零組件科技論壇─「系統級IC設計之成功案例與應用市場」研討會實錄

主題：系統級晶片之應用市場現況剖析

《照片一　工研院經資中心（IEK）IC產業應用部產業分析師　莊偉傑》

系統單晶片（System-on-a-Chip；SoC）已成為IC設計的未來趨勢，SoC在電子產品中的應用也日益廣泛；但究竟什麼是SoC？工研院經資中心產業分析師莊偉傑表示，SoC的定義，除了應在百萬閘級單晶片中具備記憶體、微處理器（MPU）等基本系統外，還應具備以下幾項要素：包括採用較先進的製程（0.18微米以下），具備多重電壓（Multiple Voltage）、高容量內嵌式記憶體，以及擁有可重複使用IP、可塑性（Configurable）、可程式化（Programmable）、真實世界介面（Real-world Interface）等特性。

隨著電子產品越來越輕薄短小的設計趨勢，SoC市場的成長潛力無窮，市調機構Dataquest與IEK的統計數字顯示，SoC市場每年成長率皆超過整體半導體市場成長率，在整體半導體市場中的比重亦有逐年升高的趨勢；預計到2005年，SoC市場在半導體市場中的比重可由2001年的16％成長為23％，市場值可達469億美元。從應用層面來看，莊偉傑指出，目前SoC在全球市場中是以通訊產品、消費性電子產品與資訊產品為三大主要應用領域，而以通訊產品的應用為其中主力，雖然通訊SoC市況在2002年受因庫存過剩與整體經濟不景氣之影響，成長表現不如消費性電子SoC來得好，但隨著無線通訊技術在人們日常生活中愈趨重要與普及化，預料未來應用於通訊產品的SoC市場成長性仍然看好。

SIP交易規則亟待建立

莊偉傑表示，要設計成功的SoC產品，其中最重要的關鍵在於能夠整合不同來源的SIP（Silicon Intellectural Property；矽智財），無論是SIP的來源、SIP間的相容與驗證，或是SIP的交易、定價以及資訊取得，都是SoC在設計的過程中必須考量的重要因素；其中不同來源之SIP的驗證與整合，可透過技術面來逐步達成，但目前SIP在交易、定價與資訊取得上，卻仍因缺乏一套可遵循的規則，而存在著許多問題──包括應將SIP視為軟體或硬體來鑑定價格？SIP價格應以使用次數或成為SoC產品後的銷售狀況來計算？以及SIP資訊透過網路流通，是否可能產生安全性顧慮？...等等，都常讓IC業者感到困惑且無所適從，而這些也是國內希望發展成為全球SIP中心的過程中，必須審慎思考並儘速解決的問題。

在SIP的種類方面，從目前全球前二十大SIP供應商的市場分配狀況來看，是以提供MPU（Microprocessor Unit；微處理器）SIP的業者（包括ARM、MIPS、ARC等）名列前矛，市佔率超過三成，其次則為DSP（Digital Signal Processor；數位訊號處理器）SIP與提供平台式解決方案的SIP；而MPU SIP在目前市場最大的通訊產品應用領域，市佔率更超過了五成。莊偉傑表示，這些以MPU SIP為首的明星級SIP，雖擁有高成長性、高需求量的獲利誘因，但相對於其他SIP，其市場進入的障礙也更高，除非以提供更新的產品、更新的解決方案等方式取得優勢，否則新進廠商很難與既有的大公司競爭。

台灣地區由於有完整的半導體產業價值鏈做為幕後支持，SoC產業在國際市場中可說具備了發展上的優勢，但莊偉傑亦表示，國內在相關產業的發展上，仍有創新能力不足、欠缺IP Reuse觀念以及面臨國外大廠挑戰的種種劣勢與威脅；對國內IC設計業者、設計服務業者、IC製造業者、封測業者來說，若能把握優勢創造商機、並審慎思考克服困境，將是讓台灣半導體產業升級的重要契機。

主題：SoC成功案例探討

《照片二　美國國家半導體台灣分公司IA & Interface產品應用工程經理　郭智峰》

有關資訊家電（IA）的議題雖在市場中沉寂了一段時間，但隨著無線通訊的發展與普及化，以提供個人資料儲存的智慧型手持設備（如PDA）與提供家庭視聽娛樂的機頂盒（Set-top Box）等為主力的資訊家電，又成為市場中備受矚目的新焦點，未來的發展趨勢不可忽視。而過去鎖定在通訊、資訊等產品應用的SoC，目前也可在資訊家電中見到成功的應用案例。

大部分IC設計業者在推出SoC相關產品時，會將重點鎖定在通訊、資訊等需要需要複雜功能與高速運算能力的高階SoC，以在市場上取得競爭優勢；但對於屬於消費性電子產品類的資訊家電來說，由於其所需的運算速度與功能，皆不如通訊或資訊類產品來得複雜，因此應用於資訊家電的SoC在選擇的考量上也會有所不同。美國國家半導體IA & Interface產品應用工程經理郭智峰表示，一般可先從以下三個方向來評估應用端產品的需求：一是價格（Price），二是耗電量（Power），三是效能表現（Performance），並由這三個方向（3P）推估系統所需的最適當SoC。在價格方面，可由應用端產品或產品零組件的成本，來評估需要何種價格的SoC；在耗電量方面，則是評估應用端產品所需的耗電量大小，與對於電池容量的需求；在效能表現方面，評估終端產品所需的最基本運算與功能，亦是在選擇SoC時的關鍵考量因素。

SoC於資訊家電的實際應用案例

以機頂盒（Set-top Box）、精簡型電腦（Thin Client）與智慧型顯示器（Mira）等資訊家電產品為例，郭智峰指出，這些不同功能與用途的資訊家電產品，在系統上的需求與設計考量亦有所不同：Set-top Box系統硬體上的設計複雜度較低、嵌入式軟體的開發卻需花費較大量的時間，還必須考慮影音資訊傳輸的相關功能表現；Thin Client雖然功能簡單，在運算功能與記憶容量上的需求都不大，但由於多大量應用於大型工廠或企業單位，設計上較著重在低成本的考量。由微軟最先提出的Mira，其概念Thin Client類似，但由於是具備無線通訊功能的手持式設備，低耗電量就成為在系統設計時必須最優先考量的因素。

郭志峰指出，當希望耗費設計時間與金錢所開發的SoC產品，能廣泛運用在不同的資訊家電產品當中，充分運用前所提的「3P」評估標準進行設計，即成為重要的市場致勝關鍵。以美國國家半導體所開發的SoC產品Geode SCx2000為例，該晶片支援x86的CPU架構，在低耗電量與低成本的議題上也可充分達到客戶需求，並可依照不同設備必須加強的功能稍做搭配調整，是目前SoC在資訊家電產品當中的成功應用案例。

SiP前瞻封裝成功案例探討

《照片三　鈺橋半導體研發部資深工程師　王家忠》

要達到將整個系統整合於同一晶片的目的，除了用以IC前端製程技術為基礎的SoC（System-on-Chip）解決方案之外，業者還可以有另一個以IC後段封裝製程技術為基礎的解決方案──系統級封裝（System-in-Package；SiP）。

不同於SoC將系統整合於同一IC上的做法，SiP是以封裝技術將多個微小IC整合在同一基板（Microboard）上；與SoC相較，SiP在過程中無須如SoC般，必須花費大量IC設計與SIP整合的時間，更無須動用昂貴的先進晶圓製程技術，所以可節省的成本相當可觀。鈺橋半導體研發部資深工程師王家忠指出，將經由不同製程技術生產、功能不同的晶片整合在基板上的SiP技術，困難度絕對不會比將不同來源SIP整合到一晶片上的SoC技術來得高，客戶還可針對不同的產品需求，自由選擇不同的封裝方式與基板材質，是在考量開發SoC可能花費的龐大成本之外，另一個同樣能達到SoC縮小元件體積、降低耗電量、提高系統運作速度等優點的可選擇方案。

王家忠表示，開發SiP產品由於與先進晶圓製程技術無涉，所需的技術種類雖然不少，但都是複雜度不高、或者是已經成熟的現有技術；而系統業者若要選擇SiP廠商，第一項優先考量即為該廠商的量產技術－確保完成後的SiP產品可達到低成本、可測試、可修改以及高良率的條件，之後再進一步依照不同的應用需求以及所需整合的元件內容，考量其他的相關技術種類，包括封裝的方式、元件間電路連結的方式以及基板材料。王家忠強調，除了以上幾個重點，還須特別注意電路設計與系統散熱的問題，電路的安排牽涉到系統元件間的通訊連結，若設計不當即可能產生雜訊等阻礙SiP內系統運作的問題；而隨著需要高效能表現的系統運作速度增加，如何使系統產生的溫度，透過對流、輻射或傳導等散熱方式有效降低，讓系統運作不受影響，更是在SiP製程中不可忽視的課題。

朝向3D形勢發展的SiP

過去的SiP技術，仍以將組合成系統的多個晶片放在同一個基板平面上的2D形式為主，而將IC與基板連接的方式，則有打線（Wire-Bonding）、覆晶（Flip-Chip）及以軟線連接的構裝接合（Tape Automated Bonding；TAB）等等技術；但此種封裝方式仍有傳導路線過長、封裝體積太大的種種缺點，過去的MCM（多晶片模組）封裝即是一個2D平面形式的SiP案例。王家忠表示，MCM是將多個IC放置於同一個基板平面、再以打線相互連接，但此種封裝形式除了以上傳導路徑長、封裝體積難以縮小的缺點之外，在良率的控制上也有其困難；而為了改善以上的缺點，目前SiP已逐漸朝向將晶片以3D形式堆疊封裝的趨勢發展。

朝3D發展的堆疊式封裝分為兩種，一是直接先堆疊裸晶並連接於基板後，再進行封裝（Chip Stacked），另一種則是將多個封裝好的晶片堆疊之後再組合於一（Package Stacked）；王家忠指出，前者的Chip Stacked封裝方式，最多只能重疊四層裸晶，而且在測試上有其困難度，目前3D形式的SiP仍是以後者的Package Stacked為主，不但擁有可預先測試的優點，可堆疊的層數也較多，而且在組合時仍能透過最新技術縮小成品的體積，迎合電子產品逐漸朝向輕薄短小需求。王家忠表示，目前SiP產品已經成功應用於如記憶卡等產品之中，未來SiP的發展仍將朝向整合現有封裝技術、並繼續開發先進封裝技術的趨勢演進，提供客戶在選擇SoC之外，另一個可選擇的系統整合解決方案。