CN214477444U - 一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于SIP封装的NB‑IoT通信模组，集成有：多个裸芯片堆叠的多核NB‑IoT芯片及其外围器件，并且模组内的各个元器件系统级封装于基板上。本实用新型提出的通信模组所占用的PCB空间不到市场主流NB‑IoT模组尺寸的30％，可有效缩小相应的终端产品的尺寸，从而降低产品的生产成本，提高产品的市场竞争力；并且，模组的厚度降低为传统模组的一半甚至更薄，其毫克级别的重量充分解决了部分应用领域的瓶颈，拓宽了市场应用领域，尤其适用资产定位追踪、烟感报警、可穿戴设备等领域；并且模组的外设接口满足了部分小型化产品的开发需求，直接基于模组中内置的处理器进行应用开发，将应用产品的设计做到真正极简化。

Description

一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组

技术领域

本实用新型涉及无线通信领域，特别是涉及一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组。

背景技术

随着物联网市场的不断发展壮大，NB-IoT作为一种授权频段物联网技术，具备低带宽、低功耗、远距离、海量连接等优势，聚焦于低功耗广覆盖物联网市场，已经广泛深入到工业、生活、商业等各个领域。传统的NB-IoT模组都是以PCBA(Printed Circuit BoardAssembly) 的形式出现的，所有器件采用封装完整的工艺方式，将NB-IoT芯片及其大量的外围器件设计并贴装在PCB上，并且采用马口铁或洋白铜材质设计成型的屏蔽方式。这种传统的模式带来的结果就是模组尺寸、厚度及重量过大：模组尺寸大，在产品设计中占用较大的面积，无法做到设计面积小型化；模组的厚度和重量大，在一些微型应用场景如穿戴设备和追踪定位上，造成产品普遍厚重，无法满足市场对其轻量化和小型化的需求。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型提供一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组，通过系统级封装实现NB-IoT模组的轻量化和小型化，提高其在不同应用场所的适用性。

为实现上述目的及其它相关目的，本实用新型提供一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组，集成有：多个裸芯片堆叠的多核NB-IoT芯片及其外围器件；并且，模组内的各个元器件系统级封装于基板上。

在本实用新型较佳的实施方式中，所述外围器件包括：去耦电容、功率电感和匹配电路中的任一种或多种的组合。

在本实用新型较佳的实施方式中，所述模组设有外设接口；其包括：通信接口、SIM卡接口、复位接口、功能接口GPIO、模拟/数字转换接口、电源接口和天线收发接口中的任一种或多种的组合。

在本实用新型较佳的实施方式中，所述功能接口GPIO配置为串行总线接口(I2C)、串行外设通信接口(SPI)和脉冲宽度调制接口(PWM)中的任一种或多种的组合。

在本实用新型较佳的实施方式中，所述模组表层覆有屏蔽层。

在本实用新型较佳的实施方式中，所述屏蔽层包括共形屏蔽层。

在本实用新型较佳的实施方式中，所述模组设有电源输入端和电源输出端中的任一种或两者的组合。

在本实用新型较佳的实施方式中，所述模组包括嵌入式无源器件。

在本实用新型较佳的实施方式中，所述模组的芯片与芯片之间、芯片与基板之间通过晶片黏结薄膜粘接。

在本实用新型较佳的实施方式中，所述模组包括模塑料外壳。

如上所述，本实用新型涉及的一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组，具有以下有益效果：通过将多个裸芯片堆叠以减小模组的面积，并将各元器件一同采用系统级封装(SIP，System In a Package)技术封装于基板上，获得的通信模组所占用的PCB空间不到市场主流NB-IoT 模组尺寸的30％，可有效缩小相应的终端产品的尺寸，从而降低产品的生产成本，提高产品的市场竞争力；并且，模组的厚度降低为传统模组的一半甚至更薄，其毫克级别的重量充分解决了部分应用领域的瓶颈，拓宽了市场应用领域，尤其适用资产定位追踪、烟感报警、可穿戴设备等领域；并且模组的外设接口满足了部分小型化产品的开发需求，可省去一颗微控制器，直接基于模组中内置的处理器进行应用开发，将应用产品的设计做到真正极简化；因此本实用新型具有极高的社会价值和经济价值。

附图说明

图1显示为本实用新型一实施例的一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组的结构示意图。

图2显示为本实用新型一实施例的一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组的内部俯视图。

图3显示为本实用新型一实施例的一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组的内部侧视图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其它优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的的情况下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本实用新型的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本实用新型。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

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”、“固持”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，或一体式连接；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。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。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其它特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

本实用新型提供一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组，实现NB-IoT模组的轻量化和小型化。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型一实施例提供一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组的结构示意图，模组内集成有：多个裸芯片堆叠的多核NB-IoT芯片11及其外围器件12，并且模组内的各个元器件系统级封装于基板13上。图2为所述通信模组的内部结构俯视图，图3为图2对应的侧视图。所述模组可具体描述如下：

所述多核NB-IoT芯片11采用了高度集成化设计的方案，由多个不同的裸die(裸芯片) 通过先进的堆叠工艺实现面积的小型化。其中，裸芯片的堆叠方式包括硅穿孔(TSV，Through Silicon Via)、混合键合(Hybrid Bonding)、逻辑晶圆3D堆叠等等。可选的堆叠方式有：金字塔式堆叠、悬臂式堆叠、并排堆叠等多种方式。多核NB-IoT芯片11由不同裸芯片堆叠并电气连接后实现多种功能，具体可包括功能单元如应用单元层111(AP，Application)、无线通信单元层112(Communication Subsystem)、安全协议单元层113(Security Subsystem)、外设接口控制单元114(Peripherals)、电源管理单元115(PMU，Power Management Unit) 等等。其中，应用单元层又包括处理器及存储器，具体的，可选用Cortex-M3处理器及相应的RAM、Flash存储器。本实施例中由多个裸芯片堆叠的多核NB-IoT芯片将各个功能单元堆叠集成，大大缩小了封装后模组的尺寸面积，实现了模组的小型化，尤其适用于本实用新型，并且缩短了模组运行时的电流传输路径、降低了产品功耗。

需说明的是，图2中的多核NB-IoT芯片11在模组内部以并排的两组裸芯片组的方式呈现，图3示例性表明每组裸芯片组又由多个裸芯片上下堆叠，但图2和图3仅为示例性说明，并不限制本实用新型中裸芯片的堆叠方式及数量。并且各个裸芯片堆叠组合形成一颗完整的 NB-IoT芯片。所述多核对应NB-IoT芯片的多个功能单元，如安全协议单元层113(Security Subsystem)为NB-IoT芯片中的一个核。还需说明的是，本实用新型的多核NB-IoT芯片11 各个所述功能单元的实现均基于现有的软件或程序，本实用新型本身并不涉及任何软件技术的更新。

外围器件12与多核NB-IoT芯片11电气连接，用于辅助多核NB-IoT芯片11实现其通信功能。具体的，外围器件12可选的有去耦电容、功率电感、匹配电路等。其中，所述去耦电容、功率电感、匹配电路等均为轻量型器件，满足本实用新型轻量化、小型化的需求。在一些示例中，功率电感、去耦电容、匹配电路等通过锡膏贴焊于基板13上，并通过锡膏贴焊的方式与所述基板及其它元器件电气连接。具体的，去耦电容装设在元件的电源端，增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，降低元件耦合到电源端的噪声。功率电感在电路中主要起滤波和振荡作用，可选的有绕线型、叠层型、编织型和薄膜片式电感器等多种类型。匹配电路用于实现信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，即实现输出阻抗与负载阻抗的匹配，从而实现模组通信信号的无反射传输，达到最大功率化利用。

在本实施例较佳的实施方式中，所述模组还包括系统时钟电路14(ClockGeneration)。具体的，系统时钟电路由无源晶振(xtal1，xtal2)、晶振控制芯片及电容共同组成，无源晶振具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，可通过基准频率来控制电路中的频率准确性，从而支持模组工作电路的时钟稳定。

在本实施例较佳的实施方式中，所述模组设有外设接口，包括但不限于通信接口(MAIN UART\DBG UART)、SIM卡接口(USIM)、复位接口(RESET)、功能接口GPIO、模拟 /数字转换接口(ADC)、电源接口、天线收发接口(RFIO，Radio Frequency In/Out)等等。优选的，模组所提供的GPIO接口具备复用功能，可根据实际需要将此定义为I2C(串行总线接口)、SPI(串行外设通信接口)、PWM(脉冲宽度调制接口)等功能，满足了部分小型化产品的直接开发需求。

在本实施例较佳的实施方式中，所提出的模组表层覆盖有屏蔽层，以避免被外界电磁波干扰，同时避免自身辐射出电磁波干扰外界设备，以及对人体的辐射危害。可选的屏蔽层有金属屏蔽层，如铍铜、不锈钢等；或可选填充类屏蔽层，不导电的基材中添加有一定比例的导电填料，如导电橡胶、导电泡棉等；或可选导电涂料如银、包银铜、铜、镍等，通过粘合剂如环氧树脂、聚氨酯等涂覆于模组表层。

在本实施例较佳的实施方式中，所述屏蔽层选用共形屏蔽层，将屏蔽层和封装完全融合在一起，模组封装选用的模塑料自身就带有屏蔽功能，不再需要额外设置屏蔽罩，进一步减小了模组的封装尺寸和重量，尤其适用于本实用新型提出的基于SIP封装的NB-IoT通信模组。

在本实施例较佳的实施方式中，模组设有电源输入端和电源输出端中的任一种或两者的组合。其中，外部供电电源(VBAT)通过所述电源输入端给模组供电，模组通过所述电源输出端向外供电。在一些示例中，模组的输入电压的范围是2.2-4.5V，同时，模组可对外提供一个驱动能力不低于100mA的输出电压VDD_IO。

在本实施例较佳的实施方式中，所述模组还集成有电源管理单元115(PMU，PowerManagement Unit)。所述电源管理单元在模组中担负着对电能的变换、分配、检测及其它电能管理的职责，可以将电源有效分配给模组的不同元器件，有利于降低模组能耗，并调节模组的电源输出端的输出电压。

在本实施例较佳的实施方式中，所述模组包括嵌入式无源器件，如嵌入式电阻、嵌入式电感、嵌入式电容等等，从而实现模组的高密度和小型化。此外，嵌入式无源器件可以缩短元件之间的走线，提高电气性能，从而提高SIP封装的可靠性，节约生产成本。

在本实施例较佳的实施方式中，所述模组的芯片与芯片之间、芯片与基板之间通过晶片黏结薄膜(DAF，Die Attach Film)粘接。晶片黏结薄膜具备优良的导热性、黏着性以及优异的裁切性能，与晶片一起切割与分离后不会因切割而造成散乱排列，尤其适用于本实用新型系统级封装后多模组之间的切割分离，保证了模组成品结构的稳定性，也有利于芯片之间及芯片与基板之间的散热。

在本实施例较佳的实施方式中，所述模组包括模塑料外壳15。模塑料外壳模具有良好的几何尺寸稳定性、耐极端高热高湿复杂环境、耐化学品腐蚀以及高机械强度，以模塑料作为外壳的所述模组可适用于各样的外界环境，并且不易损坏，提高了本实用新型的适用范围和使用安全性。

在一些示例中，所述模组的获取方式如下：所述无源晶振、功率电感、去耦电容和匹配电路等器件通过锡膏贴焊于设计加工好的基板上；多核NB-IoT芯片11的裸芯片从切割好的晶圆(wafer)上抓取下来，贴在基板的DA(贴Die)区域；采用DAF把芯片和芯片粘接起来，同时利用DAF把芯片和基板粘接起来；通过金线键合的方式，完成芯片与芯片之间、芯片与基板之间的电气连接；已经完成键合的产品放置于塑封模具的腔体内，通过加热模塑料，使模塑料处于熔融状态，在压力的作用下，熔融的模塑料充满整个模具腔体，冷却固化后形成模塑包封；实施打印标识等必要信息、喷涂屏蔽膜，最后切割成单个的SIP产品，即本实用新型提出的基于SIP封装的NB-IoT通信模组。

在一些示例中，所述模组为栅格阵列封装形式(LGA，Land Grid Array)的NB-IoT模组。其引脚数量为28Pin，成品尺寸为8.0X8.0X1.11(mm)，引脚规格为0.55X0.3mm，引脚间距为 0.8mm，中间为一块5.6X5.6mm的接地焊盘。

综上所述，本实用新型提出的一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组，通过裸芯片的堆叠以及各元器件的系统级封装，大大降低了NB-IoT通信模组的尺寸及重量，从而有效缩小了相应衍生产品的体积和重量，扩展了NB-IoT的应用领域，如可应用于穿戴设备、感应装置 (如烟感报警器)、定位装置(如资产定位追踪)等；并且模组所提供的GPIO接口具备复用功能，可根据实际需要直接基于模组中内置的处理器进行应用开发，满足了部分小型化产品的直接开发需求；模组的共形屏蔽层进一步减小了模组的封装尺寸和重量。因此，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，集成有：

多个裸芯片堆叠的多核NB-IoT芯片及其外围器件；

并且，模组内的各个元器件系统级封装于基板上。

2.根据权利要求1所述的基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，所述外围器件包括：去耦电容、功率电感和匹配电路中的任一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，所述模组设有外设接口；其包括：通信接口、SIM卡接口、复位接口、功能接口GPIO、模拟/数字转换接口、电源接口和天线收发接口中的任一种或多种的组合。

4.根据权利要求3所述的基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，所述功能接口GPIO配置为串行总线接口、串行外设通信接口和脉冲宽度调制接口中的任一种或多种的组合。

5.根据权利要求1所述的基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，所述模组表层覆有屏蔽层。

6.根据权利要求5所述的基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，所述屏蔽层包括共形屏蔽层。

7.根据权利要求1所述的基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，所述模组设有电源输入端和电源输出端中的任一种或两者的组合。

8.根据权利要求1所述的基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，所述模组包括嵌入式无源器件。

9.根据权利要求1所述的基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，所述模组的芯片与芯片之间、芯片与基板之间通过晶片黏结薄膜粘接。

10.根据权利要求1所述的基于SIP封装的NB-IoT通信模组，其特征在于，所述模组包括模塑料外壳。

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