市场对于行动装置在无线通讯和行动上网等应用需求越来越高，对于整合多样无线通讯功能的模组设计也越来越重视。在行动装置讲究轻薄短小的设计趋势下，无线通讯模组设计风潮持续稳扎稳打，如何继续顺应符合市场潮流，更成为系统厂商、模组制程封装业者和半导体设计大厂不约而同关注的焦点。

行动元件模组化设计应用广泛

环隆电气工程总处资深处长王垂堂博士表示，模组化设计应用在手机领域经常出现，其方法也相当多元，从LCD、摄影镜头、处理器／基频／数位讯号处理、内建记忆体、记忆卡、收发器和功率放大器、嵌入式天线以及各项无线通讯应用模组等。但射频RF模组所牵涉技术问题较复杂，因此模组化设计脚步不若其他元件来得快。而RF SiP模组的市场驱动力在于整合更多元化功能、降低功耗提升电池效能、装置尺寸轻薄短小、价格合理、效能提升等要求。

从全球技术发展趋势来看，SiP可广泛应用在医疗、航太、汽车电子、消费电子、电脑和通讯领域，套用市调机构TechSearch总裁E. Jan Vardaman的说法：「SiP虽然是个旧技术，但未来发展前景不可限量」！

《图一　行动装置高整合度无线模组应用趋势示意图 》 资料来源：环隆电气（USI）

SiP模组化设计方向与市场趋势互为表里

海华科技无线通讯研发处经理廖志豪博士则表示，无线通讯模组已成为各类行动装置基本且重要的元件，一方面要能满足行动装置差异化多样性的设计需求，一方面要提供支援各类无线联网多功能应用，包括社群网路、浏览网页、导航定位和LBS（Location-based Service）等，同时并兼顾行动装置轻薄短小的尺寸规格需求。此外，无线通讯模组不仅要顺应技术应用设计要求，并且也要掌握缩短上市时程。反过来看，行动装置市场快速变迁的发展趋势，亦进一步带动无线通讯模组化的设计内容，无线通讯模组化设计也才能满足行动装置市场的需求。因此，无线通讯晶片系统封装（Wireless SiP）会在这股趋势下备受瞩目，自然有大环境因素推动使然。

变化多端的SiP定义其实是常态

工研院电光所构装组组长骆韦仲博士进一步表示，晶片系统封装SiP的定义相当多元，不同技术材质也各拥有一片天，例如NXP对于SiP的定义就以晶圆级3D SiP技术平台为核心，以晶片制程内嵌电容元件。广义的SiP应包含各不同象限应用领域的SiP架构，其中主要包括WLCSP、3D堆叠、LTCC、MCM、Embedded Passives等模组化技术和基板（substrate）材质。

《图二环隆电气工程总处资深处长王垂堂博士表示，业者必须深知自己在SiP供应链的价值为何，并在供应链内与客户维持健全的合作关系，取得有力的供应位置，才能获得有利的价值》

海华科技研发处经理廖志豪则认为，在架构上和内容上，SiP可说是模组化的晶片（Module IC）；晶片在基板多层系统整合的架构设计，以及SiP包含那些主被动元件的规划，都是让SiP呈现百花齐放样貌的主要原因。环隆电气资深处长王垂堂则指出，无线通讯模组功能会因为市场需求而不断改变，因此SiP模组化设计便需要顺势调整，在IC设计、封装还是基板材质等，经常多变且多元化的SiP模组化架构其实是常态。

《图三　各种​​SiP封装解决方案示意图 》 资料来源：环隆电气（USI）

无线通讯SiP模组设计封装考量重点

SiP需具备各领域整合能力

骆韦仲则说明指出，SiP基板技术应用涵盖设计、制造和材料三大层面，复杂程度不可谓不低。廖志豪也认为，业者若要投入SiP模组化设计，需具备结合从设计到量产的先进封装技术、以及拥有单一封装的制程能力、并且掌握能够符合行动装置需求的解决方案。业者需具备IC设计、先进模组化制程、软硬体系统整合、与量测厂商合作测试这四大整合能力，才能有效产出无线通讯模组化产品。

Module IC设计流程

廖志豪进一步深入说明指出，模组化晶片（Module IC）的设计流程大概包括以下几项：

• ●产品定义：透过市场分析与掌握市场趋势配合公司发展策略定义模组化产品；





• ●选择方案：经由IC规格、设计方案、物料成本、市占率预估、以及IC供应商合作关系等层面的整体规划后，选择最具市场竞争力的Module IC方案；





• ●定义规格：定义模组面积尺寸、介面、脚位、输出／入电压、整合元件数、基板材质等；





• ●电路设计（Schematic Design）：这里包括元件选择、de-cap设计、电源拓墣设计、评估板EVB设计、除错选项设计、RF并存设计等。值得注意的是，此时EVT流程要同时进行；





• ●绘图设计（Layout Design）：这包括需考量和模拟PI/SI、散热模拟和规划、讯号耦合（signal coupling）和讯号干扰、评估板EVB规划、pin脚位置等；此时DVT流程应同时进行。

《图四　Module IC设计流程示意图 》 资料来源：海华科技（AzureWave）

从定义规格到绘图设计是需要不断反覆的过程。当最后绘图设计完成后，便可进入模组化设计的EVT、DVT、PVT和MP等标准流程。需要注意的是，模组化晶片在高整合度和微型尺寸之间并不容易兼得，因此不是要增加模组尺寸，就是要增加基板层数或是减少整合元件数，而脚位和设计弹性之间也往往需要权衡利弊。因此SiP模组化晶片设计流程需要与IC供应商维持紧密的合作关系以确保晶片效能。

《图五海华科技无线通讯研发处经理廖志豪博士表示，在架构上和内容上，SiP可说是模组化的晶片（Module IC），业者需具备IC设计、先进模组化制程、软硬体系统整合、与量测厂商合作测试这四大整合能力》

产品设计架构考量重点

因此从先进模组设计相关参数架构的角度来看，王垂堂博士进一步强调，价格、效能和尺寸是无线通讯SiP产品首要考量重点，在经过产品规格定义（P-Spec）程序后，SiP模组化设计架构应该便包含晶片设计、基板和嵌入式内藏被动元件（Embedded Passives）、封装整合、制程和测试方法学这四大参数要点。SiP模组化晶片设计要跟IC供应商维持密切关系在于，各家厂商在晶片封装、电源管理、收发器效能都拥有各自专属的know-how，功夫也不尽相同，同时在作业系统和驱动软体支援上，需按照客户不同的客制化需求。

《图六　模组化晶片Module IC所需具备能力示意图 》 资料来源：海华科技（AzureWave）

无线通讯SiP模组开发挑战

王垂堂并指出，散热规划和移除EMI干扰是无线模组SiP开发会面临的两大基本挑战。 SiP的散热解决方案主要可以两种热流路径来表示，其一是由晶片表面至环境之热对流及辐射；其二是晶片由Bump及Underfill传至基板，再传至客户端的PCB板，再经由基板及PCB板藉由辐射和对流传至环境。热流模拟与规划对于SiP来说非常重要，因此热流与环境关系的测试和模拟、例如散热效能和风速关系，要从系统端的产品层次来考量。

《图七 无线AP散热解决方案示意图 》 资料来源：环隆电气（USI）

无线通讯SiP模组化设计系统整合考量要点

SiP模组化设计的系统整合考量就包括EMI干扰、应力和性能等，王垂堂特别强调指出，各类无线通讯天线如何有效整合，就是Wireless SiP最主要的挑战，这包括如何用最少天线达到最佳效能、提升频率互不干扰的隔离度（isolation）、模拟测试有效发挥设计经验值等等。这些在模组化设计阶段就要一并与系统端客户同时考量，并预先降低系统端客户的疑虑。一般而言模组化设计下，天线互不干扰的隔离度标准最起码要超过20dB，而消除EMI的方法有以下几种可参考：

• ●Shielding





• ●Grounding





• ●Balancing





• ●Filtering





• ●Isolation





• ●Separation & Orientation





• ●Circuit Impedance Level Control





• ●Cable Design





• ●Cancellation Technologies（Frequency or Time-Domain）

因此，模组化设计业者在射频天线调校测试的能力与经验就非常重要，与系统厂商彼此间的责任归属也要相当清楚。

《图八　无线模组系统整合挑战示意图 》 资料来源：环隆电气（USI）

此外，SiP模组化设计的系统整合还需注意以热循环负载作用下测试评估模组元件的焊点可靠度（Solder Joint Reliability），包括模组尺寸、PCB厚度、被动元件尺寸、underfill等结构，分析在各种温度散热条件下的数据，来进一步预估SiP模组的疲劳寿命界线。再者，SiP系统整合还需一并考量SiP模组在回流（reflow）焊接过程中有无翘曲（warpage）现象，调整元件摆放位置和方式、选择适合基板材质和构装制程等，来降低翘曲和内残留应力（internal residual stresses）。

无线通讯SiP模组化设计优势

廖志豪进一步表示，在缩小面积、高整合度和大规模量产上，无线通讯模组化设计（Wireless Module IC）自有其优势。 Wireless Module IC on Board相较于Chip on Board的优势在于，相同的无线模组设计可以应用在不同的行动装置内，且无线模组能够明显缩短上市时程，以Wi-Fi整合蓝牙模组设计为例，上市时程可以缩短大约3个月。更重要的是，设计上若有瑕疵，Chip on Board会导致整个PCB设计流程重新调整，进而加重研发成本及设计负担；Chip on Board设计的PCB层数也增加，成本因此提高。

而Wireless Module IC on Board架构则是已经将相关射频和XTAL元件模组化与周边电路的效能调校过，无须大幅改变和重新调校，可降低研发设计负担，并弹性因应提升良率的经常费用开支，不用昂贵的PCB制程。 Module IC内的射频RF元件效能在出货前已经测试过，这可减少系统客户在产品的测试成本和量测仪器设备的支出。

《图九工研院电光所构装组组长骆韦仲博士表示，晶片系统封装SiP的定义相当多元，不同技术材质也各拥有一片天，SiP基板技术应用涵盖设计、制造和材料三大层面，复杂程度不可谓不低》

高速蓝牙和WLAN已成无线SiP技术应用热门

骆韦仲说明表示，现在SiP基板技术已经应用在许多层面。例如2.4GHz蓝牙模组、GSM手机的PCB基板优化设计、功率放大器（PA）输出设计、802.11a/b/g和802.11n WLAN模组等。工研院则利用SiP基板技术开发2.4GHz无线网路的功率放大器、蓝牙模组、WLAN模组，以及5GHz无线网路的开关元件Switch、低噪放大器和功率放大器和WiMAX前端模组。廖志豪进一步认为，无线通讯SiP模组的新应用领域，可扩及到Android、高速Bluetooth3.0、Wi-Fi为基础的SoftAP和AGPS等四大区块。以高速蓝牙3.0结合WLAN MAC/PHY和alternate MAC/PHY（AMP）技术为例，可利用802.11 PAL（Protocol Adaptation Layer）传输资料，因此传输速度相较于蓝牙2.1＋EDR版本快上10倍，高速蓝牙3.0结合Wi-Fi的无线通讯模组化设计已经是各家大厂积极介入的热门领域。

SiP基板封装技术大要

SiP基板材质选项非常关键

王垂堂指出，SiP封装架构会因为不同的商业模式，呈现百花齐放的面貌。基板材质对于SiP来说非常重要，因为其会影响整体封装型态，同时基板材质也与内藏被动元件的整合度息息相关。目前以传统的side-by-side封装、整合射频和记忆体应用为主的3D封装、嵌入式封装和其他先进封装技术四大类为主。其中嵌入式封装技术包含LTCC、Embedded Passives、IPD等，先进的封装技术则包括TSV、3D Fan-out WLP、Multi-chip Fan-out WLP、Embedded chip等。

《图十　工研院所开发的嵌入式IC内藏基板技术示意图 》 资料来源：工研院（ITRI）

廖志豪表示，LTCC的好处在于因为层数较多，可以内藏整合较多的元件数，LTCC也是Embedded Passives最大的竞争对手。不过LTCC成本较高，这也是Embedded Passives具备市场竞争力的关键。王垂堂进一步表示，Embedded Passives技术其实是从传统的厚膜技术衍生出来的新技术，SiP架构能让以往的技术有更多崭新的发挥空间。骆韦仲则表示，虽然SiP基板技术的材料成本较高，不过制程成本却能有效调降，因此整体SiP基板技术应用的成本与传统设计相差不远，而相关射频品质也能有效展现。

不过RF晶片较不适合采取直接埋到基板内的技术，因为射频RF晶片在进行讯号搜集时，容易受到热流的干扰，天线的增益效果也较无法完整展现。因此骆韦仲指出，在设计上可采用2D-SiP或是3D-SiP技术的平面架构（planar structure），将数位讯号和RF讯号晶片以平面方式埋在同一颗封装中。

Embedded Passives基板封装技术

工研院目前在3D SiP技术内容包括将IC嵌入基板的CiSP（Chip in Substrate Package）和UTFP（Ultra Thin Flexible Package）技术，以及3D Interconnect by through Si技术。而针对行动装置应用所设计的3D SiP，结合嵌入式内藏被动元件基板技术（Embedded Passives），可把被动元件薄膜材料直接整合于基板中，能提高无线SiP的射频晶片品质。 SiP基板技术中的电容和电阻材料就有许多大厂提供。但因为材料和其他因素，大电容和电阻元件若要能有效藉由SiP技术内藏于基板内，还有一些问题有待克服。

《图十一　针对行动装置应用，结合Embedded Passives技术所设计的3D SiP架构示意图 》 资料来源：工研院

离散被动元件多

Embedded Passives的重要性在于行动装置内各种离散元件数越来越多，特别是在电阻、电感、电容三大被动元件部分。但市场对于行动装置轻薄短小的设计要求也越来越高，以Nokia N90智慧型手机为例，其中的电阻（74）电感（16）电容（221）元件数，就占整体被动元件数（323 ）的68.4％。

因此，大电容元件可藉由嵌入基板技术加以缩小尺寸空间。这个从晶片到封装到PCB基板的共构设计（concurrent design）架构，更需要兼顾电气、热流、压力等参数，Embedded Passives的基板组织架构分类也必须很清楚，才能够有效利用空间。

能有效缩小元件空间

骆韦仲指出，工研院所开发的Embedded Passives模组化设计，以IEEE 802.11a/b/g 2.4/6GHz WLAN模组为例，可将内藏元件取代比例提高到50.4％（58/115），面积可缩小约19.7％。而WLAN三模双频无线网路CardBus adapter，则可藉由Embedded Passives技术，可减少44.3％的元件数。但有些电容和电感元件尚无法内藏于基板，这时需要将电容值调降至0.1～1μF之间，且电容和电感材料的整合也因为厂商之间不同的技术而相当复杂。

3D IC构装流程要点

骆韦仲在介绍3D IC技术时表示，行动装置的系统设计整合趋势在于更小的微型尺寸、低功耗和低成本。以影像感测模组为例，若要设计出3D IC CIS模组，3D IC的矽通孔TSV（Through Silicon Vias）技术便非常重要，可满足高频宽和高密度I/O介面的微型化设计需求。 3D IC系统设计需要搭配新的测试系统，IC设计、封装、晶圆制程和测试之间的分工也需清楚。目前工研院已成立8吋和12吋晶圆的3D-IC实验室，将3D-ID制程的黄光、蚀刻、薄膜、电镀流程和电路设计等建立起来，整合工研院系统晶片科技中心在3D-IC的设计成果，并搭配相关封装制程，可提供3D-IC较为完整的TSV技术架构。

《图十二　工研院3D SiP平台架构示意图 》 资料来源：工研院

SiP产业链整合度尚待克服

SiP模组化设计和流程需不断因应市场变化多端的应用需求。在推广上，如何进一步垂直整合IC设计、封装和基板业者的相关技术，打破产业链既有分工的局限，突破设计、制程、材料介面的技术挑战，提升错误分析效率和可靠度，进一步整合歧异的SiP测试规格与设计规范，是目前亟需克服的难题。

王垂堂指出，一方面，SiP模组可提供半导体封装厂不同于既有单颗封装的获利模式，封装厂也可直接与系统厂商联系，而IC设计厂商则可直接提供软体支援给系统厂商。不过另一方面，以嵌入式封装为核心的的SiP产业链整合难度高，供应链条件也尚未成熟，厂商各有其技术上的坚持，藩篱与鸿沟必须进一步破除，SiP产业链才有办法进一步整合。

王垂堂进一步深入指出，模组业者和IC设计厂商之间能否顺畅合作，其实难度也不低，因为模组厂商和IC设计厂商的毛利结构也不相同，两种商业模式混在一起，也不符合既有产业条件，因此IC设计业者和模组厂商的合作，从一开始就有现实的鸿沟有待突破。于是系统厂商有时会直接越过模组厂商，直接和无线通讯晶片设计大厂联系合作。

廖志豪则表示，现今无线通讯模组化设计能否持续发展，要看业者愿不愿意投入支援设计Andorid手机平台的蓝牙模组，况且不同的晶片组供应商对于高速蓝牙3.0功能的合作度还不够，客户也不是单单购买单一模组产品而已，还包括背后的各项软硬体支援，相关解决方案的配套设计也会影响业者在无线模组化设计市场竞争力的强弱。王垂堂也认为，模组化IC整合度越高，外部元件就越少，这时软体取代硬体在价值服务上的重要性也更凸显出来。业者必须深知自己在SiP供应链的价值为何，并在供应链内与客户维持健全的合作关系，取得有力的供应位置，才能获得有利的价值。这也才能因应无线通讯模组功能不断因市场需求变化、进而顺势调整的现实。

因此，模组厂商要进入相关SiP供应链找到适合的枢纽角色，对台湾发展SiP产业而言非常关键。而模组厂商本身也不易成为诸如SiP相关产业链的发动机，还是要靠系统品牌大厂或是具有专利龙头地位的半导体业者带头方能成事。