浅谈芯片封装技术.docx
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浅谈芯片封装技术
浅谈芯片封装技术
专门多关注电脑核心配件进展的朋友都会注意到,一样新的CPU内存以及芯片组显现时都会强调其采纳新的封装形式,只是专门多人对封装并不了解。
事实上,所谓封装确实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。
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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。
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由于封装技术的好坏还直截了当阻碍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。
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封装时要紧考虑的因素:
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形吧。
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< 一、CPU的封装方式*go}AyJIbm m4/'<;C@ CPU封装是CPU生产过程中的最后一道工序,封装是采纳特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的爱护措施,一样必须在封装后CPU才能交付用户使用。 |U"{vUtm 6A/9G/[B 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纳Socket插座进行安装的CPU使用PGA(栅格阵列)方式封装,而采纳Slotx槽安装的CPU则全部采纳SEC(单边接插盒)的形式封装。 现在还有PLGA(PlasticLandGridArray)、OLGA(OrganicLandGridArray)等封装技术。 由于市场竞争日益猛烈,目前CPU封装技术的进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。 ',VEPwNcW )@[! _]H<1 1、早期CPU封装方式*~3xWjb4 (F8EHR5 CPU封装方式可追朔到8088时代,这一代的CPU采纳的是DIP双列直插式封装。 DIP(DualIn-linePackage)是指采纳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)均采纳这种封装形式,其引脚数一样不超过100个。 采纳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。 ! ib)k\K .tXvqfPc 因此,也能够直截了当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专门小心,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。 ? s._n2=S VDc6D 而80286,80386CPU则采纳了QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装。 QFP(PlasticQuadFlatPackage)封装的芯片引脚之间距离专门小,管脚专门细,一样大规模或超大型集成电路都采纳这种封装形式,其引脚数一样在100个以上。 用这种形式封装的芯片必须采纳SMD(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来unf]k>6.) 采纳SMD安装的芯片不必在主板上打孔,一样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,假如不用专用工具是专门难拆卸下来的。 而相似的PFP(PlasticFlatPackage)方式封装的芯片与QFP方式差不多相同。 唯独的区别是QFP一样为正方形,而PFP既能够是正方形,也能够是长方形。 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。 W_2mbZz,~ pE;\zKg 2、PGA(PinGridArray)引脚网格阵列封装: 15X>*.S-V +b>m2H PGA封装也叫插针网格阵列封装技术(CeramicPinGridArrauPackage),目前CPU的封装方式差不多上是采纳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,依照管脚数目的多少,能够围成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。 tc[ >h@ fxBhZhk [ 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,显现的一种ZIF(ZeroInsertionForceSocket,零插拔力的插座)的CPU插座,使用该封装技术的CPU能够专门容易、轻松地插入插座中,然后将搬手压回原处,利用插座本身的专门结构产生的挤压力,将CPU的管脚与插座牢牢的接触,绝对可不能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。 +K6U>{q; b3? kG"< PGA也衍生出多种封装方式,比较常见的有以下几种: gl4#x2S" ^z]5IjQ OPGA(OrganicpingridArray,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。 此种封装方式能够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,能够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。 J6W4N6e7N ZE5IH! [.A 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等少数产品所采纳,而且多是些高端产品,是种先进的封装形式。 n? Ngd(qwj |Z/Y-1) CPGA: 也确实是常说的陶瓷封装,全称为CeramicPGA。 要紧在Thunderbird(雷鸟)核心和“Palomino”核心的Athlon处理器上采纳。 8w1R P&n#iFS FC-PGA: 这种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,以至片模或构成运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截了当用到片模上,如此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。 we(CL"X Q`[2pl 2 FC-PGA2: FC-PGA2封装与FC-PGA封装类型专门相似,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截了当安装到处理器片上的。 由于IHS与片模有专门好的热接触同时提供了更大的表面积以更好地发散热量,因此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)。 5~l"B "x 5\rivPQ6Z PPGA: 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。 A4Lzx? 2b# 3、S.E.E.C.(单边接插卡盒)封装a|qA+^[7 gn|16Iw 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,那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。 ~=5*|5r aG];HJU0qk 4、S.E.E.C.2封装{l^l ZgnnIaThL S.E.C.C.2封装与S.E.C.C.封装相似,除了S.E.C.C.2使用更少的爱护性包装同时不含有导热镀层。 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)。 e~vv_g| -Z*b)Tg3 5、新封装技术p4f/h6E` @~/ BGA封装比QFP先进,更比PGA好,但它的芯片面积/封装面积的比值仍专门低。 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通常采纳“μPGA”和“μBGA”封装方式。 @&*wVZ~ t2U];1 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。 也确实是说,单个IC芯片有多大,封装尺寸就有多大,从而产生了一种新的封装形式,命名为芯片尺寸封装,简称CSP(ChipSizePackage或ChipScalePackage)。 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选择的问题,而且封装面积缩小到BGA的1/4至1/10,延迟时刻缩小到极短。 W(M0]wIhk n/.! -K 二、内存芯片封装方式`BgG& %IvKRS 内存颗粒的封装方式最常见的有SOJ、TSOPII、Tiny-BGA、BLP、μBGA等封装,而以后趋势则将向CSP进展。 rbs*vPA Mtk(v&6 1、SOJ(SmallOut-LineJ-Lead)小尺寸J形引脚封装4,.[ ? 3? sE{91 SOJ封装方式是指内存芯片的两边有一排小的J形引脚,直截了当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封装一样应用在EDODRAM。 ;2Vj3|TW 2、Tiny-BGA(TinyBallGridArray)小型球栅阵列封装+5H7~h~ |4hmo`5 TinyBGA英文全称为TinyBallGridArray(小型球栅阵列封装),属因此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,能够使内存在体积不变的情形下内存容量提高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。 ? Ro% 7fR{)6O4 采纳TinyBGA封装技术的内存产品在相同容量情形下体积只有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。 如此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。 gCY{: y> {zm=)w 采纳TinyBGA封装芯片可抗高达300MHz的外频,而采纳传统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,专门适用于长时刻运行的系统,稳固性极佳。 )qeuO+ _\v@0zw} 3、BLP(BottomLeadPacKage)底部引交封装p: p)+M|5N }Gu0&R}G 樵风(ALUKA)金条的内存颗粒采纳专门的BLP封装方式,该封装技术在传统封装技术的基础上采纳一种逆向电路,由底部直截了当伸出引脚,其优点确实是能节约约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,明显要小专门多,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,可稳固工作的频率更高。 XB'-/-# A-v~Fq 4、TSOP(ThinSmallOutlinePackage)薄型小尺寸封装(m@qFt {+6@Vd TSOP内存封装技术的一个典型特点确实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。 =llaV^ LQ${ 改进的TSOP技术目前广泛应用于SDRAM内存的制造上,许多知名内存制造商如三星、现代、Kingston等目前都在采纳这项技术进行内存封装。 只是,TSOP封装方式中,内存芯片是通过芯片引脚焊接在PCB板上的,焊点和PCB板的接触面积较小,使得芯片向PCB办传热就相对困难。 而且TSOP封装方式的内存在超过150MHz后,会产品较大的信号干扰和电磁干扰。 6oCg5O u@r''! 5、BGA(BallGridArray)球状矩阵排列封装C;Sugi<, y&`ky2: 见下文的芯片组封装。 nDlNgd 6、CSP(ChipScalePackage)芯片级封装F~oe`r"R P,)ox&lG CSP作为新一代的芯片封装技术,在BGA、TSOP的基础上,它的性能又有了革命性的提升。 CSP,全称为ChipScalePack-age,即芯片尺寸封装的意思。 作为新一代的芯片封装技术,在BGA、TSOP的基础上,CSP的性能又有了革命性的提升。 CSP封装能够让芯片面积与封装面积之比超过1: 1.14,差不多相当接近1: 1的理想情形,绝对尺寸也仅有32平方毫米,约为一般的BGA的1/3,仅仅相当于TSOP内存芯片面积的1/6。 }.B1Tl xAOS[M#f 与BGA封装相比,同等空间下CSP封装能够将储备容量提高3倍。 CSP封装内存不但体积小,同时也更薄,其金属基板到散热体的最有效散热路径仅有0.2毫米,大大提高了内存芯片在长时刻运行后的可靠性。 与BGA、TOSP相比CSP封装的电气性能和可靠性也有相当大的提高。 同时,在相同的芯片面积下CSP所能达到的引脚数明显要比TSOP、BGA引脚数多得多,如此它可支持I/O端口的数目就增加了专门多。 "|3N3^a b^_$-hmX8 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的存取时刻比BGA改善15%—20%。 %P~Gk%5 _+$95O 三、芯片组的封装方式N? HP{Oo, hW9F! T| 芯片组的南北桥芯片、显示芯片以及声道芯片等等,要紧采纳的封装方式是BGA或PQFP封装。 f5^GkpD! G9j? C 1、BGA(BallGridArray)球状矩阵排列封装iybq3(.RR c`%s(9, 随着集成电路技术的进展,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208Pin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(BallGridArrayPackage)封装技术。 BGA一显现便成为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。 xl}Ny;e_ d-SM.x: BGA封装技术又可详分为五大类: a;GL4? G} (%WNPSR] PBGA(PlasricBGA)基板: 一样为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,PentiumII、III、IV处理器均采纳这种封装形式。 a$8L3i8V K|Kupi]UV CBGA(CeramicBGA)基板: 即陶瓷基板,芯片与基板间的电气连接通常采纳倒装芯片(FlipChip,简称FC)的安装方式。 Intel系列CPU中,PentiumI、II、PentiumPro处理器均采纳过这种封装形式。 ly'mlBk> FCBGA(FilpChipBGA)基板: 硬质多层基板。 qXE` 9ul ..: L TBGA(TapeBGA)基板: 基板为带状软质的1-2层PCB电路板。 MCqf? )cDL p: bW" CDPBGA(CarityDownPBGA)基板: 指封装中央有方型低陷的芯片区(又称空腔区)。 KV["Dm/i4 w(b/#2v BGA封装的I/O引脚数尽管增多,但引脚之间的距离远大于QFP封装方式,提高了成品率。 而尽管BGA的功耗增加,但由于采纳的是可控塌陷芯片法焊接,从而能够改善电热性能,另外,它的信号传输延迟小,适应频率大大提高以及组装可用共面焊接,可靠性大大提高。 &(vM? +! i;Nx? 6^~a 2、PQFP(PlasticQuadFlatPackage)塑料方型扁平式封装n? t? 7Ilw[% x]Zsry PQFP封装的芯片的四周均有引脚,其引脚数一样都在100以上,而且引脚之间距离专门小,管脚也专门细,一样大规模或超大规模集成电路采纳这种封装形式。 用这种形式封装的芯片必须采纳SMD(表面安装设备技术)将芯片边上的引脚与主板焊接起来。 采纳SMD安装的芯片不必在主板上打孔,一样在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。 >_vp.$ Sw}i} 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,假如不用专用工具是专门难拆卸下来的。 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的缺点也专门明显: 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。 ~Jz$@]S6 wQbnh9, 上面介绍的是一些市场上比较常见的相关芯片的封装方式,能够推测的是,随着技术的进展以及生产工艺的成熟,新的封装技术也会更可靠,更小更易操作化的方向进展。
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