零组件科技论坛─「系统级IC设计之成功案例与应用市场」研讨会实录

主题：系统级晶片之应用市场现况剖析

《照片一 工研院经资中心（IEK）IC产业应用部产业分析师 庄伟杰》

系统单晶片（System-on-a-Chip；SoC）已成为IC设计的未来趋势，SoC在电子产品中的应用也日益广泛；但究竟什么是SoC？工研院经资中心产业分析师庄伟杰表示，SoC的定义，除了应在百万闸级单晶片中具备记忆体、微处理器（MPU）等基本系统外，还应具备以下几项要素：包括采用较先进的制程（0.18微米以下），具备多重电压（Multiple Voltage）、高容量内嵌式记忆体，以及拥有可重复使用IP、可塑性（Configurable）、可程式化（Programmable）、真实世界介面（Real-world Interface）等特性。

随着电子产品越来越轻薄短小的设计趋势，SoC市场的成长潜力无穷，市调机构Dataquest与IEK的统计数字显示，SoC市场每年成长率皆超过整体半导体市场成长率，在整体半导体市场中的比重亦有逐年升高的趋势；预计到2005年，SoC市场在半导体市场中的比重可由2001年的16％成长为23％，市场值可达469亿美元。从应用层面来看，庄伟杰指出，目前SoC在全球市场中是以通讯产品、消费性电子产品与资讯产品为三大主要应用领域，而以通讯产品的应用为其中主力，虽然通讯SoC市况在2002年受因库存过剩与整体经济不景气之影响，成长表现不如消费性电子SoC来得好，但随着无线通讯技术在人们日常生活中愈趋重要与普及化，预料未来应用于通讯产品的SoC市场成长性仍然看好。

SIP交易规则亟待建立

庄伟杰表示，要设计成功的SoC产品，其中最​​重要的关键在于能够整合不同来源的SIP（Silicon Intellectural Property；矽智财），无论是SIP的来源、SIP间的相容与验证，或是SIP的交易、定价以及资讯取得，都是SoC在设计的过程中必须考量的重要因素；其中不同来源之SIP的验证与整合，可透过技术面来逐步达成，但目前SIP在交易、定价与资讯取得上，却仍因缺乏一套可遵循的规则，而存在着许多问题──包括应将SIP视为软体或硬体来鉴定价格？SIP价格应以使用次数或成为SoC产品后的销售状况来计算？以及SIP资讯透过网路流通，是否可能产生安全性顾虑？ ...等等，都常让IC业者感到困惑且无所适从，而这些也是国内希望发展成为全球SIP中心的过程中，必须审慎思考并尽速解决的问题。

在SIP的种类方面，从目前全球前二十大SIP供应商的市场分配状况来看，是以提供MPU（Microprocessor ​​Unit；微处理器）SIP的业者（包括ARM、MIPS、ARC等）名列前矛，市占率超过三成，其次则为DSP（Digital Signal Processor；数位讯号处理器）SIP与提供平台式解决方案的SIP；而MPU SIP在目前市场最大的通讯产品应用领域，市占率更超过了五成。庄伟杰表示，这些以MPU SIP为首的明星级SIP，虽拥有高成长性、高需求量的获利诱因，但相对于其他SIP，其市场进入的障碍也更高，除非以提供更新的产品、更新的解决方案等方式取得优势，否则新进厂商很难与既有的大公司竞争。

台湾地区由于有完整的半导体产业价值链做为幕后支持，SoC产业在国际市场中可说具备了发展上的优势，但庄伟杰亦表示，国内在相关产业的发展上，仍有创新能力不足、欠缺IP Reuse观念以及面临国外大厂挑战的种种劣势与威胁；对国内I​​C设计业者、设计服务业者、IC制造业者、封测业者来说，若能把握优势创造商机、并审慎思考克服困境，将是让台湾半导体产业升级的重要契机。

主题：SoC成功案例探讨

《照片二 美国国家半导体台湾分公司IA & Interface产品应用工程经理 郭智峰》

有关资讯家电（IA）的议题虽在市场中沉寂了一段时间，但随着无线通讯的发展与普及化，以提供个人资料储存的智慧型手持设备（如PDA）与提供家庭视听娱乐的机顶盒（ Set-top Box）等为主力的资讯家电，又成为市场中备受瞩目的新焦点，未来的发展趋势不可忽视。而过去锁定在通讯、资讯等产品应用的SoC，目前也可在资讯家电中见到成功的应用案例。

大部分IC设计业者在推出SoC相关产品时，会将重点锁定在通讯、资讯等需要需要复杂功能与高速运算能力的高阶SoC，以在市场上取得竞争优势；但对于属于消费性电子产品类的资讯家电来说，由于其所需的运算速度与功能，皆不如通讯或资讯类产品来得复杂，因此应用于资讯家电的SoC在选择的考量上也会有所不同。美国国家半导体IA & Interface产品应用工程经理郭智峰表示，一般可先从以下三个方向来评估应用端产品的需求：一是价格（Price），二是耗电量（Power），三是效能表现（ Performance），并由这三个方向（3P）推估系统所需的最适当SoC。在价格方面，可由应用端产品或产品零组件的成本，来评估需要何种价格的SoC；在耗电量方面，则是评估应用端产品所需的耗电量大小，与对于电池容量的需求；在效能表现方面，评估终端产品所需的最基本运算与功能，亦是在选择SoC时的关键考量因素。

SoC于资讯家电的实际应用案例

以机顶盒（Set-top Box）、精简型电脑（Thin Client）与智慧型显示器（Mira）等资讯家电产品为例，郭智峰指出，这些不同功能与用途的资讯家电产品，在系统上的需求与设计考量亦有所不同：Set-top Box系统硬体上的设计复杂度较低、嵌入式软体的开发却需花费较大量的时间，还必须考虑影音资讯传输的相关功能表现；Thin Client虽然功能简单，在运算功能与记忆容量上的需求都不大，但由于多大量应用于大型工厂或企业单位，设计上较着重在低成本的考量。由微软最先提出的Mira，其概念Thin Client类似，但由于是具备无线通讯功能的手持式设备，低耗电量就成为在系统设计时必须最优先考量的因素。

郭志峰指出，当希望耗费设计时间与金钱所开发的SoC产品，能广泛运用在不同的资讯家电产品当中，充分运用前所提的「3P」评估标准进行设计，即成为重要的市场致胜关键。以美国国家半导体所开发的SoC产品Geode SCx2000为例，该晶片支援x86的CPU架构，在低耗电量与低成本的议题上也可充分达到客户需求，并可依照不同设备必须加强的功能稍做搭配调整，是目前SoC在资讯家电产品当中的成功应用案例。

SiP前瞻封装成功案​​例探讨

《照片三 钰桥半导体研发部资深工程师 王家忠》

要达到将整个系统整合于同一晶片的目的，除了用以IC前端制程技术为基础的SoC（System-on-Chip）解决方案之外，业者还可以有另一个以IC后段封装制程技术为基础的解决方案──系统级封装（System-in-Package；SiP）。

不同于SoC将系统整合于同一IC上的做法，SiP是以封装技术将多个微小IC整合在同一基板（Microboard）上；与SoC相较，SiP在过程中无须如SoC般，必须花费大量IC设计与SIP整合的时间，更无须动用昂贵的先进晶圆制程技术，所以可节省的成本相当可观。钰桥半导体研发部资深工程师王家忠指出，将经由不同制程技术生产、功能不同的晶片整合在基板上的SiP技术，困难度绝对不会比将不同来源SIP整合到一晶片上的SoC技术来得高，客户还可针对不同的产品需求，自由选择不同的封装方式与基板材质，是在考量开发SoC可能花费的庞大成本之外，另一个同样能达到SoC缩小元件体积、降低耗电量、提高系统运作速度等优点的可选择方案。

王家忠表示，开发SiP产品由于与先进晶圆制程技术无涉，所需的技术种类虽然不少，但都是复杂度不高、或者是已经成熟的现有技术；而系统业者若要选择SiP厂商，第一项优先考量即为该厂商的量产技术－确保完成后的SiP产品可达到低成本、可测试、可修改以及高良率的条件，之后再进一步依照不同的应用需求以及所需整合的元件内容，考量其他的相关技术种类，包括封装的方式、元件间电路连结的方式以及基板材料。王家忠强调，除了以上几个重点，还须特别注意​​电路设计与系统散热的问题，电路的安排牵涉到系统元件间的通讯连结，若设计不当即可能产生杂讯等阻碍SiP内系统运作的问题；而随着需要高效能表现的系统运作速度增加，如何使系统产生的温度，透过对流、辐射或传导等散热方式有效降低，让系统运作不受影响，更是在SiP制程中不可忽视的课题。

朝向3D形势发展的SiP

过去的SiP技术，仍以将组合成系统的多个晶片放在同一个基板平面上的2D形式为主，而将IC与基板连接的方式，则有打线（Wire-Bonding）、覆晶（Flip -Chip）及以软线连接的构装接合（Tape Automated Bonding；TAB）等等技术；但此种封装方式仍有传导路线过长、封装体积太大的种种缺点，过去的MCM（多晶片模组）封装即是一个2D平面形式的SiP案例。王家忠表示，MCM是将多个IC放置于同一个基板平面、再以打线相互连接，但此种封装形式除了以上传导路径长、封装体积难以缩小的缺点之外，在良率的控制上也有其困难；而为了改善以上的缺点，目前SiP已逐渐朝向将晶片以3D形式堆叠封装的趋势发展。

朝3D发展的堆叠式封装分为两种，一是直接先堆叠裸晶并连接于基板后，再进行封装（Chip Stacked），另一种则是将多个封装好的晶片堆叠之后再组合于一（Package Stacked）；王家忠指出，前者的Chip Stacked封装方式，最多只能重叠四层裸晶，而且在测试上有其困难度，目前3D形式的SiP仍是以后者的Package Stacked为主，不但拥有可预先测试的优点，可堆叠的层数也较多，而且在组合时仍能透过最新技术缩小成品的体积，迎合电子产品逐渐朝向轻薄短小需求。王家忠表示，目前SiP产品已经成功应用于如记忆卡等产品之中，未来SiP的发展仍将朝向整合现有封装技术、并继续开发先进封装技术的趋势演进，提供客户在选择SoC之外，另一个可选择的系统整合解决方案。