CTIMES- SiP技術：克服製造瓶頸掌握異質整合關鍵 :

系統級封裝（System-in-Package；SiP）技術正快速獲得市占率的成長。多項研究預測，未來五年的SiP市場將維持雙位數成長，關鍵在於其優異的電氣特性，以及能夠在單一封裝中整合不同尺寸晶粒的能力，也就是所謂的異質整合（Heterogeneous Integration）。

隨著功率驅動器與馬達控制等應用日益複雜，意法半導體（ST）致力於這波技術浪潮，旗下如PWD13F60、PWD5F60、PWD5T60動力驅動晶片，以及 powerSTEP01微步進控制器，皆屬於此一趨勢下的代表性元件。

然而，我們觀察到許多組裝產線對SiP封裝的製造特性仍不夠熟悉，導致導入初期面臨諸多挑戰。因此，現在正是重新檢視SiP整合製造基礎知識的關鍵時刻。

SiP挑戰1：焊接可靠度（Reliable Joints）

空洞（Voids）生成的隱憂

製造中最常見的挑戰在於如何確保焊接接點的高可靠度，並且避免空洞（Voids）產生。

事實上，僅靠塗抹錫膏並加熱回焊，往往難以達到理想效果，原因在於：SiP在回流焊（Reflow）過程中極易發生微小偏移、過量錫膏可能在焊墊間導致橋接，或因回焊時助焊劑氣體無法順利逸散，受困形成氣孔或空洞；這些空洞會顯著影響散熱效率，造成局部過熱，進而降低成品良率與長期可靠性。

由於SiP元件通常具備大面積裸露散熱焊墊（Exposed Pads），此問題尤為嚴重。國際電子工業聯接協會（Institute of Printed Circuits；IPC）標準建議氣孔率不應超過散熱焊盤50%的面積，若無適當製程與設計方法，此標準極難達成。

梳狀圖案（Comb Pattern）網板設計

圖一 : 適用於PWD5T60的梳狀網板開孔圖案

ST建議的首要對策是回歸製造基礎：封裝需全程存放於防潮包裝袋中，並確保組裝環境須符合ESD（靜電防護）安全要求。這看似簡單，但若產線受潮，任何補救設計都難以發揮效果。

其次是選擇正確的網板（Stencil）。在鋼板設計上，相較於全覆蓋型開孔（單一大方塊）或方格填滿型陣列，採用開孔寬度300 μm、間距600 μm的「梳狀圖案」（Comb），在實驗與實務上能有效降低空洞比例。根據IPC規範，任何裸露焊墊尺寸大於4 mm x 4 mm的散熱焊盤，皆應採用分割型圖樣設計，因此選擇正確圖形至關重要。

導通孔（Vias）鑽孔配置

圖二 : PWD5T60 PCB頂層的導通孔配置

另一關鍵方案是在裸露焊墊下方配置適當的導通孔（Via），建議使用孔徑約0.25 mm、間距1 mm且均勻分布於焊盤周圍的導通孔，其目的在於讓回焊過程中助焊劑中的氣體能順利逸散。孔徑若過大會吸走過多的錫膏，孔徑過小則排氣效果有限。

以AN6217為例，ST甚至透過X-ray影像，直接展示「梳狀鋼板+導通孔」方案在降低空洞上的顯著效益。此外，也涵蓋回流焊曲線與錫膏選擇（通常首選Type 4，Type 3亦可行）。在實務上，正確的鋼板與Via結構已能帶來顯著改善。

圖三 : 不同鋼板圖樣vs.導通孔比例

SiP挑戰2—高效佈局與散熱管理

傳統設計準則的侷限

SiP的吸引力在於其高度整合能力，可在薄型封裝中容納多顆異質晶粒，簡化設計且大幅降低PCB面積需求。為達成此目標，SiP封裝往往結合中介層（Interposer）、重佈線層（RDL）、橋接結構（Bridge）等多種先進封裝技術。

這也意味著工程師必須以不同於傳統封裝的思維來設計PCB--SiP元件通常不外接散熱片，而是透過底部的焊盤進行散熱。因此，若直接沿用傳統封裝的設計準則，將導致過熱、短路與可靠度下降。

構建「散熱島」與導入四層PCB結構

ST最常給予的建議之一是建立「散熱島（Dissipating Islands）」，即在PCB散熱焊盤下方鋪設厚銅層，將熱量導離熱源。這本質上是利用導通孔相互連接，形成類似「內建散熱片」的結構。

銅層數量取決於PCB層數，因此從兩層板升級至四層板（4-layer PCB）是值得考慮的投資。雖然單板成本提高，但能換取更具成本效益的SiP元件，提升整體封裝密度並滿足散熱需求，反而降低系統總成本。

以PWD5T60為例進行內部測試：在29 W負載下，四層板可降低表面溫度8.6%，而在110 W負載下，溫差甚至超過30%。

雖然在雙層板下仍未超過額定接面溫度125°C，但已逼近極限；在另一個壓縮機馬達應用中，雙層板甚至無法承受90 W。這顯示增加層數與板厚，能夠帶來顯著可靠性紅利。

表一：在不同功率負載下，PWD5T60在四層與雙層PCB的表面溫度比較

功率等級[W]	電流[Arms]	扭力[Nm]	電路板 4L	電路板 2L
功率等級[W]	電流[Arms]	扭力[Nm]	頂面溫度[℃]	頂面溫度[℃]
29	0.137	0.4	49.7	54.4
45	0.204	0.62	55.8	64.5
77	0.290	0.9	66.5	80.3
90	0.334	1.04	73.6	90.7
110	0.400	1.24	84.6	110.7