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System on Module(SoM)設計指南:載板設計與 Chip-Down 比較

最初發布於 Sep 02, 2026, 更新於 Sep 02, 2026

6 分鐘

目錄
  • 什麼是 System on Module(SoM)?
  • System on Module vs Chip-Down 設計:真正的取捨
  • SoM vs SoC vs SBC
  • SoM 架構與載板的角色
  • System on Module 的主要優勢
  • System on Module 範例與應用
  • 如何設計可靠的 SoM 載板
  • 如何選擇合適的 System on Module
  • System on Module 常見問題
  • 結論

直接使用裸 System on Chip(SoC)設計客製化嵌入式硬體,通常需要面對高速記憶體佈線、RF 調校與電源時序等複雜問題,因此開發速度較慢、設計難度較高,風險也更大。System on Module(SoM)則可以繞過這些障礙。模組供應商會將核心運算子系統,包括 CPU、RAM、儲存裝置與 PMIC,整合到經過預先驗證的模組中,讓您可以將工程資源集中在客製化載板設計上。

本指南將說明什麼是 System on Module、什麼情況下 SoM 比 Chip-Down 設計更適合,以及如何從模組選擇、介面規劃、PCB 佈局一路到原型製造,設計一片可靠的 SoM 載板。

本指南將介紹:

  • 什麼是 System on Module(SoM),以及它與 Chip-Down 設計有何不同
  • 什麼情況下 SoM 是更合適的工程選擇
  • SoM 架構如何將核心模組與載板分開
  • SoM 載板的實際設計注意事項
  • 如何為產品選擇合適的 SoM

什麼是 System on Module(SoM)?

System on Module(SoM),也稱為 Computer on Module(CoM,電腦模組),是一種緊湊且可直接整合的電路板模組,將核心運算子系統,包括處理器或 SoC、RAM、Flash 儲存裝置、電源管理 IC(PMIC),以及經常包含的無線連線功能,整合到單一模組中。SoM 本身並不是可以獨立工作的完整產品,而是必須安裝在客製化載板(Carrier Board 或 Baseboard)上,才能連接外部裝置並構成完整的嵌入式系統。

SoM 中包含哪些元件?

典型 SoM 通常會整合:

  • SoC 或處理器:應用處理器,例如用於 Linux 的 ARM Cortex-A,或用於 RTOS 的 Cortex-M
  • RAM:LPDDR4、LPDDR4X 或 DDR4,已由模組供應商在模組 PCB 上完成佈線與驗證
  • Flash 儲存:用於作業系統與韌體的 eMMC 或 QSPI Flash
  • PMIC:電源管理 IC,負責模組內所有電源軌、電源時序與穩壓
  • 無線連線:許多型號整合 Wi-Fi、Bluetooth,有些甚至包含 LTE,並完成天線與 RF 前端匹配及預認證
  • 相關被動元件:由模組供應商在受控製造條件下配置所有高速去耦電容。對高速處理器而言,PCB 上旁路與去耦電容的正確設計與配置,是維持乾淨電源軌的重要條件

模組上的每一個元件與每一條走線,都會由模組供應商完成一次完整驗證。之後所有採用相同模組的產品,都能直接沿用這些驗證成果。

a system on module showing the application processor

圖:System on Module 示意圖,展示整合在單一 PCB 上的應用處理器、透過 DDR Bus 連接的 LPDDR4 RAM、eMMC Flash、PMIC,以及整合天線的 Wi-Fi/Bluetooth 模組。

System on Module vs Chip-Down 設計:真正的取捨

這是選擇 SoM 時最重要的問題。SoM 與 Chip-Down 都是合理的工程方案,真正適合哪一種,取決於產品數量、團隊技術能力以及開發時程。

什麼是 Chip-Down 設計?

Chip-Down 設計是將裸 SoC 以及所有支援元件,包括 RAM、Flash、PMIC、RF 前端、晶體振盪器與去耦網路,直接配置在產品 PCB 上。DDR 佈線、電源時序以及 RF 佈局都由您的團隊自行負責。這種方式可以實現完全客製化的電路板,但相對也需要更深入的工程技術以及更長的開發時間。

什麼情況下 System on Module 是更好的選擇?

對低至中等產量以及第一代硬體產品而言,SoM 通常在以下幾個方面具有明顯優勢:

  • DDR 記憶體佈線:LPDDR4/LPDDR4X 介面具有非常嚴格的時序裕量,並需要精確的等長佈線。PCB 疊構或佈局稍有變動,都可能讓原先驗證完成的時序失效。在 SoM 中,這些問題由模組供應商一次解決,再由所有載板設計重複使用。
  • 電源時序:如果違反處理器規定的上電順序,可能造成啟動失敗,某些情況甚至可能永久損壞裝置。SoM 會整合 PMIC 與時序邏輯,因此載板主要只需要提供乾淨且穩定的輸入電壓。
  • RF 與無線認證:設計 2.4 GHz 或 5 GHz RF 前端,需要完成天線匹配、SAR 法規測試以及 FCC/CE 實驗室測試,費用可能達到 10,000 至 40,000 美元,且可能需要數個月。採用已預認證的 SoM 無線子系統,可以大幅減少 RF 部分的設計與認證工作。
  • BSP 與軟體支援:SoM 供應商通常提供已驗證的 Linux BSP、即時作業系統 Kernel、Device Tree 與更新基礎架構。若採用 Chip-Down 設計,自行建立並長期維護相同等級的 BSP,通常需要持續投入專門的韌體工程資源。
  • 縮短上市時間:Ezurio 引用的一項研究指出,IoT 產品使用 SoM,相較於完全客製化設計,可縮短約 9 至 12 個月的開發時間。即使不採用這個特定數字,僅省去 DDR Bring-Up 與 RF 驗證,就可能減少一至三次 PCB 改版。

重要:模組的無線子系統取得預認證,並不代表最終產品不需要進行任何法規測試。完成組裝後的最終產品仍需要進行自己的 FCC/CE 測試,因為載板、外殼與線材都可能影響輻射發射。模組認證可以降低測試範圍與成本,但不能完全取代終端產品認證。

什麼情況適合採用 Chip-Down 設計?

  • 大量生產:當年產量達到約 50,000 至 100,000 台以上時,裸晶片相較於完整模組具有更低的單位 BOM 成本,可能逐漸抵消較高的 NRE。裸 SoC 的成本通常低於同時整合 RAM、Flash、PMIC 與 RF 電路的完整模組。
  • 極致尺寸或功耗最佳化:當每一立方毫米與每一毫瓦都非常重要,例如助聽器、植入式裝置或低於 1 W 的感測節點時,Chip-Down 方式能提供一般標準模組外形無法達到的整合密度。
  • 特殊硬體要求:如果產品需要抗輻射設計、超出商用 SoM 規格的溫度範圍,或需要整合客製化矽晶片,市場上可能沒有適合的 SoM。

快速選擇指南

如果您的產品需要…… 建議選擇
快速上市 SoM
無線認證 SoM
年產量 <50k SoM
最低 BOM 成本 Chip-Down
極致緊湊的外形 Chip-Down
團隊已有 DDR 設計經驗 Chip-Down

了解成本交叉點

成本交叉點是指將 NRE、BOM、認證、維護與工程時間等完整成本都納入考量後,Chip-Down 設計的單位成本開始低於 SoM 的生產數量。

  • Oxit(IoT 工程服務):認為損益平衡點「通常落在 50K 至 100K 台之間」。其 LoRa 案例中,在年產 100K 台時,Chip-Down 單位成本為 4.42 美元,而模組方案為 7.30 美元。
  • Avnet Silica:指出 Chip-Down「最適合大量銷售的產品,通常是年產量超過 50,000 台」。
  • Critical Link/Arm 開發者資料:如果將 NRE 攤提、持續維護成本以及 18 個月 ROI 週期納入考量,損益平衡點甚至可能低至「每年約 3,000 台」。

3,000 至 100,000 台之間如此巨大的差異,反映了真實產品條件的不同。具有複雜無線認證、大型 BSP 與小型工程團隊的產品,成本交叉點通常會往較高產量移動;如果產品連線功能簡單、已有成熟參考 BSP,而且團隊內部具有 DDR 佈局專家,交叉點則可能降低。

因此,成本交叉點並不是一個固定數字,而是取決於產品複雜度、認證範圍、內部技術能力、NRE 預算,以及如何計算工程時間成本。

因素 SoM Chip-Down
NRE 成本 較低,DDR、RF 與 PMIC 由模組供應商處理 較高,需要完整 PCB 設計、RF 佈局與 BSP
單位 BOM 成本 較高,因為模組已整合多項元件 較低,裸晶片本身成本較低
PCB 複雜度 4–6 層(載板) 8–12+ 層(DDR + RF)
取得第一版硬體的時間 數週至數月 通常 6–18 個月
DDR 佈局專業能力 不需要 需要
RF 設計專業能力 不需要(使用預認證無線模組時) 需要
無線認證成本 較低,可利用模組認證 需要完整 FCC/CE 實驗室測試
產量損益平衡點 年產量低於 50k–100k 時通常較有優勢 年產量高於 50k–100k 時通常較有優勢
BSP 維護 供應商持續提供更新 由內部團隊或外包廠商負責

SoM vs SoC vs SBC

在設計客製化嵌入式產品時,需要清楚區分單一矽晶片、整合式模組以及完整單板電腦。這些類型經常被混淆,但在產品開發週期中扮演的是完全不同的角色。

特性 SoC SoM SBC Chip-Down
是什麼 單一矽晶片 小型 PCB 上整合 SoC + RAM/Flash/PMIC 具有完整 I/O 連接埠的電腦 直接使用裸晶片設計的完全客製化 PCB
能否直接使用 否,只是一顆元件 否,需要載板 可以,開箱即可使用 否,需要完整產品開發流程
客製化能力 無,它本身只是一顆元件 高,可搭配客製化載板 較低,I/O 佈局固定 完全客製化,每個元件皆可自行選擇
設計風險 非常高 低至中等 最低 最高
PCB 複雜度 高,通常 8–12+ 層 中等,載板約 4–6 層 N/A 高,通常 8–12+ 層
最適合的產品數量 非常大量 低至中量 原型/業餘專案 大量(年產 50k+)
認證負擔 需要完整 FCC/CE 若無線功能預認證則可降低 不適合作為直接嵌入產品的比較 需要完整 FCC/CE
範例 NXP i.MX 8M Plus Toradex Verdin、Raspberry Pi CM5 Raspberry Pi 5 客製化 IoT Gateway 主機板

Raspberry Pi 是 System on Module 嗎?

標準版 Raspberry Pi 5 是單板電腦(Single-Board Computer,SBC),具有 USB、HDMI、Ethernet 與 GPIO 接頭,開箱後即可獨立運作,因此並不是 SoM。

相對地,Raspberry Pi Compute Module 4 與 CM5 才是真正的 SoM。它們移除標準連接器,再透過高密度板對板連接器將 BCM 處理器與記憶體等訊號引出,必須搭配客製化載板才能正常運作。

SoM 與 SBC 有什麼差異?

SBC 是一台具有固定 I/O 配置、可以獨立工作的完整電腦。SoM 則沒有一般產品所需的標準連接器,本身無法獨立運作;它需要安裝到由您的團隊設計的載板上,因此能讓您完全控制產品的實體尺寸與外部 I/O。

SoM 架構與載板的角色

什麼是載板?

載板(Carrier Board)是一片用來安裝 System on Module 的客製化 PCB。它負責提供電源輸入、周邊連接器,例如 USB、Ethernet、HDMI、Camera 與 GPIO,以及產品所需的特定應用電路。SoM 負責複雜的高速運算子系統,載板則負責產品特定的 I/O。

哪些元件留在 SoM 上?

所有需要高速阻抗控制佈線或特殊 RF 設計的元件,通常會留在模組上:

  • CPU/SoC 以及內部電源域
  • DDR 記憶體(LPDDR4/LPDDR4X),並完成完整時序與等長控制
  • eMMC Flash
  • PMIC 與開機電源時序邏輯
  • Wi-Fi/BT 模組以及已匹配的天線(無線版本)
  • 晶體振盪器與 PLL
  • 盲孔與埋孔,支援緊湊模組中的高密度佈線

這些設計會由模組供應商針對溫度、電壓與 EMC 完成一次完整驗證。後續使用該模組的每一片載板,都可以直接沿用這項驗證,而不需要重新設計核心運算區域。

哪些電路放在載板上?

載板主要負責應用特定的 I/O 與電源輸入:

  • 具有反接、過壓與浪湧電流限制保護的電源輸入接頭
  • 提供 SoM 輸入電壓的 DC/DC 穩壓電路
  • USB Host/Device 連接器
  • HDMI、DSI 或 LVDS 顯示輸出
  • Ethernet PHY 與 RJ45(如果模組本身沒有整合)
  • Camera 連接器(MIPI CSI-2
  • 工業介面,例如 CAN Bus、RS-485、RS-232
  • 感測器連接器與 ADC 輸入
  • 具有備用電池的即時時鐘
  • 產品特有的其他 I/O

由於高速複雜度主要集中在 SoM 上,因此載板通常只需要 4–6 層,一般 PCB 製造廠就可以進行生產。相較之下,整合 DDR 記憶體的 Chip-Down 設計通常需要 8–12 層、HDI 疊構以及更嚴格的阻抗控制。

常見的 SoM 連接器類型

SoM 與載板之間的機械介面會影響耐用性、升級能力以及成本:

  • 板對板(Mezzanine)連接器:例如 Hirose DF40。Raspberry Pi CM4 與 CM5 都使用兩組 100 Pin 高密度連接器。可插拔、更換,也方便現場升級。
  • SO-DIMM 邊緣連接器:外形與筆記型電腦 RAM 類似。Toradex Verdin 採用 DDR4 SO-DIMM Edge Connector;NVIDIA Jetson Orin Nano 使用 260 Pin SO-DIMM。耐用、具成本效益,而且不需要焊接即可更換模組。
  • 半孔/直接焊接(Castellated Edge / Solder-Down):透過半孔直接焊接到載板焊墊。ESP32-WROOM 模組就採用這種方式。高度最低、耐振動能力高,但無法現場直接更換。
  • LGA 直接焊接:模組底部使用 Land Grid Array 焊墊直接回流焊接至載板。OSM 標準模組常採用此方式。尺寸非常緊湊,但屬於永久性安裝。

取捨:插座式連接器可以方便更換與升級,但會增加高度與連接器成本;直接焊接方式最耐振動且尺寸最緊湊,但安裝後無法方便更換。

載板設計流程

典型的 SoM 產品開發週期會按照結構化流程進行,設計重點會從處理器本身轉向整體系統整合:

  1. 定義處理器與介面需求。
  2. 選擇相容的 SoM 系列。
  3. 規劃連接器位置與機構設計。
  4. 設計載板電源樹。
  5. 佈線高速介面。
  6. 驗證訊號完整性與電源完整性。
  7. 製作原型並進行驗證。
  8. 準備法規測試與正式生產。

architecture diagram showing a system on module

圖:System on Module 架構示意圖,展示 SoM 如何透過板對板、SO-DIMM 或半孔連接方式與應用特定載板連接。

System on Module 的主要優勢

縮短產品上市時間

SoM 可以省去最容易反覆修改與失敗的設計階段。Ezurio 對 IoT 產品所引用的9 至 12 個月開發時程縮短,主要來自省去 DDR 佈局改版、記憶體子系統驗證以及 BSP 移植等工作,而這些工作原本往往都會阻礙第一版硬體進度。

降低硬體設計風險

LPDDR4 與 LPDDR4X 佈線具有非常嚴格的時序裕量,並需要精確的等長控制。Chip-Down PCB 只要更換疊構或修改佈局,就可能讓原本的時序驗證失效。RF 前端還需要處理天線匹配、Keep-Out 區域以及 SAR 法規問題。在 SoM 中,這些項目都會在模組出貨之前由供應商完成驗證。

載板主要處理相對較低速的訊號,例如 USB 2.0 的 90 Ω 差分阻抗、HDMI 的 100 Ω 差分阻抗,以及只有數 MHz 的 I2C,因此第一版 PCB 成功的機率通常更高。進行載板高速佈線時,仍應遵循阻抗控制與連續回流路徑等設計原則,以避免傳輸線上的反射與訊號衰減。

降低認證難度

已取得預認證的無線模組,通常具有 RF 子系統的 FCC 與 CE 模組認證。這代表天線、RF 前端以及無線通訊協定堆疊,都已經在認證實驗室中完成相關測試。

重要:這並不表示最終產品完全不需要進行法規測試。載板、外殼以及線材都可能影響輻射發射,因此完成的產品仍需要進行自己的 FCC/CE 測試。模組化認證的作用是降低測試範圍與成本,而不是取代最終產品測試。

長期供貨能力

工業用 SoM 通常提供 10 至 15 年的供貨承諾。Compulab 保證 15 年生產週期,而 Toradex Verdin 系列則承諾至少供貨至 2036 年。當處理器進入 EOL 時,如果同系列具有 Pin-Compatible 的升級模組,工程團隊就能升級運算性能,而不需要重新設計載板。

建立可擴充的產品系列

同一顆 SoM 可以應用於多種不同產品。例如低成本載板與高效能載板,都可以使用相同的 Raspberry Pi CM5 或 Toradex Verdin 模組。修改載板並不需要重新驗證核心運算子系統,因為原本的模組驗證結果仍可以繼續沿用。

優勢 可以避免的工作 實際影響
縮短上市時間 DDR 佈線、記憶體 Bring-Up、BSP 移植 最多可節省 9–12 個月(Ezurio 引用資料)
降低硬體風險 DDR PCB 改版失敗、RF 重複修改 提高第一版 PCB 成功率
降低認證難度 完整 RF 實驗室測試範圍 降低 FCC/CE 成本與時間
長期供貨 SoC EOL 導致產品中斷 常見10–15 年模組供貨週期
可擴充產品系列 不同產品都重新設計整個系統 不同產品使用不同載板,但共用同一模組
簡化載板 PCB 8–12 層 HDI 設計需求 4–6 層載板即可使用標準製程

System on Module 範例與應用

常見的 System on Module 應用

雖然某些運算子系統會使用完全客製化的 Chip-Down 技術,但在許多要求較高的硬體領域中,專用 System on Module 已經成為常見方案:

  • 工業自動化:人機介面(HMI)、強固型可程式邏輯控制器(PLC)以及工業閘道器,會利用工業 ARM 模組的長期供貨與寬工作溫度範圍。
  • 醫療設備:診斷影像設備、臨床呼吸器以及可攜式生理監測設備,可以利用預先驗證的 SoM 硬體,簡化嚴格的醫療法規認證流程。
  • 機器人:自動導引車(AGV)與協作型機械手臂,會使用整合 GPU 或 NPU 的模組,處理複雜定位以及即時路徑規劃。
  • IoT Gateway:車隊管理追蹤器與電網監測設備,可以結合低功耗微控制器以及已預認證的行動通訊與 Wi-Fi 模組。
  • 邊緣 AI:智慧零售攝影機與預測性維護系統,可以利用高效能神經網路處理模組,直接在現場執行影像分類與物件偵測模型。
  • 交通運輸系統:商用卡車中的資訊娛樂系統與數位儀表板,常使用插拔式或焊接式 SoM,因為這類模組通常能承受長時間振動以及熱循環。

ESP32 模組:模組化嵌入式設計的入門範例

ESP32-WROOM-32 是入門級模組化設計中非常典型的產品。它是一款高度整合的無線微控制器模組,在約 18 × 20 mm 的 Footprint 中整合 ESP32 SoC、Flash、高頻晶體以及經過匹配的 RF 前端。

設計人員採用這種模組,可以避免高頻 RF 走線與天線匹配所帶來的佈局挑戰。如果您希望進一步了解客製化 RF 實作以及進階無線整合,可以參考 JLCPCB 的如何設計 ESP32-S2 模組 PCB指南,了解相關架構與走線設計重點。

Raspberry Pi Compute Module 5

Compute Module 5(CM5)將 Raspberry Pi 5 單板電腦的主要運算能力整合至約 55 × 40 mm、未屏蔽的模組外形中。設計人員可以利用 CM5,快速將既有軟體原型轉化為商業化且空間受限的產品,同時沿用 Raspberry Pi 龐大的開源軟體生態系以及長期供貨承諾。

工業 ARM SoM:Toradex Verdin

Toradex Verdin主要針對工廠自動化、關鍵醫療系統以及運輸物流等嚴苛環境設計。它採用 NXP i.MX 8M Plus 處理器,並在不同效能級別之間提供 Pin-Compatible 的模組外形,因此工程團隊可以直接更換模組,而不需要修改載板佈局。對需要連續運作超過十年的硬體而言,這種架構具有明顯優勢。

NVIDIA Jetson:邊緣 AI

NVIDIA Jetson Orin Nano主要針對邊緣 AI、機器人以及電腦視覺應用。它將多核心 ARM 處理器與 Ampere 架構 GPU 整合在一起,在邊緣端可提供最高約 67 TOPS 的機器學習運算能力。硬體工程師使用這類模組,可以避開多通道 LPDDR5 記憶體陣列與多組電源軌所帶來的複雜佈線問題。

模組 核心 SoC RAM 連接方式 最適合應用
ESP32-WROOM-32 Dual Xtensa LX6 @ 240 MHz 520 KB SRAM + 4 MB Flash 38 Pin 半孔直接焊接 Wi-Fi/BT IoT、從業餘專案到正式產品
ESP32-S3-WROOM-1 Dual Xtensa LX7 @ 240 MHz 512 KB SRAM + 8 MB Flash 半孔直接焊接 BLE 5.0、AI 指令、Wi-Fi
Raspberry Pi CM5 BCM2712(4× Cortex-A76 @ 2.4 GHz) 2/4/8/16 GB LPDDR4X 兩組 100 Pin 板對板連接器 中階 Linux 產品
Toradex Verdin iMX8M Plus NXP i.MX 8M Plus(4× Cortex-A53) LPDDR4、2.3 TOPS NPU DDR4 SO-DIMM 邊緣連接器 工業、視覺、Industry 4.0
NVIDIA Jetson Orin Nano 6× Cortex-A78AE + Ampere GPU 4/8 GB LPDDR5 260 Pin SO-DIMM 邊緣 AI、機器人、電腦視覺

castellated mezzanine so dimm card edge system on modules

圖:比較半孔式、Mezzanine 板對板以及 SO-DIMM 邊緣連接式 System on Module 的實體安裝方式、空間需求與連接介面。

如何設計可靠的 SoM 載板

載板規劃檢查清單

在開啟原理圖設計工具之前,可以先利用以下檢查清單整理載板的主要限制條件。越早回答這些問題,就越能避免在設計中途進行成本高昂的架構修改。

設計項目 需要確認的問題
處理器 所選 SoM 系列是否具有足夠的運算性能裕量與散熱空間,可以執行您的軟體?
介面 是否已明確規劃需要多少高速 USB、HDMI、PCIe 與 CAN 通道?
電源 輸入電壓是多少,例如 12V DC?電源樹是否可以在負載下提供足夠的峰值電流?
散熱 模組是否需要被動式均熱板、主動散熱器,或直接與機殼進行熱耦合?
連接器 是否需要使用可插拔 SO-DIMM 或 Mezzanine 板對板連接器,以方便現場升級?
製造 PCB 佈局是否相容於標準多層板疊構?是否已確認 SMT 元件採購方案?

a system on module carrier board

圖:System on Module 載板,展示 SoM 連接器、電源電路以及高速介面的配置位置。

電源架構

載板負責為 SoM 供電,因此電源輸入端必須具有足夠的可靠度:

  • 輸入保護:使用反向極性保護二極體或理想二極體控制器;利用 TVS 或壓敏電阻進行暫態抑制;使用 NTC 熱敏電阻或主動式 Soft-Start 電路進行浪湧電流限制
  • EMI 濾波:在穩壓器輸入端之前配置共模扼流圈與差模電容
  • 穩壓:使用 LDO 或 DC/DC 轉換器產生 SoM 所需的輸入電源軌,通常為 3.3 V 或 5 V,但應以模組資料表為準。同時確認 PSRR 與輸出雜訊規格,因為部分 SoM 對輸入紋波較為敏感

大多數 SoM 載板都可以使用標準 PCB 製程,因此非常適合快速 PCB 製造與 SMT 組裝服務。

電源時序注意事項

重要警告:如果違反處理器規定的上電時序,可能造成啟動失敗,某些情況甚至可能造成永久性元件損壞。務必按照模組資料表中的上電時序圖設計,不要自行猜測。

載板電源樹可以遵循以下原則:

  • 使用模組的 POWER_GOOD 輸出以及 RESET_IN# 訊號控制載板端周邊裝置
  • 只有在 SoM 輸出 Ready 訊號後,才為 USB Hub、顯示控制器以及其他載板周邊裝置供電
  • 在 SoM 電源軌加入適當的大容量電容,避免浪湧電流造成電壓下降,並依資料表確認最低 Hold-Up Time

訊號完整性與高速介面

雖然載板處理的訊號速度通常低於 Chip-Down PCB,但部分介面仍需要進行阻抗控制:

  • USB 2.0 差分對:90 Ω 差分阻抗(45 Ω 單端),需要等長、避免 Stub,並盡量減少差分對中的 Via
  • USB 3.0 SuperSpeed 差分對:90 Ω 差分阻抗,按照 USB-IF 規範配置 AC 耦合電容,並盡量減少換層
  • HDMI/DSI:100 Ω 差分阻抗;差分對保持緊密耦合,並遠離切換式穩壓器
  • Gigabit Ethernet:100 Ω 差分阻抗;磁性元件應靠近 RJ45 連接器,而不是靠近 SoM
  • PCIe(如有使用):85 Ω 差分阻抗;可利用 Backdrill 減少 Via Stub,或盡可能避免換層

所有高速走線下方都應保持連續參考平面。不要讓高速訊號跨越電源或接地平面的分割區域,並盡量縮短回流電流路徑。

PCB 層數考量

SoM 載板所需層數通常明顯少於需要 8 至 12 層的 Chip-Down 設計。一般可以按照以下方式規劃:

  • 4 層:適合 USB 2.0、I2C、SPI、UART,而且沒有 PCIe。典型疊構為 Signal/Ground/Power/Signal。
  • 6 層:如果包含 PCIe、USB 3.0、HDMI 或多個電源域,建議使用 6 層,可以提供更完整的參考平面與電源分配。
  • 8 層以上:一般載板很少需要,通常只有 PCIe Gen3+、多組 10 GbE 或非常高密度 I/O 才需要。
設計複雜度 建議 PCB 層數
USB、UART、SPI 4
HDMI、USB 3.0 6
PCIe Gen3 6–8
多組 10GbE 8+

表:典型 SoM 載板層數建議

高密度多層載板通常高度依賴表面黏著技術。了解表面黏著(SMT)與通孔(THT)的主要差異,有助於最佳化元件配置、佈線密度以及 SMT 鋼網設計,降低後續組裝問題。

使用參考設計

設計 SoM 載板時,建議從模組供應商提供的參考設計開始,而不是從空白原理圖自行建立:

  • Raspberry Pi:官方 Raspberry Pi GitHub 提供開源 CM4 與 CM5 IO Board KiCad 設計檔,包括原理圖、PCB Layout 與 BOM
  • Toradex:提供 Verdin 系列載板規格文件以及參考原理圖
  • NVIDIA:提供 Jetson Orin Nano 載板設計指南、參考原理圖以及 OrCAD/Allegro 參考佈局

以參考設計為基礎,可以在製作第一片 PCB 之前,就避開已知問題,例如電源軌電壓公差、Reset Timing 與 MIPI 終端配置。設計驗證完成後,可以利用少量組裝原型,讓硬體與韌體團隊立即開始 Bring-Up。

以經過驗證的參考設計為基礎建立的載板,通常遵循標準多層 PCB 設計規則,也更容易完成製造與組裝。JLCPCB 支援 4 至 16 層 PCB 製造以及完整的PCB 組裝服務

可製造性設計(DFM)與可測試性設計(DFT)

針對自動化組裝與功能測試最佳化載板,可以提升正式生產時的良率。PCB 佈局時可以優先注意以下事項:

  • 提供 Fiducial 基準點,供 SMT 貼裝設備進行定位
  • 在連接器周圍保留足夠間距,避免干涉 Pick-and-Place 吸嘴
  • 將 SWD/UART 測試焊墊配置在同一面,方便使用 Bed-of-Nails 測試治具
  • 確保燒錄介面仍可存取,讓完成組裝後仍能存取 Flash 與 Bootloader

使用專業 PCB 組裝服務,可以讓硬體原型與少量 PCB 組裝直接以完整組裝狀態交付,讓韌體團隊能立即開始系統 Bring-Up。

對準備正式生產的 SoM 載板而言,PCB 製造、鋼網製作、元件採購以及 SMT 組裝都可以使用同一套經過驗證的設計檔案,藉此提高生產良率並維持不同批次之間的一致性。

認證檢查清單

在正式進行法規認證測試之前,可以先執行量產前檢查,以確認基本系統穩定度:

量產前檢查 目標驗證項目
確認電源軌 在實際負載下驗證各電源軌。
USB 測試 進行 Eye Diagram 眼圖量測。
Ethernet 測試 驗證 Link 與資料傳輸效能。
散熱驗證 確認實際熱性能。
EMC 預掃描 執行 EMC Pre-Scan。
RF 天線間距 確認天線 Keep-Out 與周圍間距。
燒錄介面 確認量產後仍可進行程式燒錄。

表:量產前檢查矩陣,列出電氣、熱性能與法規驗證階段應確認的主要項目。

如何選擇合適的 System on Module

一旦選定某個 SoM 系列,載板 Pinout、BSP 以及產品未來的升級路徑,都可能在整個產品生命週期中受到影響。因此,在開始第一條走線之前,應先評估以下條件。

處理器性能

應根據實際應用工作負載選擇處理器級別:

  • 微控制器級(Cortex-M):即時控制、感測器資料擷取、簡單 BLE/Wi-Fi IoT,例如 ESP32、STM32 類 SoM
  • 應用處理器(Cortex-A):Linux 應用、UI、Camera 與網路功能,例如 Raspberry Pi CM5、Toradex Verdin、Variscite VAR-SOM
  • AI 加速型(Cortex-A + NPU/GPU):電腦視覺、深度學習推論以及機器人,例如 NVIDIA Jetson Orin、Toradex Verdin iMX8M Plus

不要過度配置。對大多數 Sensor-to-Cloud IoT 工作而言,ESP32 模組就能以遠低於 Linux 級 SoM 的成本與功耗完成需求。如果只是執行簡單的 MQTT Relay,使用 Jetson 反而會浪費功耗、BOM 成本以及散熱裕量。

連線介面需求

在開始載板佈線之前,應先確認模組是否提供所有需要的介面:

  • 行動通訊(LTE/5G):多數 SoM 不會內建 Modem,因此需要規劃透過 USB 或 PCIe 連接外部 Modem
  • Wi-Fi 6/Bluetooth 5.x:確認實際 SKU 是否包含無線功能,因為許多 SoM 同時提供有線版與無線版
  • Gigabit Ethernet:部分 SoM 已整合 GbE PHY,另一些則只提供 RGMII,需要在載板上外接 PHY
  • USB 3.0/PCIe:仔細確認 Lane 數量,部分模組的通道可能是共享使用,無法同時啟用

如果載板 Layout 完成後才發現介面假設錯誤,通常就意味著需要一次成本不低的 PCB 改版。

產品生命週期與支援

對商業產品而言,生命週期通常比最高性能規格更加重要:

  • 確認供應商承諾的最低生產年限,工業產品建議至少 10 年以上
  • 確認同一連接器系列是否提供 Pin-Compatible 升級路徑
  • 確認 OS 支援,例如 Linux Mainline 或供應商 BSP,是否持續取得安全性更新
  • 確認供應商是否提供硬體維修或更換服務

軟體生態系與 BSP 品質

如果 BSP 品質很差,一款 SoM 甚至可能比 Chip-Down 更難使用。評估時應注意:

  • BSP 是否建立在較新的 Mainline Linux LTS Kernel 上?
  • Camera、Display、CAN、USB 等所有周邊的 Driver 是否完整,而且仍持續維護?
  • 是否具有活躍的社群或供應商支援,例如 Forum、Ticket System,以及完整技術文件?
  • 供應商是否提供 OTA 更新框架,還是需要團隊自行建立?
評估條件 選型之前需要回答的問題
處理器級別 Cortex-M(RTOS)、Cortex-A(Linux)還是支援 NPU 的 AI 平台?
必要介面 USB 3.0/PCIe/GbE PHY/MIPI CSI/CAN 是否由模組原生提供?
記憶體 RAM 與 Flash 是否足以容納 OS、應用程式與 OTA 更新緩衝區?
無線功能 是否需要 Wi-Fi/BT 型號?該 SKU 是否具有 FCC/CE 模組認證?
生命週期 官方承諾的供貨年限是多少?同系列是否提供 Pin-Compatible 升級?
BSP 品質 是否基於 Mainline Linux Kernel?是否持續維護?是否支援 OTA?
連接器類型 SO-DIMM/板對板/半孔式是否符合產品尺寸與耐用度需求?
供應商支援 技術文件完整度、Forum 活躍度以及硬體維修方案如何?
目標產量 年產量低於還是高於約 50k–100k 的 Chip-Down 成本交叉點?
認證 如果需要無線功能,是否具有預認證?供應商是否具有良好法規認證紀錄?

System on Module 常見問題

問:什麼是 System on Module?

System on Module(SoM)是一種緊湊且可直接整合的電路板模組,將處理器、RAM、儲存裝置以及 PMIC 等核心運算子系統整合在單一模組中。它並不是獨立電腦,而是必須安裝到針對特定應用設計的載板上才能正常工作。

問:什麼是載板?

載板(Carrier Board)是一片專門用來安裝 System on Module 的客製化基板。它負責接收輸入電源、配置 USB、HDMI、Ethernet 等外部 I/O 連接器,並提供最終產品所需的其他周邊電路。

問:Raspberry Pi 是 System on Module 嗎?

標準 Raspberry Pi,例如 Raspberry Pi 5,是可以獨立使用的單板電腦(SBC)。不過,Raspberry Pi Compute Module 系列,例如 CM4 與 CM5,則是真正的 SoM,專門設計成安裝到客製化載板上使用。

問:SoM 是否比客製化 PCB 更昂貴?

單純比較單位 BOM 成本時,SoM 通常比裸晶片昂貴;但在低至中等產量下,SoM 的整體成本往往更低。因為它可以節省大量前期工程開發時間(NRE)、無線法規認證費用,以及多次 PCB 改版成本,因此通常可以抵消模組本身較高的單價。

結論

System on Module(SoM)可以將高速記憶體佈線與 RF 驗證等複雜但已經被解決的運算子系統問題,從產品設計中移除。雖然 Chip-Down 設計更適合年產量超過約 50,000 至 100,000 台的大量生產產品,以降低 BOM 成本,但對低至中等產量而言,SoM 可以大幅縮短上市時間並降低硬體風險。真正能創造產品差異化的功能通常位於客製化載板,因此採用 SoM 可以讓工程資源更集中在產品本身的獨特功能上。

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