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进阶DIYer必读 浅谈芯片的封装技术 | |||
2005-12-30 20:54:07 文/45IT收集 出处:电脑软硬件应用网 | |||
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。 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 2.PGA(Pin Grid Array)引脚网格阵列封装 (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。 (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)。 3.S.E.E.C.(单边接插卡盒)封装 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 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 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 5.DIMM(dual in-line memory module)双内置存储模型 6.TSOP(Thin Small Outline Package)薄型小尺寸封装。 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,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 1.BGA(Ball Grid Array)球状矩阵排列封装 (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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