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IC封装技术详解

发布时间 2021-01-19

所谓“IC封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以CPU为例,我们实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌,而是CPU内核等元件经过封装后的产品。

  CPU封装对于芯片来说是必须的,也是至关重要的。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。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。

  目前采用的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

  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芯片的封装技术:

  DIP封装

  DIP封装(DualIn-linePackage),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。

  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。

  最早的4004、8008、8086、8088等CPU都采用了DIP封装,通过其上的两排引脚可插到主板上的插槽或焊接在主板上。

  QFP封装

  这种技术的中文含义叫该技术封装CPU时操作方便,可靠性高;而且其封装外形尺寸较小,寄生参数减小,适合高频应用;该技术主要适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线。

  QFP封装

  这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术(PlasticQuadFlatPockage),该技术实现的CPU芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式,其引脚数一般都在100以上。该技术封装CPU时操作方便,可靠性高;而且其封装外形尺寸较小,寄生参数减小,适合高频应用;该技术主要适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线。

  PFP封装

  该技术的英文全称为PlasticFlatPackage,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。

  PGA封装

  该技术也叫插针网格阵列封装技术(CeramicPinGridArrauPackage),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ZIFCPU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。

  BGA封装

  BGA技术(BallGridArrayPackage)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

  目前较为常见的封装形式:

  OPGA封装

  OPGA(OrganicpingridArray,有机管脚阵列)。方型扁平式封装技术(PlasticQuadFlatPockage),该技术实现的CPU芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式,其引脚数一般都在100以上。

  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。

  mPGA封装

  mPGA,微型PGA封装,目前只有AMD公司的Athlon64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。

  CPGA封装

  CPGA也就是常说的陶瓷封装,全称为CeramicPGA。主要在Thunderbird(雷鸟)核心和“Palomino”核心的Athlon处理器上采用。

  FC-PGA封装

  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。

  FC-PGA2封装

  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,所以它显着地增加了热传导。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)。

  OOI封装

  OOI是OLGA的简写。OLGA代表了基板栅格阵列。OLGA芯片也使用反转芯片设计,其中处理器朝下附在基体上,实现更好的信号完整性、更有效的散热和更低的自感应。OOI有一个集成式导热器(IHS),能帮助散热器将热量传给正确安装的风扇散热器。OOI用于奔腾4处理器,这些处理器有423针。

  PPGA封装

  “PPGA”的英文全称为“PlasticPinGridArray”,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。

  S.E.C.C.封装

  “S.E.C.C.”是“SingleEdgeContactCartridge”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。

  S.E.C.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)。

  S.E.P.封装

  “S.E.P.”是“SingleEdgeProcessor”的缩写,是单边处理器的缩写。“S.E.P.”封装类似于“S.E.C.C.”或者“S.E.C.C.2”封装,也是采用单边插入到Slot插槽中,以金手指与插槽接触,但是它没有全包装外壳,底板电路从处理器底部是可见的。“S.E.P.”封装应用于早期的242根金手指的IntelCeleron处理器。

  PLGA封装

  PLGA是PlasticLandGridArray的缩写,即塑料焊盘栅格阵列封装。由于没有使用针脚,而是使用了细小的点式接口,所以PLGA封装明显比以前的FC-PGA2等封装具有更小的体积、更少的信号传输损失和更低的生产成本,可以有效提升处理器的信号强度、提升处理器频率,同时也可以提高处理器生产的良品率、降低生产成本。目前Intel公司Socket775接口的CPU采用了此封装。

  CuPGA封装

  CuPGA是LiddedCeramicPackageGridArray的缩写,即有盖陶瓷栅格阵列封装。其与普通陶瓷封装最大的区别是增加了一个顶盖,能提供更好的散热性能以及能保护CPU核心免受损坏。目前AMD64系列CPU采用了此封装。

DIP-----Dual In-Line Package-----双列直插式封装。插装型封装之一,引脚从封装两侧引出,封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP是最普及的插装型封装,应用范围包括标准逻辑IC,存贮器LSI,微机电路等。 
PLCC-----Plastic Leaded Chip Carrier-----PLCC封装方式,外形呈正方形,32脚封装,四周都有管脚,外形尺寸比DIP封装小得多。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线,具有外形尺寸小、可靠性高的优点。 
PQFP-----Plastic Quad Flat Package-----PQFP封装的芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式,其引脚数一般都在100以上。 
SOP-----Small Outline Package------1968~1969年菲为浦公司就开发出小外形封装(SOP)。以后逐渐派生出SOJ(J型引脚小外形封装)、TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SSOP(缩小型SOP)、TSSOP(薄的缩小型SOP)及SOT(小外形晶体管)、SOIC(小外形集成电路)等。 
常见的封装材料有:塑料、陶瓷、玻璃、金属等,现在基本采用塑料封装。 

按封装形式分:普通双列直插式,普通单列直插式,小型双列扁平,小型四列扁平,圆形金属,体积较大的厚膜电路等。 

按封装体积大小排列分:最大为厚膜电路,其次分别为双列直插式,单列直插式,金属封装、双列扁平、四列扁平为最小。 

两引脚之间的间距分:普通标准型塑料封装,双列、单列直插式一般多为2.54±0.25 mm,其次有2mm(多见于单列直插式)、1.778±0.25mm(多见于缩型双列直插式)、1.5±0.25mm,或1.27±0.25mm(多见于单列附散热片或单列V型)、1.27±0.25mm(多见于双列扁平封装)、1±0.15mm(多见于双列或四列扁平封装)、0.8±0.05~0.15mm(多见于四列扁平封装)、0.65±0.03mm(多见于四列扁平封装)。 

双列直插式两列引脚之间的宽度分:一般有7.4~7.62mm、10.16mm、12.7mm、15.24mm等数种。 

双列扁平封装两列之间的宽度分(包括引线长度:一般有6~6.5±mm、7.6mm、10.5~10.65mm等。 

四列扁平封装40引脚以上的长×宽一般有:10×10mm(不计引线长度)、13.6×13.6±0.4mm(包括引线长度)、20.6×20.6±0.4mm(包括引线长度)、8.45×8.45±0.5mm(不计引线长度)、14×14±0.15mm(不计引线长度)等。