小型Wi-Fi模块的应用包含游戏机(网络游戏的应用)、移动电话(网络电话及智能手机等)、PDA(无线上网、收发电子邮件)及个人影音娱乐装置等应用。在游戏机方面，Sony于2003年推出的PS3已内置无线网络功能(802.11b/g)，而微软在2005年推出的Xbox360也号称配备无线网络功能(802.11a/b/g)。
在移动电话应用上，据In-Stat及IDC预估，全球移动电话配置Wi-Fi模块的比例将由2005年不到1%增长到2008年的18%左右(见图1)，若以2008年全球移动电话预估量8.6亿支计算，则需要小型化Wi-Fi模块将达1.5亿套。
2004年诺基亚和摩托罗拉相继推出内置Wi-Fi的双网手机，2005年Nokia宣称未来两年内企业用手机产品将全部内置Wi-Fi模块，并将于2006年推出支持UMA与SiP-Based的VoIP移动电话。另外，手机芯片大厂德州仪器(TI)、Broadcom及飞利浦(Philips)也相继发布Wi-Fi手机芯片解决方案。Marvell、CSR等也积极推出倒装芯片(Flip Chip)或晶圆级封装(Chip Scale Package，CSP)的芯片以适应市场趋势。在下游模块端，环电也于2005年第二季推出9.6mm×9.6mm小型无线网络模块(见图2)。
小型Wi-Fi模块设计因素复杂
小型Wi-Fi模块设计的目标在于实现低成本(Low Cost)、小尺寸(Miniaturization)及良好的性能(Good Performance)等产品需求，由于这类模块应用环境一般为手持式装置，其不同于一般计算机用无线局域网卡的主要内容有下列几点：
◆ 小型化封装技术
◆ 低耗电(Low Power Consumption)需求
◆ 要求能共存于GSM/GPRS/WCDMA/CDMA200等移动电话使用的环境中(Co-Existence)
◆ 散热问题(Thermal Dissipation)更严重
◆ EMI问题较不易解决(Shielding、GND/PWR Plane Layout)
通用小型Wi-Fi模块包含RF IC、MAC/BB IC、Power Amplifier、RF Switch、Filter、Balun、Shielding及其他无源元件，模块封装的要点是设计各元器件间的电路连接以得到所需的功能，利用适当的封装方式提供各个元器件的保护机制，且达到小型化及可靠性(Reliability)要求。目前小型Wi-Fi模块的设计多采用系统封装(System in Package，SiP)技术，而为了达到产品在尺寸、性能及成本的考虑，设计团队需集成RF、IC封装、模块封装、工艺、材料、测试及基板设计等相关技术，下面将针对个别设计考虑加以说明。
为了使Wi-Fi模块适合各种手持式设备的应用，Wi-Fi芯片组的选择需考虑下列几个因素：
◆ 有效的电源管理机制及低耗电要求
◆ 芯片集成度高、尺寸小
◆ 支持手持式设备常用的操作系统(WinCE、Linux、Symbian等)
◆ 支持手持式设备常用的界面(CF、SDIO、SPI等)
封装与SiP结构设计种类繁多
如前所述，封装的目的是为提供各个元器件的保护机制，且达到小型化及产品可靠性，在封装工艺上须考虑制造正品率及成本的要求，一般较常用的封装工艺包括Die/Wire Bond、Flip Chip及CSP组装，常见的SiP结构如图3～6所示。
Type A把所有的元器件放在同一面，而背面可用植球的方式制成BGA(Ball Grid Array)或直接在基板上制作焊垫形成LGA(Land Grid Array)以作为与手持式装置主板的电性连接，基板正面的MAC/BB IC可封装成Flip Chip放在基板上，或以COB(Chip On Board)打线到基板的焊垫上以作为电性连接。这种方法主要的优点是工艺简单、制造成本较低、整体模块高度较低(采用LGA时)并易于散热，适用于较简单的系统(Single Chip Solution)，缺点是模块所需面积较大，对较复杂的模块来说将不利于小尺寸需求。
Type B结构是较常使用的SiP模块设计方式，模块下方的四周以植球方式充当与手持式装置端主板的电性连接，模块上方的可用面积较大(无需植球)，可置放元器件，这样设计通常是因为元器件数目较多，需要较大的布局面积。
Type C的Stack Die是一般封装厂常用的封装方式，应用在Wi-Fi模块中必须先将MAC/BB IC以Die Size Scale的大小组装到基板上，再将RF IC点胶贴合到MAC/BB IC上，然后以打线的方式提供RF IC与基板的电性连接，最后将整个模块封装以保护裸芯片(Bare Die)及连接线(Bonding Wire)。这种方法实现起来有以下困难：
◆ 正品率
◆ 散热
◆ 连接线间隙太小，容易造成信号串扰(Cross Talk)
◆ 基板布局
◆ 设备及封装方式
若应用端较在意模块长宽的限制而无高度的考虑，则可采用Type D封装方式，把两个用来放置元器件的基板以植球方式连接，缺点是工艺较复杂、组装费用较高，且需要2块PCB板，材料成本也将提高。
由于Flip Chip Bump的尺寸非常小(Ball Size约仅100μm)，除了置放的精准度要求外，在PCB布局上也须注意如下事项：
◆ Substrate上相对于Flip Chip bump焊垫的设计需同时考虑封装厂Flip Chip UBM及基板厂的工艺能力
◆ 焊垫的类型(Land Pattern)：可分为SMD(Solder Mask Define)Pad及NSMD(Non-Solder Mask Define)Pad
◆ 焊垫表面处理：可分为OSP(Organic Solderability Preservative Coating)及电镀镍金，以防止铜焊垫表面的氧化
◆ 焊垫的共平面度
为了保护组装在基板上的芯片，元器件组装完成后也通常整个封装到Epoxy胶材中(Encapsulation)，常用的方法有Dam/Fill、Globtop及Overmold等，这三种方法各有优缺点和成本差别。使用Dam/Fill须避免板弯的情形发生，进而造成Package Saw精度的降低，还可能造成Flip Chip焊点的龟裂；使用Encapsulation时须注意它可能引起基板阻抗改变，处理不当将导致信号质量下降。图7所示为Die/Wire Bond(COB)封装方式。
以LTCC陶瓷材料作基板
小型Wi-Fi模块在基板的选择需注意：
◆ 成本及材料取得的容易度
◆ 低热膨胀系数(将影响Flip Chip的可靠性)
◆ 高Tg值(考虑无铅工艺与组装正品率)
◆ 高热导系数
◆ 低DF值及低吸水率(会影响Signal Loss)
部分美、日厂商在设计小型Wi-Fi模块时会使用LTCC等陶瓷材料作为基板，主要考虑到它能将R、L、C及Filter、Balun等元器件集成到基板内，有效缩小模块尺寸，但它的价格仍居高不下、材料取得较不易，且集成Filter到基板内后其效能毕竟无法与外加Filter相比，这样不利于解决与其他无线通信系统(GSM/GPRS/CDMA)共存的问题。
从散热角度而言，氮化铝(Thermal Conductivity K=230W/℃)、氧化铝(K=25～30W/℃)或氧化铍(BeO，K=240)的陶瓷基板有较高的热传导率。LTCC热传导率仅约2～6W/℃(见图8)，其优点包括：
◆ Dissipation Factor较低
◆ 热膨胀系数与Chip较接近(热应变低)
◆ 可在100℃以下的温度烧结(一般陶瓷基板在150℃以上)
◆ 机械强度大
EMI预防措施受限
由于小型Wi-Fi模块在尺寸上的限制，它在EMI预防措施上也受较多的限制，例如在基板的配置以及防电磁干扰金属铁盖的置放空间方面都有所局限。设计金属铁盖时，为避免增加模块高度，常需避开较高的元器件，使得其结构无法保持对称，造成正品率问题。
散热是设计重点
由于模块尺寸变小，其散热空间也相对不足，而且在狭窄的空间内，常常无法采取适当的散热措施，因此在PCB Layout及构装方式的设计上，就必须将散热方式纳入考量范围。
一个典型的FCOB(Flip Chip On Board)模式的散热路径及其热阻网络如图9所示，散热路径可简单分为两个部分：(1)芯片表面到外部环境的热对流及辐射；(2)芯片由Bump及Underfill传到基板，再传向客户端的PCB板，再通过基板与PCB板传至外部环境(辐射及对流)。
因此散热设计的重点在于如何将热量由发热器件有效地传递到客户端PCB板及系统端，在有限的空间中增加散热面积及机制。通常在设计阶段利用软件作热仿真，以寻求一个较好的散热方案(Thermal Design Guide)，仿真时环境温度可按ITRS规范设置为 50℃。图10是一个Wi-Fi模块热仿真的结果。
与其他无线通信装置共存
小型Wi-Fi模块的主要应用之一是双网手机，当几个不同的无线通信装置(移动电话、Wi-Fi模块、蓝牙模块)放入同一系统时，就必须考虑共存的问题。由于移动电话系统所使用的频段与Wi-Fi模块并不相同，而Wi-Fi模块与蓝牙模块使用相同的频段，因此必须注意两两之间的干扰问题(见图11)。
蓝牙技术使用跳频展频的方式，Bluetooth1.2规范增加了适应性跳频技术(Adaptive Frequency Hopping，AFH)，使其在跳频时可以避开其他系统正在使用的频段。另外，芯片厂商还利用时分双工(Time Division Duplex)方式以2wire或3wire机制保护蓝牙信号的传输(如图12)，指示蓝牙传送或接收的优先顺序，中断Wi-Fi模块的传输操作。因此在设计Wi-Fi/蓝牙组合模块时最好选择能支持Bluetooth1.2以上的芯片，并考虑两者的兼容性。
元器件重新封装
当选定的元器件封装后尺寸不符合需求时，也可将其晶圆重新利用Flip Chip、CSP或COB方式重新封装，由于以COB方式无法有效地节省面积，这里只比较Flip Chip及CSP，如图13。
工艺分析及可靠性试验
当模块设计和首批样品制作完成后，通常需进行工艺分析及可靠性试验，以使产品正品率迅速达到所需要求，图14为Flip Chip组装时常见的问题。
SiP模块由于使用较为复杂的封装技巧，因此在设计阶段可利用仿真其结构强度，针对结构较为脆弱的地方寻求补救之道。模块开发完成后，需作可靠性测试，目前业界并没有一共同的规范，一般均沿用IC封装规范。
SiP模块实现高效低成本
随着消费性电子产品的风行，个人手持式设备也将继续朝小型化方向发展，而移动电话也将集成越来越多的功能，包括照相、Mp3、蓝牙、Wi-Fi模块、GPS、WiMAX、无线USB以及数字电视接收模块(DVB-H、DMB)等。以目前半导体技术集成的进度及产业的分工情形来看，SiP无疑仍是最能兼顾成本与产品上市时间的方案。Wi-Fi SiP模块的设计不但须集成软件、RF/电路设计、封装设计、散热、EMI等各方面的技术，工艺上也需具备丰富经验。
信息电子产业发展至今，在产品生命周期越来越短的情况下，有效运用SiP模块，能以极具效率并兼顾成本的方式带给消费者更多功能的产品。
