DIYer必读 浅谈芯片的封装技术

　　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%。

三、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

　　PQFP封装的芯片的四周均有引脚，其引脚数一般都在100以上，而且引脚之间距离很小，管脚也很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式。用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片边上的引脚与主板焊接起来。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。PQFP封装适用于SMD表面安装技术在PCB上安装布线，适合高频使用，它具有操作方便、可靠性高、芯片面积与封装面积比值较小等优点。但PQFP的缺点也很明显：为了适应电路组装密度的进一步提高，PQFP的引脚间距不断缩小，I/O引脚数不断增加，封装体积也不断加大，这给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。