璃熔封将盖子与MEMS的主要芯片进行密封连接。

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麦克风

苹果在iPhone6 Plus中没有使用楼氏电子的麦克风产品，但在Apple Watch中，我们再次发现了楼氏电子的麦克风的身影。产品封装尺寸为2.80 x 1.88 x 0.92 mm，封装的标记由二维码以及0444KMM1组成。

Knowles Microphone Package Photo

 

 

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

 

 

去掉麦克风芯片的金属外壳，可以直接观察麦克风MEMS芯片。

Knowles Microphone Decap SEM Photo

 

 

Knowles Microphone ASIC OM Die Photo

 

 

Knowles Microphone ASIC OM Die Mark

 

 

麦克风中的ASIC芯片厚度为105.00um，使用了3层铝布线制程。

Knowles Microphone ASIC SEM Die Thickness

 

 

Knowles Microphone ASIC SEM General Structure

 

 

Knowles Microphone MEMS OM Die Photo

 

 

Knowles Microphone MEMS OM Die Mark

 

 

我们在查看这颗楼氏电子的麦克风芯片时，发现了一个有趣的现象。一般麦克风芯片的振动薄膜上的声学孔位于中间位置，而这颗芯片的声学孔靠近芯片的边缘位置。

MEMS Die OM Diaphragm Hole Position Photo

 

 

MEMS Die SEM Angled View Photo

 

 

以下两张图片为麦克风芯片的SEM放大倍率细节图，透过上层的背板，我们可以将声学孔的位置和非声学孔的位置进行对比。其中左图白色虚线框内圈出的即振动薄膜上的声学孔位置，右图没有声学孔的地方我们可以看到振动薄膜是连续的。

MEMS Die SEM Angled View Photo

 

 

通过剖面图片，能够更清楚的观察出麦克风MEMS芯片中的背板与振动薄膜的结构。整个麦克风MEMS芯片的厚度为248.20um，其中空腔的深度为242.10um，这意味着在6.10um的距离中包含背板和振动薄膜以及其中的空隙空间。

MEMS Die SEM General Structure Photo

 

 

MEMS Die SEM Cross Section Photo

 

 

环境光传感器

Apple Watch 中使用的环境光传感器是来自于AMS的产品TSL2590，封装尺寸为2.15mmx1.30mmx0.42mm。芯片使用了3层铝布线制程，数字区域测量到的最小线宽为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

 

 

环境光传感器中的光敏器件区域尺寸为0.75mmx0.83mm，其中每个单元的尺寸大约为90umx80um。

Photodiode Area in Ambient Light Sensor OM Photo

 

 

Photodiode Cell in Ambient Light Sensor OM Photo