自2005年起，台北市政府展開無線網路新都計畫，預計到年底前，台北市的無線區域網路覆蓋率將達90%，此戲碼也在北美、歐洲、亞太及紐澳的各大城市上演；同時，隨著線上遊戲及網路電話興起，消費者對無線區域網路的需求也越來越急迫...
自2005年起，台北市政府展開無線網路新都計畫，預計到年底前，台北市的無線區域網路覆蓋率將達90%，此戲碼也在北美、歐洲、亞太及紐澳的各大城市上演；同時，隨著線上遊戲及網路電話興起，消費者對無線區域網路的需求也越來越急迫。
無論外在環境或消費者需要，皆驅使小尺寸Wi-Fi模組的需求日益增加，因此，如何設計小型化、低成本的Wi-Fi模組便成為無線區域網路模組供應商的重要課題。
小型化Wi-Fi模組的應用包含遊樂器(網路遊戲的應用)、行動電話(網路電話及智慧型手機等)、PDA(無線上網、收發電子郵件)及個人影音娛樂裝置等應用。在遊樂器方面，新力(Sony)於2003年推出的PS3已內建無線網路功能(802.11b/g)，而另一競爭對手微軟(Microsoft)於2005年推出之Xbox360也號稱配備無線網路功能(802.11a/b/g)。依據工研院MIC市場調查報告，2005年上半年台灣所生產的無線區域網路模組中，共有450萬套是應用於遊樂器內，未來隨著遊樂器的功能日益增加(視訊接收)，其內建無線區域網路傳輸模組小型化的需求將日益殷切。
在行動電話應用上，依據In-Stat及IDC預估，全球行動電話搭載Wi-Fi模組的比例將由2005年不到1%成長到2008年約18%(圖1)，若以2008年全球行動電話預估量8.6億隻計算，則2008年所需之小型化Wi-Fi模組將達1.5億套。
2004年諾基亞(Nokia)和摩托羅拉(Motorola)相繼推出內建Wi-Fi的雙網手機，2005年Nokia宣稱未來兩年內企業用手機產品將全部內建Wi-Fi模組，並將於2006年推出支援UMA與SiP-Based的VoIP行動電話。另外，手機通訊晶片大廠德州儀器(TI)、Broadcom及飛利浦(Philips)也相繼發表Wi-Fi手機晶片解決方案。Wi-Fi晶片大廠Marvell、CSR等也積極推出覆晶封裝(Flip Chip)或晶圓級封裝(Chip Scale Package，CSP)的晶片以因應此一市場趨勢。在下游模組端，環電也於2005年第二季推出9.6×9.6mm的小型化無線網路模組(圖2)。
小型化Wi-Fi模組設計的目標在於達到低成本(Low Cost)、小尺寸(Miniaturization)及良好的性能(Good Performance)等產品需求，由於此類模組應用環境一般皆為手持式裝置，其異於一般電腦上使用的無線區域網路卡主要有下列幾項：
‧小型化(Miniaturization)構裝技術
‧低耗電(Low Power Consumption)的需求
‧需能共存於GSM /GPRS/ WCDMA/ CDMA200等行動電話使用的環境中(Co-Existence)
‧散熱的問題將更加嚴重(Thermal Dissipation)
‧EMI的問題較不易解決(Shielding、GND/PWR Plane Layout)
一般的小型化Wi-Fi模組包含有RF IC、MAC/BB IC、PA(Power Amplifier)、RF Switch、Filter、Balun、Shielding及其他被動元件等，模組的構裝主要在設計各元件間的電路連接以得到其所需之功能，利用適當的封裝方式提供各個元件的保護機制，且達到小型化及其信賴性(Reliability)的要求。目前小型化Wi-Fi模組之設計多採用SiP(System in Package)的技術，而為了達到產品在尺寸、性能及成本的考量，設計團隊需整合RF、IC封裝、模組構裝、製程、材料、測試及基板設計等相關技術，以下將針對個別的設計考量加以說明。
為了使Wi-Fi模組適合於各種手持式裝置的應用，Wi-Fi晶片組的選擇需考慮下列幾個因素：
‧有效的電源管理機制及低耗電量的要求
‧晶片整合度高、尺寸小
‧可支援手持式裝置常用的作業系統(WinCE、Linux、Symbian…)
‧可支援手持式裝置常用的介面(CF、SDIO、SPI…)
如前所述，構裝的角色為提供各個元件的保護機制，且達到小型化及產品信賴性(Reliability)的目的，在封裝的製程上須考慮量產時良率及成本的要求，一般較常用的封裝製程包含Die/Wire Bond、Flip Chip及CSP組裝，一般常見的SiP結構如圖3A～3D所示。
Type A為將所有的零件置於同一面，而背面可用植球的方式製成BGA(Ball Grid Array)或直接於基板上製作焊墊以形成LGA(Land Grid Array)以作為與手持式裝置主板電性連接之機制，基板正面之MAC/BB IC可封裝成Flip Chip方式置於基板上，或以COB(Chip On Board)打線至基板的焊墊上以做為電性連接。此法主要的優點為製程簡單、製造成本較低、整體模組高度較低(採用LGA時)及易於散熱，適用於較簡單的系統(Single Chip Solution)，而其缺點為模組所需面積較大，對於較複雜的模組將不利於小尺寸的需求。
Type B結構為較常使用的SiP模組設計方式，模組下方的四周圍以植球的方式來做為與手持式裝置端主板電性連接的機制，而模組上方可用面積較大(不需植球)，可作為零件的置放，如此設計的目的通常是因為零件數目較多，需要較大的佈局面積。
Type C的Stack Die為一般封裝廠常用的封裝方式，若應用於Wi-Fi模組中，須先將MAC/BB IC以Die Size Scale的大小組裝於基板上，再將RF IC點膠置放貼合於MAC/BB IC上，再以打線的方式提供RF IC與基板的電性連接，最後將整個模組封裝以保護裸晶(Bare Die)及Bonding Wire。此法困難點為：
‧良率
‧散熱
‧IC的Bonding Wire過於接近，易造成信號串音(Cross Talk)
‧Ground Plane的佈局
‧設備及封裝方式
若應用端較在意模組長寬的限制而無高度的考量，則可採用Type D封裝方式，其做法為將兩個以放置完零件的基板以植球方式連接，此方法的缺點為製程較長、組裝費用較高，且需要2塊PCB板，材料成本也將提高。
由於Flip Chip Bump的尺寸非常細小(Ball Size約僅100um)，除了置放的精準度要求外，在PCB佈局上亦須非常小心，其所須注意的事項包含：
‧Substrate上相對於Flip Chip bump焊墊的設計需同時考量封裝廠Flip Chip UBM及基板廠的製程能力
‧焊墊的型式(Land Pattern)：可分為SMD(Solder Mask Define) Pad及NSMD(Non-Solder Mask Define) Pad
‧焊墊表面處理：可分為OSP (Organic Solderability Preservative Coating) 及電鍍鎳金的方式以防止銅焊墊表面的氧化
‧焊墊的共平面度
為了保護組裝在基板上的晶片，零件組裝完成後亦常整個封裝入Epoxy膠材中(Encapsulation)，常用的方法有Dam/Fill、Globtop以及Overmold等，此三種方法各有其優缺點及成本考量，使用Dam/Fill須避免板彎的情形發生，進而造成Package Saw精度的降低，亦可能造成Flip Chip焊點的龜裂；使用Encapsulation時亦須注意其將造成基板阻抗改變，若處理不當，將造成信號品質下降。圖4為Die/Wire Bond(COB)的封裝方式。
小型化Wi-Fi模組在基板的選擇需注意的事項為：
‧成本及材料取得的容易度
‧低熱膨脹係數(將影響Flip Chip的信賴性)
‧高Tg值(考慮無鉛製程及組裝良率)
‧高熱導係數
‧低DF值及低吸水率(亦會影響Signal Loss)
部份美、日廠商在設計小型化Wi-Fi模組時會使用LTCC等陶瓷材料作為基板，主要是考慮其能將R、L、C及Filter、Balun等元件整合入此種基板內，有效縮小模組的尺寸，惟其價格仍居高不下、材料取得較不易，且整合Filter至基板內其效能畢竟無法與外加的Filter相比，如此較不利於解決與其他無線通訊系(GSM/ GPRS/ CDMA)統共存的問題。
若以散熱的考慮而言，以氮化鋁(Thermal Conductivity K=230W/C)、氧化鋁(K=25～30W/C)或氧化鈹(BeO，K=240)的陶瓷基板有較高的熱傳導率。LTCC的熱傳導率僅約2～6W/C(圖5)，LTCC的優點為：
‧Dissipation Factor較低
‧熱膨脹係數與Chip較接近(熱應變低)
‧可在100°C以下的溫度燒結(一般陶瓷基板在150°C以上)
‧機械強度強
由於小型化Wi-Fi模組在尺寸上的限制，其在EMI的防制措施上亦受較多的限制，例如在基板Ground Plane的配置以及防電磁干擾金屬鐵蓋的置放空間皆有所侷限。設計金屬鐵蓋時，為避免增加模組高度，常需避開較高的零件，使得其結構無法保持對稱，造成良率問題。
由於模組尺寸趨小，其所能散熱的空間亦相對不足，而且，在如此狹窄的空間內，常常無法採取適當的散熱措施，因此，在PCB Layout及構裝方式的設計上，就必須將散熱的方式納入考量範圍。
一個典型的FCOB(Flip Chip On Board) Module之散熱路徑及其熱阻網路如圖6所示，其散熱路徑可簡單分為兩個部份：
‧Chip表面至環境之熱對流及輻射
‧Chip由Bump及Underfill傳至基板，再傳至客戶端的PCB板，再經由基板及PCB板傳至環境(輻射及對流)
因此散熱設計的重點在於如何將熱由發熱元件有效的傳送至客戶端PCB板及系統端，在有限的空間中增加散熱面積及機制。通常在設計階段，利用軟體作熱的模擬，以尋求一較佳的散熱方案(Thermal Design Guide)，模擬時，環境溫度可依ITRS的規範設定為50oC。圖7為一Wi-Fi模組熱模擬的結果以供參考。
小型化Wi-Fi模組的主要應用之一為雙網手機，當幾個不同的無線通訊裝置(行動電話、Wi-Fi模組、藍芽模組)置於同一系統內，就必須考慮其共存的問題。由於行動電話系統所使用的頻段與Wi-Fi模組並不相同，因此在其共存的考量上必須注意彼此間的干擾問題。
在Wi-Fi模組與藍芽模組共存的考量上，由於其使用相同的頻段，因此就必須設定特別的機制，以避免二者互相干擾(圖8)。
由於Bluetooth是使用跳頻展頻的方式，Bluetooth1.2規範增加了適應性跳頻技術(Adaptive Frequency Hopping，AFH)方法，使其在跳頻時避開其他系統已正使用的頻段。另外，晶片廠商亦利用Time Division Duplex的方式以2 wire或3 wire的機制來保護Bluetooth信號的傳輸(圖9)，指示Bluetooth傳送或接收的優先順序，中斷Wi-Fi模組的傳輸動作。因此在設計Wi-Fi/Bluetooth Combo Module時最好選擇能支援Bluetooth1.2以上的晶片，並考慮二者在此一控制上的相容性。
對於所選定的零件其封裝後的尺寸不符合需求時，亦可將其晶圓重新利用Flip Chip、CSP或COB的方式重新封裝，由於以COB的方式無法有效的節省面積，在此將只比較Flip Chip及CSP(圖10)。
當模組設計且首批樣品製作完成後，通常需作製程分析(Failure Analysis)及信賴性試驗(Reliability Test)，以使產品良率迅速達到所需要求，圖11為Flip Chip組裝時常見的問題。
SiP模組由於使用較為複雜的封裝技巧，因此在設計階段可利用模擬其結構的強度，針對結構較為脆弱之處，尋求補強之道。模組開發完成後，需作信賴性測試，目前業界並沒有一共同的規範，一般均沿用IC封裝的規範。
由於消費性電子產品的風行，個人手持式裝置也將繼續朝小型化方向發展，而行動電話也將整合入越來越多的功能，包含Camera Module、MP3、Bluetooth Module、Wi-Fi Module、GPS Module、WiMAX、Wireless USB以及數位電視接收模組(DVB-H、DMB)等。以目前半導體技術整合的進度及產業的分工情形來看，SiP無疑仍是最能兼顧Cost及Time to Market的方案。Wi-Fi SiP模組的設計，不但須整合Software、RF/Circuit Design、Package Design、Thermal、EMI等各方面的技術，其製程上也需具備豐富的經驗。資訊電子產業發展至今，在產品生命週期越來越短的情況下，有效運用SiP模組，能以最有效率及最省成本的方式，帶給消費者更多功能的產品。