erin19
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#1 [知識]淺談晶片的封裝技術[圖]
很多關注電腦核心配件發展的朋友都會注意到，一般新的CPU記憶體以及晶片組出現時都會強調其採用新的封裝形式，不過很多人對封裝並不瞭解。其實，所謂封裝就是指安裝半導體積體電路晶片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、保持晶片和增強電熱性能的作用，而且晶片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印製板上的導線與其他器件建立連接，從而實現內部晶片與外部電路的連接。因為晶片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質對晶片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝後的晶片也更便於安裝和運輸。由於封裝技術的好壞還直接影響到晶片自身性能的發揮和與之連接的PCB(印製電路板)的設計和製造，因此它是至關重要的。 因此，封裝對CPU以及其他晶片都有著重要的作用。
封裝時主要考慮的因素：
晶片面積與封裝面積之比為提高封裝效率，儘量接近1：1。
引腳要儘量短以減少延遲，引腳間的距離儘量遠，以保證互不干擾，提高性能。
基於散熱的要求，封裝越薄越好。
下面，就讓我們通過圖例，來瞭解一下一些比較有代表性的封裝的具體情況吧。
一.CPU的封裝方式
CPU封裝是CPU生產過程中的最後一道工序，封裝是採用特定的材料將CPU晶片或CPU模組固化在其中以防損壞的保護措施，一般必須在封裝後CPU才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決於CPU安裝形式和器件集成設計，從大的分類來看通常採用Socket插座進行安裝的CPU使用PGA(柵格陣列)方式封裝，而採用Slot x槽安裝的CPU則全部採用SEC(單邊接插盒)的形式封裝。現在還有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封裝技術。由於市場競爭日益激烈，目前CPU封裝技術的發展方向以節約成本為主。下面我們就一起來看看幾種有代表性的CPU封裝方式。
1.早期CPU封裝方式
CPU封裝方式可追朔到8088時代，這一代的CPU採用的是DIP雙列直插式封裝。DIP(DualIn－line Package)是指採用雙列直插形式封裝的積體電路晶片，絕大多數中小規模積體電路(IC)均採用這種封裝形式，其引腳數一般不超過100個。採用DIP封裝的CPU晶片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結構的晶片插座上。當然，也可以直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路板上進行焊接。DIP封裝的晶片在從晶片插座上插拔時應特別小心，以免損壞管腳。這種封裝適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接，操作方便，但晶片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。DIP封裝結構形式有：多層陶瓷雙列直插式DIP，單層陶瓷雙列直插式DIP，引線框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式，塑膠包封結構式，陶瓷低熔玻璃封裝式）等。
而80286，80386CPU則採用了QFP塑膠方型扁平式封裝和PFP塑膠扁平組件式封裝。QFP（Plastic Quad Flat Package）封裝的晶片引腳之間距離很小，管腳很細，一般大規模或超大型積體電路都採用這種封裝形式，其引腳數一般在100個以上。用這種形式封裝的晶片必須採用SMD（表面安裝設備技術）將晶片與主板焊接起來。採用SMD安裝的晶片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設計好的相應管腳的焊點。將晶片各腳對準相應的焊點，即可實現與主板的焊接。用這種方法焊上去的晶片，如果不用專用工具是很難拆卸下來的。而相似的PFP（Plastic Flat Package）方式封裝的晶片與QFP方式基本相同。唯一的區別是QFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是長方形。QFP/PFP封裝適用於SMD表面安裝技術在PCB電路板上安裝佈線以及高頻使用，可靠性較高，封裝面積也比較小。
2.PGA(Pin Grid Array)引腳網格陣列封裝
PGA封裝也叫插針網格陣列封裝技術（Ceramic Pin Grid Arrau Package），目前CPU的封裝方式基本上是採用PGA封裝，在晶片下方圍著多層方陣形的插針，每個方陣形插針是沿晶片的四周，間隔一定距離進行排列的，根據管腳數目的多少，可以圍成2∼5圈。它的引腳看上去呈針狀，是用插件的方式和電路板相結合。安裝時，將晶片插入專門的PGA插座。PGA封裝具有插拔操作更方便，可靠性高的優點，缺點是耗電量較大。從486的晶片開始，出現的一種ZIF(Zero Insertion Force Socket，零插拔力的插座）的CPU插座，使用該封裝技術的CPU可以很容易、輕鬆地插入插座中，然後將搬手壓回原處，利用插座本身的特殊結構產生的擠壓力，將CPU的管腳與插座牢牢的接觸，絕對不會存在接觸不良的問題。而拆卸CPU晶片只需將插座的搬手輕輕抬起，則壓力解除，CPU晶片即可輕鬆取出。 專門用來安裝和拆卸PGA封裝的CPU。
PGA也衍生出多種封裝方式，比較常見的有以下幾種：
（1）OPGA（Organic pin grid Array，有機管腳陣列）：這種封裝的基底使用的是玻璃纖維，類似印刷電路板上的材料。 此種封裝方式可以降低阻抗和封裝成本。OPGA封裝拉近了外部電容和處理器內核的距離，可以更好地改善內核供電和過濾電流雜波。AMD公司的AthlonXP系列CPU大多使用此類封裝。
（2）mPGA：微型PGA封裝，目前只有AMD公司的Athlon 64和英代爾公司的Xeon（至強）系列CPU等少數產品所採用，而且多是些高端產品，是種先進的封裝形式。
（3）CPGA：也就是常說的陶瓷封裝，全稱為Ceramic PGA。主要在Thunderbird（雷鳥）核心和“Palomino”核心的Athlon處理器上採用。
（4）FC-PGA封裝是反轉晶片針腳柵格陣列的縮寫，這種封裝中有針腳插入插座。這些晶片被反轉，以至片模或構成電腦晶片的處理器部分被暴露在處理器的上部。通過將片模暴露出來，使熱量解決方案可直接用到片模上，這樣就能實現更有效的晶片冷卻。為了通過隔絕電源信號和接地信號來提高封裝的性能，FC-PGA 處理器在處理器的底部的電容放置區域（處理器中心）安有離散電容和電阻。晶片底部的針腳是鋸齒形排列的。此外，針腳的安排方式使得處理器只能以一種方式插入插座。FC-PGA 封裝用於奔騰 III 和英代爾 Celeron 處理器，它們都使用 370 針。
（5）FC-PGA2 ：FC-PGA2封裝與 FC-PGA 封裝類型很相似，除了這些處理器還具有集成式散熱器 (IHS)。集成式散熱器是在生產時直接安裝到處理器片上的。由於 IHS 與片模有很好的熱接觸並且提供了更大的表面積以更好地發散熱量，所以它顯著地增加了熱傳導。FC-PGA2 封裝用於奔騰 III 和英代爾Celeron處理器（370 針）和奔騰 4 處理器（478 針）。
（6）PPGA：PPGA的英文全稱為“Plastic Pin Grid Array”，是塑針柵格陣列的縮寫，這些處理器具有插入插座的針腳。為了提高熱傳導性，PPGA 在處理器的頂部使用了鍍鎳銅質散熱器。晶片底部的針腳是鋸齒形排列的。此外，針腳的安排方式使得處理器只能以一種方式插入插座。
3.S．E．E．C．（單邊接插卡盒）封裝
S.E.C.C：SEEC是Single Edge Contact Cartridge縮寫，是單邊接觸卡盒的縮寫。為了與主板連接，處理器被插入一個插槽。它不使用針腳，而是使用“金手指”觸點，處理器使用這些觸點來傳遞信號。S.E.C.C. 被一個金屬殼覆蓋，這個殼覆蓋了整個卡盒元件的頂端。卡盒的背面是一個熱材料鍍層，充當了散熱器。S.E.C.C. 內部，大多數處理器有一個被稱為基體的印刷電路板連接起處理器、二級快取記憶體和匯流排終止電路。S.E.C.C. 封裝用於有 242 個觸點的英代爾奔騰II 處理器和有 330 個觸點的奔騰II 至強和奔騰 III 至強處理器。
4.S．E．E．C．2封裝
S.E.C.C.2 封裝與 S.E.C.C. 封裝相似，除了S.E.C.C.2 使用更少的保護性包裝並且不含有導熱鍍層。S.E.C.C.2 封裝用於一些較晚版本的奔騰II 處理器和奔騰 III 處理器（242 觸點）。
5.新封裝技術
BGA封裝比QFP先進，更比PGA好，但它的晶片面積／封裝面積的比值仍很低。Tessera公司在BGA基礎上做丁改進，研製出另一種稱為μBGA的封裝技術，按0．5mm焊區中心距，晶片面積／封裝面積的比為1：4，比BGA前進了一大步。Celeron（Celeron）移動CPU通常採用“μPGA”和“μBGA”封裝方式。
日本三菱電氣研究的一種晶片面積／封裝面積=1：1．1的封裝結構，其封裝外形尺寸只比裸晶片大一點點。也就是說，單個IC晶片有多大，封裝尺寸就有多大，從而誕生了一種新的封裝形式，命名為晶片尺寸封裝，簡稱CSP(Chip Size Package或Chip Scale Package)。CSP封裝滿足了LSI晶片引出腳不斷增加的需要，解決了IC裸晶片不能進行交流參數測試和老化篩選的問題，而且封裝面積縮小到BGA的1／4至1／10，延遲時間縮小到極短。
二.記憶體晶片封裝方式
記憶體顆粒的封裝方式最常見的有SOJ、TSOP II、Tiny-BGA、BLP、μBGA等封裝，而未來趨勢則將向CSP發展。
1.SOJ（Small Out-Line J-Lead）小尺寸J形引腳封裝
SOJ封裝方式是指記憶體晶片的兩邊有一排小的J形引腳，直接黏著在印刷電路板的表面上。它是一種表面裝配的打孔封裝技術，針腳的形狀就像字母"J"，由此而得名。SOJ封裝一般應用在EDO DRAM。
2.Tiny-BGA（Tiny Ball Grid Array）小型球柵陣列封裝
TinyBGA英文全稱為Tiny Ball Grid Array（小型球柵陣列封裝），屬於是BGA封裝技術的一個分支。是Kingmax公司於1998年8月開發成功的，其晶片面積與封裝面積之比不小於1:1.14，可以使記憶體在體積不變的情況下記憶體容量提高2∼3倍，與TSOP封裝產品相比，其具有更小的體積、更好的散熱性能和電性能。採用TinyBGA封裝技術的記憶體產品在相同容量情況下體積只有TSOP封裝的1/3。TSOP封裝記憶體的引腳是由晶片四周引出的，而TinyBGA則是由晶片中心方向引出。這種方式有效地縮短了信號的傳導距離，信號傳輸線的長度僅是傳統的TSOP技術的1/4，因此信號的衰減也隨之減少。這樣不僅大幅提升了晶片的抗干擾、抗噪性能，而且提高了電性能。採用TinyBGA封裝晶片可抗高達300MHz的外頻，而採用傳統TSOP封裝技術最高只可抗150MHz的外頻。TinyBGA封裝的記憶體其厚度也更薄（封裝高度小於0.8mm），從金屬基板到散熱體的有效散熱路徑僅有0.36mm。因此，TinyBGA記憶體擁有更高的熱傳導效率，非常適用於長時間執行的系統，穩定性極佳。
3.BLP（Bottom Lead PacKage）底部引交封裝
樵風（ALUKA）金條的記憶體顆粒採用特殊的BLP封裝方式，該封裝技術在傳統封裝技術的基礎上採用一種逆向電路，由底部直接伸出引腳，其優點就是能節省約90%電路，使封裝尺寸電阻及晶片表面溫度大幅下降。和傳統的TSOP封裝的記憶體顆粒相比，其晶片面積與填充裝面積之比大於1：1.1，明顯要小很多，不僅高度和面積極小，而且電氣特性得到了進一步的提高，製造成本也不高，BLP封裝與KINGMAX的TINY-BGA封裝比較相似，BLP的封裝技術使得電阻值大幅下降，晶片溫度也大幅下降，可穩定工作的頻率更高。
4.SIMM（single in-line memory module）單內置記憶體模型
SIMM模組包括了一個或多個RAM晶片，這些晶片在一塊小的積體電路板上，利用電路板上的引腳與電腦的主板相連接。因為用戶需要對記憶體進行擴展，只需要加入一些新的SIMM就可以了。SIMM根據記憶體顆粒分佈可以分為單面記憶體和雙面記憶體，一般的容量為1、4、16MB的SIMM記憶體都是單面的，更大的容量的SIMM記憶體是雙面的。30線SIMM記憶體條出現較早，根據當時的技術需要，只支援8位元的資料傳輸，如要支持32位就必須要有四條30線SIMM記憶體條。這種記憶體條多用在386或早期的486主板上。72線SIMM記憶體條可支援32位元的資料傳輸，在586主板基本上都提供的是72線SIMM記憶體插槽。需要注意的是，Pentium處理器的資料傳輸是64位的，現在採用Intel的Triton或Triton Ⅱ晶片組的586主板需要成對的使用這種記憶體條；而採用SIS晶片組的586主板由於SIS晶片採用了一些特殊的技術，能夠使用單條的72線記憶體條。
5.DIMM（dual in-line memory module）雙內置存儲模型
DIMM模組是目前最常見的記憶體模組，它是也可以說是兩個SIMM。它是包括有一個或多個RAM晶片在一個小的積體電路板上，利用這塊電路板上的一些引腳可以直接和電腦主板相連接。一個DIMM有168引腳，這種記憶體條支援64位元的資料傳輸。DIMM是目前我們使用的記憶體的主要封裝形式，比如SDRAM、DDR SDRAM、RDRAM，其中SDRAM具有168線引腳並且提供了64bit資料定址能力。DIMM的工作電壓一般是3.3v或者5v，並且分為unbuffered和buffered兩種。而SIMM和DIMM記憶體之間不僅僅是引腳數目的不同，另外在電氣特性、封裝特點上都有明顯的差別，特別是它們的晶片之間的差別相當的大。因為按照原來記憶體製造方法，製造這種記憶體的時候是不需要把64個晶片組裝在一起構成一個64bit的模組的，得益於今年來生產工藝的提高和改進，現在的高密度DRAM晶片可以具有不止一個Din和Dout信號引腳，並且可以根據不同的需要在DRAM晶片上製造4、8、16、32或者64條資料引腳。在Pentium級以上的處理器是64位元匯流排，使用這樣的記憶體更能發揮處理器的性能。
6.TSOP（Thin Small Outline Package）薄型小尺寸封裝。
TSOP記憶體封裝技術的一個典型特徵就是在封裝晶片的周圍做出引腳，如SDRAM記憶體的積體電路兩側都有引腳，SGRAM記憶體的積體電路四面都有引腳。TSOP適合用SMT技術（表面安裝技術）在PCB（印製電路板）上安裝佈線。TSOP封裝外形尺寸時，寄生參數(電流大幅度變化時，引起輸出電壓擾動) 減小，適合高頻應用，操作比較方便，可靠性也比較高。改進的TSOP技術目前廣泛應用於SDRAM記憶體的製造上，不少知名記憶體製造商如三星、現代、Kingston等目前都在採用這項技術進行記憶體封裝。不過，TSOP封裝方式中，記憶體晶片是通過晶片引腳焊接在PCB板上的，焊點和PCB板的接觸面積較小，使得晶片向PCB辦傳熱就相對困難。而且TSOP封裝方式的記憶體在超過150MHz後，會產品較大的信號干擾和電磁干擾。
7.BGA（Ball Grid Array）球狀矩陣排列封裝
（見下文的晶片組封裝）
8.CSP（Chip Scale Package）晶片級封裝
CSP作為新一代的晶片封裝技術，在BGA、TSOP的基礎上，它的性能又有了革命性的提升。
CSP，全稱為Chip Scale Pack-age，即晶片尺寸封裝的意思。作為新一代的晶片封裝技術，在BGA、TSOP的基礎上，CSP的性能又有了革命性的提升。CSP封裝可以讓晶片面積與封裝面積之比超過1∶1.14，已經相當接近1∶1的理想情況，絕對尺寸也僅有32平方毫米，約為普通的BGA的1/3，僅僅相當於TSOP記憶體晶片面積的1/6。與BGA封裝相比，同等空間下CSP封裝可以將存儲容量提高3倍。CSP封裝記憶體不但體積小，同時也更薄，其金屬基板到散熱體的最有效散熱路徑僅有0.2毫米，大大提高了記憶體晶片在長時間執行後的可靠性。與BGA、TOSP相比CSP封裝的電氣性能和可靠性也有相當大的提高。並且，在相同的晶片面積下CSP所能達到的引腳數明顯要比TSOP、BGA引腳數多得多，這樣它可支援I/O埠的數目就增加了很多。此外，CSP封裝記憶體晶片的中心引腳形式有效縮短了信號的傳導距離，其衰減隨之減少，晶片的抗干擾、抗噪性能也能得到大幅提升，這也使得CSP的存取時間比BGA改善15%∼20%。
[ Last edited by sodown on 2005-11-2 at 06:51 PM ]
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滴水不停，可以穿石...
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