系统级封装芯片以及具有该系统级封装芯片的设备的制作方法

本实用新型涉及微电子领域，尤其涉及一种系统级封装芯片以及具有该系统级封装芯片的设备。

背景技术：

随着物联网对高集成度、超小尺寸以及超低功耗等芯片的不断需求，以及芯片及通讯技术的不断进步，联网设备需要将更多的功能芯片封装在一个系统级封装(SiP)里面，预计在未来5到10年的时间里，80％的物联网智慧家居和可穿戴式设备将会采用SiP模组，因为SiP尺寸更小，具有更好的抗机械和化学腐蚀能力，能够显著缩短产品研制和投放市场的周期，无线射频性能更稳定，可靠性更高等诸多优点。

物联网(Internet of Things)是新一代信息技术的重要组成部分，物联网就是物物相连的互联网。它利用局部网络或互联网等通信技术将传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相连，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。

图1为现有技术中的一种可用于物联网的SiP模块的方块图。如图1所示，该SiP模块包含BB/MAC/PHY处理单元100、射频前端模块102、滤波器110、滤波器112、第一振荡器106、第二振荡器108、以及存贮器104。BB/MAC/PHY处理单元100用于传送或接收并处理信号。射频前端模块102连接于BB/MAC/PHY处理单元100，用于处理射频信号和射频传输的协定。BB/MAC/PHY处理单元100包含连接于射频前端模块102的传送/接收方式选择端口，使BB/MAC/PHY处理单元100能决定处理方式。存贮器104连接于BB/MAC/PHY处理单元100，其中该存贮器可以是非易失性(nonvolatile)存贮器。射频前端模块102包含第一天线端口和第二天线端口，以连接至第一天线和第二天线。因此，BB/MAC/PHY处理单元100包含连接至射频前端102的天线分集选择端口，使BB/MAC/PHY处理单元100可以选择天线分集方式。BB/MAC/PHY处理单元100还包含蓝牙端口，以连接至蓝牙模块。BB/MAC/PHY处理单元100包含区域总线端口以连接至区域总线。在现有技术中，通用输入/输出装置(GPIO)、联合测试行动小组连接器(JTAG connector)、初值化组态、区域总线、压缩闪存存贮器、和保密数字输入输出/通用串列周边接口(SDIO/GSPI)分别连接至BB/MAC/PHY处理单元100的对应的连接端口，以执行其预先设定的功能。

然而，随着物联网对芯片在其各方面性能上的不断需求，图1所示的SiP模块已经越来越难以满足物联网的需求。本领域亟须一种可在性能方面超过图1所示的SiP模块。

技术实现要素：

本实用新型的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种系统级封装芯片。该系统级封装芯片能够感测物体的运动加速度和位移大小，并通过微控制器处理单元实现自动控制洗衣机等设备的高速运动状态，具有轻薄短小、多功能、低功耗的特性。

本实用新型的第二个目的在于提出一种设备。

为达到上述目的，本实用新型第一方面实施例提出的系统级封装芯片，包括：系统总线单元；微控制器处理单元，所述微控制器处理单元与所述系统总线单元连接；无线保真BB/MAC/PHY处理单元，所述无线保真BB/MAC/PHY处理单元与所述微控制器处理单元经由所述系统总线单元相连；用于感测物体的运动加速度和位移大小的微机电系统MEMS加速度传感器单元，所述MEMS加速度传感器单元经由所述系统总线单元联结至所述微控制器处理单元。

本实用新型的系统级封装芯片，通过将无线保真BB/MAC/PHY处理单元、MEMS加速度传感器单元集成封装在一起，并经由系统总线单元将无线保真BB/MAC/PHY处理单元、MEMS加速度传感器单元与微控制器处理单元相连，以实现各自功能，这样，通过该系统级封装芯片能够感测物体的运动加速度和位移大小，并通过微控制器处理单元实现自动控制洗衣机等设备的高速运动状态。另外，该系统级封装芯片具有轻薄短小、多功能、低功耗的特性。

另外，根据本实用新型的系统级封装芯片还具有如下附加技术特征：

所述系统级封装芯片还包括：射频前端模块、模数转换器及数模转换器；其中，所述射频前端模块通过所述模数转换器连接至所述无线保真BB/MAC/PHY处理单元，以接收信号；所述无线保真BB/MAC/PHY处理单元通过所述数模转换器连接至所述射频前端模块，以发送信号。

所述系统级封装芯片还包括：匹配及滤波器；所述匹配及滤波器连接在所述射频前端模块与所述系统级封装芯片外部的天线之间。

所述系统级封装芯片还包括：外围接口；所述外围接口连接至所述系统总线单元。

所述外围接口包含以下一个或多个：通过异步收发传输器UART接口；串行外设接口SPI接口；通用输入/输出GPIO接口；以及两线式串行总线I2C接口。

所述系统级封装芯片还包括：与所述系统总线单元连接的电源管理单元，用于对所述系统级封装芯片内的用电模块进行供电；连接至所述电源管理单元的第一振荡器，用于产生第一振荡频率，以供所述系统级封装芯片内的其他模块在正常操作模式使用；以及连接至所述电源管理单元的第二振荡器，用于产生第二振荡频率，以供所述系统级封装芯片内的其他模块在省电操作模式使用。

所述系统级封装芯片还包括：闪存存取存储器，与所述微控制器处理单元及所述系统总线单元连接；以及随机存取存储器，与所述微控制器处理单元及所述系统总线单元连接。

所述系统级封装芯片还包括：温度传感器，用于将温度量转换为电信号，并经由所述系统总线单元发送至所述微控制器处理单元；以及湿度传感器，用于将湿度量转换为电信号，并经由所述系统总线单元发送至所述微控制器处理单元。

为达到上述目的，本实用新型第二方面实施例提出的设备，包括：本实用新型第一方面实施例所述的系统级封装芯片。

本实用新型的设备，通过系统级封装芯片中的MEMS加速度传感器单元能够感测物体的运动加速度和位移大小，并通过微控制器处理单元即可实现自动控制洗衣机等设备的高速运动状态。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1为现有技术中的一种可用于物联网的SiP模块的方块图；

图2是根据本实用新型一个实施例的系统级封装芯片的结构示意图；

图3是根据本实用新型另一个实施例的系统级封装芯片的结构示意图；

图4是根据本实用新型一个实施例的设备的结构示意图。

附图标记：

100：BB/MAC/PHY处理单元；102：射频前端模块；110、112：滤波器；106：第一振荡器；108：第二振荡器；104：存贮器；20：系统级封装芯片；200：系统总线单元；202：微控制器处理单元；204：无线保真BB/MAC/PHY处理单元；206：MEMS加速度传感器单元；208：外围接口；210：射频前端模块；212：模数转换器；214：数模转换器；216：匹配及滤波器；218：电源管理单元；220：第一振荡器；222：第二振荡器；224：闪存存取存储器；226：随机存取存储器；228：温度传感器；230：湿度传感器；30：设备。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图描述根据本实用新型实施例的系统级封装芯片以及具有该系统级封装芯片的设备。

图2是根据本实用新型一个实施例的系统级封装芯片的结构示意图。如图2所示，该系统级封装芯片20可以包括：系统总线单元200、微控制器处理单元202、无线保真BB/MAC/PHY处理单元204和微机电系统MEMS加速度传感器单元206。

其中，如图2所示，微控制器处理单元202与系统总线单元200连接；无线保真BB/MAC/PHY处理单元204与微控制器处理单元202经由系统总线单元200相连；MEMS加速度传感器单元206经由系统总线单元200联结至微控制器处理单元202。其中，MEMS加速度传感器单元206用于感测物体的运动加速度和位移大小。

需要说明的是，本实用新型的系统级封装芯片具有微控制器处理单元202、无线保真BB/MAC/PHY处理单元204和MEMS加速度传感器单元206，其结合了至少五种性能和功用。在本实用新型中，无线保真BB/MAC/PHY处理单元204、微控制器处理单元202及MEMS加速度传感器单元206，可分别是智慧家居和物联网应用的单一芯片，例如，互补式金属氧化层半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor；简称CMOS)芯片。

在本实用新型中，无线保真(WiFi)基带/媒体存取控制/射频(Base Band/MediaAccess Control/Radio Frequency；简称BB/MAC/PHY)处理单元204可以是2.4/5GHz调频、基频处理器(Baseband Processor)、多媒体协定媒体存取控制(Multi-media Protocol Media Access Control)、或中央处理(Central Processing)单元。无线保真BB/MAC/PHY处理单元204具有高效能、省电、以及适用于智慧家居和物联网应用领域装置等特性，而其中该智慧家居和物联网应用领域装置可以是除湿机、空调、净化器、空调扇、风扇、取暖器、冰箱、波轮洗衣机、滚筒洗衣机、电热水器、电炖锅、电饭煲、手机、移动电话、个人数字助理(PDA)、网络语音传送(VoIP)、MP3/MP4播放器等。

无线保真BB/MAC/PHY处理单元204的发送器(transmitter)结合了同相和正交基频信号，并将信号转换成欲发送的频率。无线保真BB/MAC/PHY处理单元204的接收器(receiver)采用双换频结构且不需芯片外挂中频滤波器。频率合成器支持由802.11规格所定义的频率。无线保真BB/MAC/PHY处理单元204还要支持正交频域多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing；简称OFDM)，而媒体存取控制也支持IEEE 802.11无线媒体存取控制协定和802.11i保密性(security)。微控制器处理单元202通过系统总线单元200与无线保真BB/MAC/PHY处理单元204和MEMS加速度传感器单元206相连。其中，MEMS加速度传感器单元206用以探测周围环境的加速度信号。

进一步地，在本实用新型中，如图2所示，该系统级封装芯片20还可包括：外围接口208。其中，外围接口208连接至系统总线单元200。微控制器处理单元202通过系统总线单元200与外围接口208相连。其中，该外围接口可包括以下一个或多个：通过异步收发传输器UART接口、串行外设接口SPI接口、通用输入/输出GPIO接口、两线式串行总线I2C接口等。此外，微控制器处理单元202还可通过系统总线单元200与其他内部接口相连，其中，该其他内部接口例如为存贮器、通用输入/输出装置等。

在本实用新型中，微控制器处理单元202可采用ARMCortexTM-M4处理器，该处理器内核是在Cortex-M3内核基础上发展起来的，其性能比Cortex-M3提高了20％。新增加了浮点、DSP、并行计算等。用以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场。其高效的信号处理功能与Cortex-M处理器系列的低功耗、低成本和易于使用的优点相结合。

Cortex-M4提供了无可比拟的功能，将32位控制与领先的数字信号处理技术集成来满足需要很高能效级别的市场。Cortex-M4处理器采用一个扩展的单时钟周期乘法累加(MAC)单元、优化的单指令多数据(SIMD)指令、饱和运算指令和一个可选的单精度浮点单元(FPU)。这些功能以表现ARMCortex-M系列处理器特征的创新技术为基础。包括RISC处理器内核，高性能32位CPU、具有确定性的运算、低延迟3阶段管道，可达1.25DMIPS/MHz；Thumb-2指令集，16/32位指令的最佳混合、小于8位设备3倍的代码大小、对性能没有负面影响，提供最佳的代码密度；低功耗模式，集成的睡眠状态支持、多电源域、基于架构的软件控制；嵌套矢量中断控制器(NVIC)，低延迟、低抖动中断响应、不需要汇编编程、以纯C语言编写的中断服务例程，能完成出色的中断处理；工具和RTOS支持，广泛的第三方工具支持、Cortex微控制器软件接口标准(CMSIS)、最大限度地增加软件成果重用；CoreSight调试和跟踪，JTAG或2针串行线调试(SWD)连接、支持多处理器、支持实时跟踪。

此外，该处理器还提供了一个可选的内存保护单元(MPU)，提供低成本的调试/追踪功能和集成的休眠状态，以增加灵活性。嵌入式开发者将得以快速设计并推出令人瞩目的终端产品，具备最多的功能以及最低的功耗和尺寸。

在本实用新型中，MEMS加速度传感器单元206可以是三轴、低g带数字输出的应用于消费类电子的加速度传感器。该加速度传感器可以在三个垂直轴方向测量加速度。内置的ASIC电路把电容变化值转化成加速度值并以数字的方式输出。该加速度传感器的外观尺寸比较小，易于和WiFi SiP集成在一个极小的封装内。其功耗低，性能稳定可以广泛应用于移动设备中。

例如，该加速度传感器的基本结构可以是内置移动质量块、弹簧和固定电极构成的电容。当加速度使质量块产生位移改变时，施加加速度，弹簧产生形变，形变转换成电容变化，通过电容变化，计算出加速度值，加速度的大小与电容的变化成比例关系。检测到的电容信号经过放大、采样和内置ASIC电路标定后，加速度数值写入控制逻辑单元，通过I2C接口可以把数值读出。

举例而言，该加速度传感器的工作电压是1.6V～3.6V,分辨率是12位，工作电流为130uA,待机电流低至0.5uA。测量的范围为±2g，±4g，±8g，±16g。带宽最大为1KHz。Zero g偏移的典型值为±60mg。在2g量程范围，环境温度为25℃时，传感器的灵敏度为0.98mg/bit。TCO值为±1mg/K，TCS值为±0.02％/K。

进一步地，在本实用新型中，如图2所示，该系统级封装芯片20还可包括：射频前端模块210、模数转换器212及数模转换器214。其中，射频前端模块210通过模数转换器212连接至无线保真BB/MAC/PHY处理单元204，以接收信号。无线保真BB/MAC/PHY处理单元204通过数模转换器214连接至射频前端模块210，以发送信号。无线保真BB/MAC/PHY处理单元204包含传送/接收方式选择端口、传送端口、电源控制端口。该传送/接收方式选择端口分别通过数模转换器214/模数转换器212，连接至射频前端模块210的传送/接收端口，使无线保真BB/MAC/PHY处理单元204能够控制射频前端模块210，以处理传送中或接收中的信号。该电源控制端口分别连接于射频前端模块210的电源连接端口，使无线保真BB/MAC/PHY处理单元204能够将信号接收或传送至射频前端模块210。

进一步地，在本实用新型中，如图2所示，该系统级封装芯片20还可包括：匹配及滤波器216。匹配及滤波器216连接在射频前端模块210与系统级封装芯片20外部的天线之间。例如，如图2所示，匹配及滤波器216连接于射频前端模块210的连接端口，其提供了一个路径，以传送/接收信号至天线。因此，无线保真BB/MAC/PHY处理单元204的信号经由数模转换器214、射频前端模块210、匹配及滤波器216和天线发射出去。

进一步地，在本实用新型中，如图2所示，该系统级封装芯片20还可包括：电源管理单元218、第一振荡器220和第二振荡器222。其中，电源管理单元218与系统总线单元200连接，用于对系统级封装芯片20内的用电模块进行供电。第一振荡器220连接至电源管理单元218，可产生第一振荡频率，以供系统级封装芯片20内的其他模块在正常操作模式使用，例如，可将第一振荡频率传送至无线保真BB/MAC/PHY处理单元204和MEMS加速度传感器单元206。其中，该第一振荡频率约为40MHz。

第二振荡器222连接至电源管理单元218，可产生第二振荡频率(例如，约为32KHz)，以供系统级封装芯片20内的其他模块在省电操作模式使用。例如，无线保真BB/MAC/PHY处理单元204和MEMS加速度传感器单元206在一般操作方式时于40MHz工作，在省电方式时则于32kHz工作。

进一步地，在本实用新型中，如图2所示，该系统级封装芯片20还可包括：闪存存取存储器224和随机存取存储器226。其中，如图2所示，闪存存取存储器224分别与微控制器处理单元202和系统总线单元200连接；随机存取存储器226分别与微控制器处理单元202和系统总线单元200连接。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，如图3所示，该系统级封装芯片20还可包括：温度传感器228和湿度传感器230。其中，温度传感器228用于将温度量转换为电信号，并经由系统总线单元200发送至微控制器处理单元202；湿度传感器230用于将湿度量转换为电信号，并经由系统总线单元200发送至微控制器处理单元202。

在本实用新型中，系统总线单元200可连接于无线保真BB/MAC/PHY处理单元204和微控制器处理单元202，因此，能提供高速运转。用户端的系统总线仅靠存贮缓冲器的协助，而不靠任何桥接器和/或IO接口的协助，沿着先进高性能总线连接至用户端的微控制器处理单元，桥接器和/或IO接口通常会降低处理速度。系统总线简化了硬件的设计。便于采用模块化结构设计方法，面向总线的芯片设计只要按照规定制作MCU插件、存储器插件以及I/O插件等，将它们连入总线就可工作，而不必考虑总线的详细操作。系统总线同时简化了系统结构。整个系统结构清晰、连线少，底板连线可以印制化。并且，系统总线使得系统扩充性好：一是规模扩充，规模扩充仅仅需要多插一些同类型的插件；二是功能扩充，功能扩充仅仅需要按照总线标准设计新插件，插件插入机器的位置往往没有严格的限制。系统总线可连接至微控制器存贮总线，或直接连接到微控制器处理单元。系统总线使得系统更新性能好。因为MCU、存储器、I/O接口等都是按总线规定挂到总线上的，因而只要总线设计恰当，可以随时随着处理器的芯片以及其他有关芯片的进展设计新的插件，新的插件插到底板上对系统进行更新，其他插件和底板连线一般不需要改。

本实用新型的系统级封装芯片的尺寸外型，其面积小于或远小于150平方毫米，高度小于或远小于2.0毫米，此高度包含焊垫或焊球(soldering pads or balls)和隔离罩结构或成形材质(shield structure or molding material)的厚度。本实用新型也使用通常具有六或四层(layer)叠层构造(stack-up structure)，或甚至更多层叠层构造的薄印刷电路板作为基板(substrate)，例如，当使用低温共烧结陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic；简称LTCC)作为基板时，使用十二或十层叠层构造的印刷电路板。表面接着零件(Surface Mount Devices；简称SMDs)、覆晶封包零件(Flip Chip Packaged Device)、或其他具有芯片级封装(Chip Scaled Package)的零件以往被镶嵌于基板的上层铜膜(top-side copper)，而这些零件也可依设计镶嵌于下层铜膜(bottom-side copper)或内层铜膜(inner-side copper)。

综上，本实用新型的系统级封装芯片，通过将无线保真BB/MAC/PHY处理单元、MEMS加速度传感器单元集成封装在一起，并经由系统总线单元将无线保真BB/MAC/PHY处理单元、MEMS加速度传感器单元与微控制器处理单元相连，以实现各自功能，这样，通过该系统级封装芯片能够感测物体的运动加速度和位移大小，并通过微控制器处理单元实现自动控制洗衣机等设备的高速运动状态。另外，该系统级封装芯片具有轻薄短小、多功能、低功耗的特性。

为了实现上述实施例，本实用新型还提出了一种设备。

图4是根据本实用新型一个实施例的设备的结构示意图。需要说明的是，该设备可包括可穿戴式设备、家用电器以及智能照明设备等中的一种或多种。

如图4所示，该设备30可以包括：系统级封装芯片20。其中，该系统级封装芯片20的结构描述可参见图2和图3所示的系统级封装芯片的结构描述，在此不再赘述。

本实用新型的设备，通过系统级封装芯片中的MEMS加速度传感器单元能够感测物体的运动加速度和位移大小，并通过微控制器处理单元即可实现自动控制洗衣机等设备的高速运动状态。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。