进阶DIYer必读 浅谈芯片的封装技术

很多关注电脑核心配件发展的朋友都会注意到，一般新的CPU内存以及芯片组出现时都会强调其采用新的封装形式，不过很多人对封装并不了解。其实，所谓封装就是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能的作用，而且芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此它是至关重要的。 因此，封装对CPU以及其他芯片都有着重要的作用。
封装时主要考虑的因素：
芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近1：1。
引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能。
基于散热的要求，封装越薄越好。
下面，就让我们通过图例，来了解一下一些比较有代表性的封装的具体情况吧。
一.CPU的封装方式
CPU封装是CPU生产过程中的最后一道工序，封装是采用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施，一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计，从大的分类来看通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA(栅格阵列)方式封装，而采用Slot x槽安装的CPU则全部采用SEC(单边接插盒)的形式封装。现在还有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封装技术。由于市场竞争日益激烈，目前CPU封装技术的发展方向以节约成本为主。下面我们就一起来看看几种有代表性的CPU封装方式。
1.早期CPU封装方式


CPU封装方式可追朔到8088时代，这一代的CPU采用的是DIP双列直插式封装。DIP(DualIn－line Package)是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。这种封装适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便，但芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。DIP封装结构形式有：多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式）等。


而80286，80386CPU则采用了QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装。QFP（Plastic Quad Flat Package）封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。而相似的PFP（Plastic Flat Package）方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。QFP/PFP封装适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线以及高频使用，可靠性较高，封装面积也比较小。
2.PGA(Pin Grid Array)引脚网格阵列封装


PGA封装也叫插针网格阵列封装技术（Ceramic Pin Grid Arrau Package），目前CPU的封装方式基本上是采用PGA封装，在芯片下方围着多层方阵形的插针，每个方阵形插针是沿芯片的四周，间隔一定距离进行排列的，根据管脚数目的多少，可以围成2～5圈。它的引脚看上去呈针状，是用插件的方式和电路板相结合。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。PGA封装具有插拔操作更方便，可靠性高的优点，缺点是耗电量较大。从486的芯片开始，出现的一种ZIF(Zero Insertion Force Socket，零插拔力的插座）的CPU插座，使用该封装技术的CPU可以很容易、轻松地插入插座中，然后将搬手压回原处，利用插座本身的特殊结构产生的挤压力，将CPU的管脚与插座牢牢的接触，绝对不会存在接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的搬手轻轻抬起，则压力解除，CPU芯片即可轻松取出。 专门用来安装和拆卸PGA封装的CPU。


PGA也衍生出多种封装方式，比较常见的有以下几种：
（1）OPGA（Organic pin grid Array，有机管脚阵列）：这种封装的基底使用的是玻璃纤维，类似印刷电路板上的材料。 此种封装方式可以降低阻抗和封装成本。OPGA封装拉近了外部电容和处理器内核的距离，可以更好地改善内核供电和过滤电流杂波。AMD公司的AthlonXP系列CPU大多使用此类封装。
（2）mPGA：微型PGA封装，目前只有AMD公司的Athlon 64和英特尔公司的Xeon（至强）系列CPU等少数产品所采用，而且多是些高端产品，是种先进的封装形式。

（3）CPGA：也就是常说的陶瓷封装，全称为Ceramic PGA。主要在Thunderbird（雷鸟）核心和“Palomino”核心的Athlon处理器上采用。
（4）FC-PGA封装是反转芯片针脚栅格阵列的缩写，这种封装中有针脚插入插座。这些芯片被反转，以至片模或构成计算机芯片的处理器部分被暴露在处理器的上部。通过将片模暴露出来，使热量解决方案可直接用到片模上，这样就能实现更有效的芯片冷却。为了通过隔绝电源信号和接地信号来提高封装的性能，FC-PGA 处理器在处理器的底部的电容放置区域（处理器中心）安有离散电容和电阻。芯片底部的针脚是锯齿形排列的。此外，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式插入插座。FC-PGA 封装用于奔腾 III 和英特尔 赛扬 处理器，它们都使用 370 针。
（5）FC-PGA2 ：FC-PGA2封装与 FC-PGA 封装类型很相似，除了这些处理器还具有集成式散热器 (IHS)。集成式散热器是在生产时直接安装到处理器片上的。由于 IHS 与片模有很好的热接触并且提供了更大的表面积以更好地发散热量，所以它显著地增加了热传导。FC-PGA2 封装用于奔腾 III 和英特尔赛扬处理器（370 针）和奔腾 4 处理器（478 针）。
（6）PPGA：PPGA的英文全称为“Plastic Pin Grid Array”，是塑针栅格阵列的缩写，这些处理器具有插入插座的针脚。为了提高热传导性，PPGA 在处理器的顶部使用了镀镍铜质散热器。芯片底部的针脚是锯齿形排列的。此外，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式插入插座。
3.S．E．E．C．（单边接插卡盒）封装


S.E.C.C：SEEC是Single Edge Contact Cartridge缩写，是单边接触卡盒的缩写。为了与主板连接，处理器被插入一个插槽。它不使用针脚，而是使用“金手指”触点，处理器使用这些触点来传递信号。S.E.C.C. 被一个金属壳覆盖，这个壳覆盖了整个卡盒组件的顶端。卡盒的背面是一个热材料镀层，充当了散热器。S.E.C.C. 内部，大多数处理器有一个被称为基体的印刷电路板连接起处理器、二级高速缓存和总线终止电路。S.E.C.C. 封装用于有 242 个触点的英特尔奔腾II 处理器和有 330 个触点的奔腾II 至强和奔腾 III 至强处理器。
4.S．E．E．C．2封装
S.E.C.C.2 封装与 S.E.C.C. 封装相似，除了S.E.C.C.2 使用更少的保护性包装并且不含有导热镀层。S.E.C.C.2 封装用于一些较晚版本的奔腾II 处理器和奔腾 III 处理器（242 触点）。
5.新封装技术


BGA封装比QFP先进，更比PGA好，但它的芯片面积／封装面积的比值仍很低。Tessera公司在BGA基础上做丁改进，研制出另一种称为μBGA的封装技术，按0．5mm焊区中心距，芯片面积／封装面积的比为1：4，比BGA前进了一大步。Celeron（赛扬）移动CPU通常采用“μPGA”和“μBGA”封装方式。

日本三菱电气研究的一种芯片面积／封装面积=1：1．1的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP(Chip Size Package或Chip Scale Package)。CSP封装满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要，解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题，而且封装面积缩小到BGA的1／4至1／10，延迟时间缩小到极短。
二.内存芯片封装方式
内存颗粒的封装方式最常见的有SOJ、TSOP II、Tiny-BGA、BLP、μBGA等封装，而未来趋势则将向CSP发展。
1.SOJ（Small Out-Line J-Lead）小尺寸J形引脚封装

SOJ封装方式是指内存芯片的两边有一排小的J形引脚，直接黏着在印刷电路板的表面上。它是一种表面装配的打孔封装技术，针脚的形状就像字母"J"，由此而得名。SOJ封装一般应用在EDO DRAM。
2.Tiny-BGA（Tiny Ball Grid Array）小型球栅阵列封装
TinyBGA英文全称为Tiny Ball Grid Array（小型球栅阵列封装），属于是BGA封装技术的一个分支。是Kingmax公司于1998年8月开发成功的，其芯片面积与封装面积之比不小于1:1.14，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高2～3倍，与TSOP封装产品相比，其具有更小的体积、更好的散热性能和电性能。采用TinyBGA封装技术的内存产品在相同容量情况下体积只有TSOP封装的1/3。TSOP封装内存的引脚是由芯片四周引出的，而TinyBGA则是由芯片中心方向引出。这种方式有效地缩短了信号的传导距离，信号传输线的长度仅是传统的TSOP技术的1/4，因此信号的衰减也随之减少。这样不仅大幅提升了芯片的抗干扰、抗噪性能，而且提高了电性能。采用TinyBGA封装芯片可抗高达300MHz的外频，而采用传统TSOP封装技术最高只可抗150MHz的外频。TinyBGA封装的内存其厚度也更薄（封装高度小于0.8mm），从金属基板到散热体的有效散热路径仅有0.36mm。因此，TinyBGA内存拥有更高的热传导效率，非常适用于长时间运行的系统，稳定性极佳。
3.BLP（Bottom Lead PacKage）底部引交封装


樵风（ALUKA）金条的内存颗粒采用特殊的BLP封装方式，该封装技术在传统封装技术的基础上采用一种逆向电路，由底部直接伸出引脚，其优点就是能节省约90%电路，使封装尺寸电阻及芯片表面温度大幅下降。和传统的TSOP封装的内存颗粒相比，其芯片面积与填充装面积之比大于1：1.1，明显要小很多，不仅高度和面积极小，而且电气特性得到了进一步的提高，制造成本也不高，BLP封装与KINGMAX的TINY-BGA封装比较相似，BLP的封装技术使得电阻值大幅下降，芯片温度也大幅下降，可稳定工作的频率更高。
4.SIMM（single in-line memory module）单内置内存模型


SIMM模块包括了一个或多个RAM芯片，这些芯片在一块小的集成电路板上，利用电路板上的引脚与计算机的主板相连接。因为用户需要对内存进行扩展，只需要加入一些新的SIMM就可以了。SIMM根据内存颗粒分布可以分为单面内存和双面内存，一般的容量为1、4、16MB的SIMM内存都是单面的，更大的容量的SIMM内存是双面的。30线SIMM内存条出现较早，根据当时的技术需要，只支持8位的数据传输，如要支持32位就必须要有四条30线SIMM内存条。这种内存条多用在386或早期的486主板上。72线SIMM内存条可支持32位的数据传输，在586主板基本上都提供的是72线SIMM内存插槽。需要注意的是，Pentium处理器的数据传输是64位的，现在采用Intel的Triton或Triton Ⅱ芯片组的586主板需要成对的使用这种内存条；而采用SIS芯片组的586主板由于SIS芯片采用了一些特殊的技术，能够使用单条的72线内存条。
5.DIMM（dual in-line memory module）双内置存储模型


DIMM模块是目前最常见的内存模块，它是也可以说是两个SIMM。它是包括有一个或多个RAM芯片在一个小的集成电路板上，利用这块电路板上的一些引脚可以直接和计算机主板相连接。一个DIMM有168引脚，这种内存条支持64位的数据传输。DIMM是目前我们使用的内存的主要封装形式，比如SDRAM、DDR SDRAM、RDRAM，其中SDRAM具有168线引脚并且提供了64bit数据寻址能力。DIMM的工作电压一般是3.3v或者5v，并且分为unbuffered和buffered两种。而SIMM和DIMM内存之间不仅仅是引脚数目的不同，另外在电气特性、封装特点上都有明显的差别，特别是它们的芯片之间的差别相当的大。因为按照原来内存制造方法，制造这种内存的时候是不需要把64个芯片组装在一起构成一个64bit的模块的，得益于今年来生产工艺的提高和改进，现在的高密度DRAM芯片可以具有不止一个Din和Dout信号引脚，并且可以根据不同的需要在DRAM芯片上制造4、8、16、32或者64条数据引脚。在Pentium级以上的处理器是64位总线，使用这样的内存更能发挥处理器的性能。
6.TSOP（Thin Small Outline Package）薄型小尺寸封装。


TSOP内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做出引脚，如SDRAM内存的集成电路两侧都有引脚，SGRAM内存的集成电路四面都有引脚。TSOP适合用SMT技术（表面安装技术）在PCB（印制电路板）上安装布线。TSOP封装外形尺寸时，寄生参数(电流大幅度变化时，引起输出电压扰动) 减小，适合高频应用，操作比较方便，可靠性也比较高。改进的TSOP技术目前广泛应用于SDRAM内存的制造上，不少知名内存制造商如三星、现代、Kingston等目前都在采用这项技术进行内存封装。不过，TSOP封装方式中，内存芯片是通过芯片引脚焊接在PCB板上的，焊点和PCB板的接触面积较小，使得芯片向PCB办传热就相对困难。而且TSOP封装方式的内存在超过150MHz后，会产品较大的信号干扰和电磁干扰。
7.BGA（Ball Grid Array）球状矩阵排列封装
（见下文的芯片组封装）
8.CSP（Chip Scale Package）芯片级封装


CSP作为新一代的芯片封装技术，在BGA、TSOP的基础上，它的性能又有了革命性的提升。
CSP，全称为Chip Scale Pack-age，即芯片尺寸封装的意思。作为新一代的芯片封装技术，在BGA、TSOP的基础上，CSP的性能又有了革命性的提升。CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1∶1.14，已经相当接近1∶1的理想情况，绝对尺寸也仅有32平方毫米，约为普通的BGA的1/3，仅仅相当于TSOP内存芯片面积的1/6。与BGA封装相比，同等空间下CSP封装可以将存储容量提高3倍。CSP封装内存不但体积小，同时也更薄，其金属基板到散热体的最有效散热路径仅有0.2毫米，大大提高了内存芯片在长时间运行后的可靠性。与BGA、TOSP相比CSP封装的电气性能和可靠性也有相当大的提高。并且，在相同的芯片面积下CSP所能达到的引脚数明显要比TSOP、BGA引脚数多得多，这样它可支持I/O端口的数目就增加了很多。此外，CSP封装内存芯片的中心引脚形式有效缩短了信号的传导距离，其衰减随之减少，芯片的抗干扰、抗噪性能也能得到大幅提升，这也使得CSP的存取时间比BGA改善15%～20%。
芯片组的封装方式

芯片组的南北桥芯片、显示芯片以及声道芯片等等，主要采用的封装方式是BGA或PQFP封装。
1.BGA（Ball Grid Array）球状矩阵排列封装


随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性，当IC的频率超过100MHz时，传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象，而且当IC的管脚数大于208 Pin时，传统的封装方式有其困难度。因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片（如图形芯片与芯片组等）皆转而使用BGA(Ball Grid Array Package)封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。

BGA封装技术又可详分为五大类：
（1）PBGA（Plasric BGA）基板：一般为2-4层有机材料构成的多层板，是塑针栅格阵列的缩写，这些处理器具有插入插座的针脚。为了提高热传导性，PPGA 在处理器的顶部使用了镀镍铜质散热器，芯片底部的针脚是锯齿形排列的。此外，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式插入插座。Intel系列CPU中，Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装形式。
（2）CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（FlipChip，简称FC）的安装方式。Intel系列CPU中，Pentium I、II、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。
（3）FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬质多层基板。
（4）TBGA（TapeBGA）基板：基板为带状软质的1-2层PCB电路板。
（5）CDPBGA（Carity Down PBGA）基板：指封装中央有方型低陷的芯片区（又称空腔区）。
BGA封装的I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率。而虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能，另外，它的信号传输延迟小，适应频率大大提高以及组装可用共面焊接，可靠性大大提高。
2.PQFP（Plastic Quad Flat Package）塑料方型扁平式封装

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