封装也可以说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、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此,对于很多集成电路产品而言,封装技术都是非常关键的一环。
封装技术
采用的CPU封装多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来,能起着密封和提高芯片电热性能的作用。由于现在处理器芯片的内频越来越高,功能越来越强,引脚数越来越多,封装的外形也不断在改变。
封装时要考虑以下几点因素:
1.芯片面积与封装面积之比为提高封装效率,尽量接近1:1
2.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
3.基于散热的要求,封装越薄越好作为计算机的重要组成部分,CPU的性能直接影响计算机的整体性能。而CPU制造工艺的最后一步也是最关键一步就是CPU的封装技术,采用不同封装技术的CPU,在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术才能生产出完美的CPU产品。
CPU主要封装技术
一、DIP技术
DIP封装(Dual In-line Package),也叫双列直插式封装技术,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均采用这种封装形式,其引脚数一般不超过100。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。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。
二、LED封装
DIP封装具有以下特点:
1.适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。
2.芯片面积与封装面积之间的比值较大,故体积也较大。
三、QFP/PFP技术
QFP技术的中文含义叫方型扁[1]平式封装技术(Plastic Quad Flat Package),QFP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。
PFP技术的英文全称为Plastic Flat Package,中文含义为塑料扁平组件式封装。用这种技术封装的芯片同样也必须采用SMD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盘。将芯片各脚对准相应的焊盘,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。该技术与上面的QFP技术基本相似,只是外观的封装形状不同而已。
QFP/PFP封装具有以下特点:
1. 适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。
2.封装外形尺寸较小,寄生参数减小,适合高频应用。
3.操作方便,可靠性高。
4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。
四、PGA技术
该技术也叫插针网格阵列封装技术(Ceramic Pin Grid Arrau Package),由这种技术封装的芯片内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列,根据管脚数目的多少,可以围成2~5圈。安装时,将芯片插入专门的PGA插座。为了使得CPU能够更方便的安装和拆卸,从486芯片开始,出现了一种ZIF CPU插座,专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。该技术一般用于插拔操作比较频繁的场合之下。
PGA封装具有以下特点:
1.插拔操作更方便,可靠性高;
2.可适应更高的频率;
3.如采用导热性良好的陶瓷基板,还可适应高速度、大功率器件要求;
4.由于此封装具有向外伸出的引脚,一般采用插入式安装而不宜采用表面安装;
5.如用陶瓷基板,价格又相对较高,因此多用于较为特殊的用途。它又分为陈列引脚型和表面贴装型两种。
五、BGA技术
BGA技术(Ball Grid Array Package)即球栅阵列封装技术。该技术的出现便成为CPU、主板南、北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。但BGA封装占用基板的面积比较大。虽然该技术的I/O引脚数增多,但引脚之间的距离远大于QFP,从而提高了组装成品率。而且该技术采用了可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善它的电热性能。另外该技术的组装可用共面焊接,从而能大大提高封装的可靠性;并且由该技术实现的封装CPU信号传输延迟小,适应频率可以提高很大。
BGA封装具有以下特点:
1.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
2.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
3.信号传输延迟小,适应频率大大提高
4.组装可用共面焊接,可靠性大大提高BGA封装的不足之处:BGA封装仍与QFP、PGA一样,占用基板面积过大;塑料BGA封装的翘曲问题是其主要缺陷,即锡球的共面性问题。共面性的标准是为了减小翘曲,提高BGA封装的特性,应研究塑料、粘片胶和基板材料,并使这些材料最佳化。同时由于基板的成本高,而使其价格很高。
六、SFF技术
SFF是Small Form Factor的简称,英特尔将其称为小封装技术。小封装技术是英特尔在封装移动处理器过程中采用的一种特殊技术,可以在不影响处理器性能的前提下,将封装尺寸缩小为普通尺寸的40%左右,从而带动移动产品内其他组件尺寸一起缩小,最终让终端产品更加轻薄、小巧、时尚,并且支持更丰富的外观和材质的设计。
芯片封装技术发展
从DIP封到BGA封装
芯片的封装技术种类实在是多种多样,诸如DIP,PQFP,TSOP,TSSOP,PGA,BGA,QFP,TQFP,QSOP,SOIC,SOJ,PLCC,WAFERS......一系列名称看上去都十分繁杂,其实,只要弄清芯片封装发展的历程也就不难理解了。芯片的封装技术已经历经好几代的变迁,技术指标一代比一代先进,包括芯片面积与封装面积之比越来越接近,适用频率越来越高,耐温性能越来越好,以及引脚数增多,引脚间距减小,重量减小,可靠性提高,使用更加方便等等,都是看得见的变化。20世纪70年代时,芯片封装流行的还是双列直插封装,简称DIP(Dual ln-line Package)。DIP封装在当时具有适合PCB(印刷电路板)的穿孔安装,具有比TO型封装易于对PCB布线以及操作较为方便等一些特点,其封装的结构形式也很多,包括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等等。但是衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比,这个比值越接近1越好。比如一颗采用40根I / O引脚塑料双列直插式封装(PDIP)的芯片为例,其芯片面积/封装面积=(3 x3)/(15.24 x 50)=1:86,离l相差很远。不难看出,这种封装尺寸远比芯片大不少,说明封装效率很低,占去了很多有效安装面积。
到了80年代出现的内存第二代封装技术以TSOP为代表,它很快为业界所普遍采用,到目前为止还保持着内存封装的主流地位。TSOP是英文Thin Small Outline Package的缩写,意即薄型小尺寸封装。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。
20世纪90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用,LSI、VLSI、ULSI相继出现,芯片集成度不断提高,I / O引脚数急剧增加,功耗也随之增大,对集成电路封装的要求也更加严格。为满足发展的需要,在原有封装方式的基础上,又增添了新的方式一一球栅阵列封装,简称BGA(Ball Grid Array Package)。BGA封装技术已经在笔记本电脑的内存、主板芯片组等大规模集成电路的封装领域得到了广泛的应用。比如我们所熟知的Intel BX、VIA MVP3芯片组以及SODIMM等都是采用这一封装技术的产品。
BGA 封装技术有这样一些特点:I / O引脚数虽然增多,但引脚间距并不小,从而提高了组装成品率;虽然它的功耗增加,但BGA能用可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善它的电热性能;厚度和重量都较以前的封装技术有所减少;寄生参数减小,信号传输延迟小,使用频率大大提高;组装可用共面焊接,可靠性高。不过BGA封装仍然存在着占用基板面积较大的问题。
随着以CPU为主的计算机系统性能的总体大幅度提升趋势,人们对于内存的品质和性能要求也日趋苛刻。为此,人们要求内存封装更加紧致,以适应大容量的内存芯片,同时也要求内存封装的散热性能更好,以适应越来越快的核心频率。毫无疑问的是,进展不太大的TSOP等内存封装技术也越来越不适用于高频、高速的新一代内存的封装需求,新的内存封装技术也应运而生了。采用BGA新技术封装的内存,可以使所有计算机中的DRAM内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三倍,BGA与TSOP相比,具有更小的体积,更好的散热性能和电性能。BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升,采用BGA封装技术的内存产品在相同容量下,体积只有TSOP封装的三分之一;另外,与传统TSOP封装方式相比,BGA封装方式有更加快速和有效的散热途径。