2.3　iPhone手机集成电路

集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件，在智能手机中的地位非常重要。集成电路是把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。

2.3.1　集成电路及其封装

1．集成电路简介

顾名思义，集成电路就是把电路集成在一起，这样既缩小了体积，又方便了电路和产品的设计，一般在智能电路中用字母IC、N、U等表示。

集成电路并不能把所有的电子元器件都集成在里面，对于大于1000pF的电容、阻值较大的电阻、电感，不容易进行集成，所以集成电路的外部会接有很多的元器件。

集成电路具有体积小、重量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备，如收录机、电视机、计算机等方面得到了广泛的应用，同时在军事、通信、遥控等方面也得到广泛的应用。

用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也会大大提高。集成电路在手机中的应用更是广泛，随着手机功能的增加和体积的缩小，手机芯片的集成度也越来越高。超大规模集成电路的应用为手机增添了更多功能。

2．手机集成电路的封装

iPhone手机中使用的集成电路多种多样，外形和封装也有多种样式，快速有效地识别手机的集成电路封装和区分引脚是初学者学习的难点，下面分别进行介绍。

（1）SOP封装

SOP（Small Outline Package）封装又称小外形封装，是一种比较常见的封装形式，这种封装的集成电路引脚均分布在两边，其引脚数目多在28个以下。例如早期手机用的电子开关、电源电路、功放电路等都采用这种封装。

SOP封装集成电路如图2-64所示。

SOP封装集成电路引脚的区分方法是，在集成电路的表面都会有一个圆点，靠近圆点最近的引脚就是1脚，然后按照逆时针循环依次是2脚、3脚、4脚等。

（2）QFP封装

QFP（Quad Flat Package）为四侧引脚扁平封装，又称为方形扁平封装，是表面贴装型封装之一，引脚从4个侧面引出，呈海鸥翼（L）型。基材有陶瓷、金属和塑料3种。从数量上看，塑料QFP是最普及的多引脚大规模集成电路封装。

QFP封装的集成电路四周都有引脚，而且引脚数目较多，手机中的中频电路、DSP电路、音频电路、电源电路等都采用QFP封装。

QFP封装的集成电路如图2-65所示。

QFP封装集成电路引脚的区分方法是在集成电路的表面都会有一个圆点，如果在4个角上都有圆点，就以最小的一个为准（或者将集成电路摆正，一般左下角的为1脚）。靠近圆点最近的引脚就是1脚，然后按照逆时针循环依次是2脚、3脚、4脚等。

（3）QFN封装

QFN（Quad Flat No-Lead Package，方形扁平无引脚封装）是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密封材料的新兴的表面贴装芯片封装技术，现在多称为LCC。由于无引脚，因此贴装占有面积比QFP小，高度比QFP低。但是，当印刷基板与封装之间产生应力时，在电极接触处就不能得到缓解。因此电极触点难以做到QFP的引脚那样多，一般引脚在14～100个。

QFN封装材料有陶瓷和塑料两种。当有LCC标记时，基本上都是陶瓷QFN。电极触点中心距为1.27mm。塑料QFN是以玻璃环氧树脂印刷基板基材的一种低成本封装，电极触点中心距除1.27mm外，还有0.65mm和0.5mm两种，这种封装也称为塑料LCC、PCLC、PLCC等。

iPhone手机中的电源管理芯片和射频芯片多采用QFN封装，QFN封装的集成电路如图2-66所示。

QFN封装集成电路引脚的区分方法是在集成电路的表面都会有一个圆点，如果在4个角上都有圆点，就以最小的一个为准（或者将集成电路摆正，一般左下角的为1脚）。靠近圆点最近的引脚就是1脚，然后按照逆时针循环依次是2脚、3脚、4脚等。

（4）BGA封装

BGA是英文Ball Grid Array Package的缩写，即球栅阵列封装。1993年，摩托罗拉率先将BGA应用于移动电话。iPhone手机中的CPU、存储器、DSP电路、音频电路都是BGA封装的集成电路，另外在BGA封装的基础上还延伸出了其他封装形式。

iPhone手机中BGA封装集成电路引脚的区分方法如下：

1）将BGA芯片平放在桌面上，先找出BGA芯片的定位点，在BGA芯片的一角一般会有一个圆点，或者在BGA内侧焊点面会有一个角与其他三个角不同，这个就是BGA的定位点。

2）以定位点为基准点，从左到右的引脚按数字1、2、3……排列，从上到下按A、B、C、D……排行，例如A1引脚指以定位点从左到右第A行，从上到下第一列的交叉点；B6引脚指从上往下第B行，从左到右第6列的交叉点。

BGA封装集成电路引脚区分方法如图2-67所示。

如图2-68所示是常见的BGA封装芯片的外形。

（5）CSP封装

CSP（Chip Scale Package）封装是芯片级封装的意思。这种封装形式是由日本三菱公司在1994年提出来的，是世界上最先进的封装形式。

对于CSP有多种定义，日本电子工业协会把CSP定义为芯片面积与封装体面积之比大于80%的封装；美国国防部元器件供应中心的J-STK-012标准把CSP定义为LSI（大规模集成电路）封装产品的面积小于或等于LSI芯片面积的120%的封装；松下电子工业公司将其定义为LSI封装产品的边长与封装芯片边长的差小于1mm的产品等。这些定义虽然有些差别，但都指出了CSP产品的主要特点：封装体尺寸小。如图2-69所示是手机采用CSP封装的集成电路。

CSP封装技术和引脚的方式没有直接关系，在定义中主要指内核芯片面积和封装面积的比例。

由CSP封装延伸出来还有UCSP封装和WLCSP封装，UCSP封装和WLCSP封装在iPhone手机中应用较多。

（6）LGA封装

在iPhone系列手机中，有不少芯片采用LGA封装，LGA全称是Land Grid Array，直译过来就是栅格阵列封装，主要在于它用金属触点式封装，LGA封装的芯片与主板的连接是通过弹性触点接触，而不是像BGA一样通过锡珠进行连接，BGA中的B（Ball）——锡珠、芯片与主板电路间就是靠锡珠接触的，这就是BGA封装和LGA封装的区别。

在计算机的CPU中，有不少采用LGA封装的芯片，其实在iPhone手机中，LGA封装的芯片仍然通过锡珠和主板进行连接。

如图2-70所示是手机采用LGA封装的集成电路。

（7）WLCSP封装

晶圆片级芯片规模封装（Wafer Level Chip Scale Packaging, WLCSP），即晶圆级芯片封装方式，不同于传统的芯片封装方式（先切割再封测，而封装后至少增加原芯片20%的体积），这种最新技术是先在整片晶圆上进行封装和测试，然后才切割成一个个的IC颗粒，因此封装后的体积就等同于IC裸晶的原尺寸。

WLCSP的封装方式不仅明显地缩小内存模块尺寸，而且符合行动装置对于机体空间的高密度需求；在效能的表现上，更提升了数据传输的速度与稳定性。

在iPhone手机中，WLCSP封装是使用较多的一种。

2.3.2　手机中的集成电路

在iPhone手机中，集成电路的发展主要有几个方向，一是向高度集成化方向发展，随着智能手机的轻薄、多功能，集成电路外围的元件也越来越少；二是向5G方向发展，国内已经开始建设5G实验网，将来几乎所有的智能手机都支持5G功能；三是主频越来越高，智能手机运行主频已达到2GHz以上，使用的是4核甚至是8核的处理器。

1．射频处理器

（1）射频处理器简介

在iPhone手机中，射频处理器主要完成了除射频前端以外的所有信号的处理，包括射频接收信号的解调、射频发射信号的调制、VCO电路等，外围除了少数的阻容元件外，很少有其他元件。

（2）射频处理器外形及电路结构

1）射频处理器外形

iPhone手机的射频处理器的封装主要还是以BGA封装居多，在iPhone手机中，英飞凌、高通公司的射频处理器占主流。

以英飞凌公司的射频处理器为例，如图2-71所示。

2）射频处理器电路结构

在iPhone手机中，射频处理器的接收部分完成了射频信号滤波、信号放大、混频，然后输出接收基带信号，射频处理器的发射部分完成了射频信号的发射转化，振荡调制输出射频发射信号。

iPhone手机的射频处理器大部分采用零中频接收技术。零中频接收技术，即RF信号不需要变换到中频，而是一次直接变换到模拟基带I/Q信号，再进行解调。

零中频接收技术是现在比较流行的技术，在大部分智能手机的射频信号处理中都采用了该技术，如图2-72所示。

2．功率放大器

（1）功率放大器简介

iPhone手机中的功率放大器都是高频宽带功率放大器，主要用于放大高频信号并获得足够大的输出功率，功率放大器是手机中耗电量最大的器件。

一个完整的功率放大器主要包括驱动放大、功率放大、功率检测及控制、电源电路等几个部分。在iPhone手机中，一般使用功率放大器组件把这些部分全部集成在一起。

（2）功率放大器外形及电路结构

在iPhone手机中，功率放大器的封装很少有BGA封装，多采用QFN和LGA的封装方式，这两种封装有利于功率放大器工作时的散热。

功率放大器的外形既有长条形的，也有正方形的，一般长条形居多。外形类似于字库，但又有区别。功率放大器外形如图2-73所示。

功率放大器内部集成了滤波器、放大器、匹配电路、功率检测、偏压控制等电路，大部分iPhone手机的功率放大器都是四频甚至多频段功放，很少有单频功放，如图2-74所示。

3．基带处理器

（1）基带处理器简介

iPhone手机里一般分两个系统，一个是应用处理器，运行操作系统和应用，应用处理器通常会使用功能比较强大的CPU；另一个是MODEM（调制解调器），一般是CPU（中央处理器）+DSP（数字信号处理器），CPU运行协议栈和控制逻辑，DSP进行数字信号处理，这个数字信号处理应该包括编解码、交织／解交织、扩频／解扩等。而调制解调通常要和无线发射机联系起来考虑，如果是直接变频或者零中频的收发机，那么调制解调应该是MODEM、CPU、DSP和无线收发机共同完成的。

（2）基带处理器外形及电路结构

在iPhone手机中，基带处理器主要采用BGA封装、双芯片叠层封装等，在手机中个头最大的集成块就是基带处理器或应用处理器。常见的基带处理器外形如图2-75所示。

基带处理器内部集成了MCU（微处理器单元）和DSP功能，基带处理器电路结构如图2-76所示。

4．应用处理器

随着智能手机的发展，其应用功能不断推陈出新，这对手机处理器的要求越来越高。现在市场上智能手机的应用处理器主频已经达到了2GHz以上，然而人们对智能手机应用功能翻新速度的要求要远远快于手机应用处理器的发展速度，这就势必引起智能手机处理器架构的革新，传统的架构已经渐渐地失去它的优势。

（1）应用处理器简介

在iPhone手机中，应用处理器完成了除信号处理部分之外的所有的功能处理，它是伴随智能手机应运而生的，应用处理器是在低功耗CPU的基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模集成电路。应用处理器是智能手机的灵魂和核心。

（2）应用处理器外形及电路结构

在iPhone手机中，最新的处理器是A10处理器，应用处理器外形如图2-77所示。

5．存储器

（1）存储器简介

iPhone手机属于移动手持通信的前沿产品，对于要处理多种复杂功能的手机来说，处理能力、灵活性、速度、存储器密度和带宽都很重要。所以在iPhone手机中采用的都是低功耗、高品质、高可靠性的存储器。

功能丰富的iPhone手机对存储器需求很大，因为它们提供了更高级的功能，包括互联网浏览、收发更先进的文本消息、玩游戏、下载和播放音乐以及用相对较低的成本实现数字摄像应用。高端功能手机除了支持游戏、多媒体消息、MP3下载、收发静态图像和VGA彩色显示等功能外，额外增加了视频和音频流，特别是网络站点浏览和移动商务。这些种类各异的功能对存储器的要求更严格。

（2）存储器外形及电路结构

在iPhone手机中，存储器主要采用BGA封装、双芯片叠层封装等，iPhone手机的存储器主要是长方形，基带处理器和应用处理器旁边都有存储器。存储器外形如图2-78所示。

存储器内主要存储智能手机的系统程序、用户程序、用户数据等，主要通过PCIE总线与应用处理器进行通信，如图2-79所示。

6．音频处理集成电路

（1）音频处理集成电路简介

近年来，iPhone手机集成的功能越来越多，但在基本的音频放大应用方面，在继续优化性能表现及用户音频体验方面仍有继续提升的空间。原因是智能手机存在着特殊的音频要求，例如iPhone手机存在基带／应用处理器、调频（FM）广播、蓝牙（耳机）等多种音频输入源；编解码器（CODEC）可以集成在模拟基带中，也可以独立存在；多数情况下最少是扬声器放大器保持单独存在（不集成），从而提供足够的输出功率；耳机放大器外置，配合高保真（Hi-Fi）音乐播放。

（2）音频处理集成电路外形及电路结构

在iPhone手机中，音频处理电路由单个集成电路或多个集成电路完成，常见音频处理集成电路的外形如图2-80所示。

常见iPhone手机电路结构如图2-81所示。