原创 芯片封装技术

自从美国Intel公司1971年设计制造出4位微处a理器芯片以来，在20多年时间内，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium和PentiumⅡ，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从几兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到500万个以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI达到 ULSI。封装的输入/输出（I/O）引脚从几十根，逐渐增加到几百根，下世纪初可能达2千根。这一切真是一个翻天覆地的变化。
　对于CPU，读者已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ、Celeron、K6、K6-2 ……相信您可以如数家珍似地列出一长串。但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。所谓封装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、保护芯片和增强电热性能的作用，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，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。
芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。
　下面将对具体的封装形式作详细说明。

一、DIP封装
　70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(Dual In-line Package)。DIP封装结构具有以下特点:
1.适合PCB的穿孔安装;
2.比TO型封装(图1)易于对PCB布线;
3.操作方便。
　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)，如图2所示。
　衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。以采用40根I/O引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1：86,离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。
　Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。

二、芯片载体封装
　80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)，封装结构形式如图3、图4和图5所示。
　以0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1：7.8，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。QFP的特点是:
1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;
2.封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;
3.操作方便;
4.可靠性高。
　在这期间，Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。

 三、BGA封装
　90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种——球栅阵列封装，简称BGA(Ball Grid Array Package)。如图6所示。
　BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有:
1.I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率;
2.虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能:
3.厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上;
4.寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;
5.组装可用共面焊接，可靠性高;
6.BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大;
　Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium Ⅱ采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。
BGA球栅阵列封装

　　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。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）。
CSP技术
在BGA（球栅阵列）技术开始推广的同时，另外一种从BGA发展来的CSP封装技术正在逐渐展现它生力军本色。
CSP，全称为Chip Scale Package，即芯片尺寸封装。作为新一代的芯片封装技术，在TSOP、BGA的基础上，CSP的性能又有了革命性的提升。
1：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32mm2，约为BGA的1/3，仅仅相当于TSOP面积的1/6。这样在相同封装尺寸时可有更多的I/O数，使组装密度进一步提高，可以说CSP是缩小了的BGA。
2：CSP封装芯片不但体积小，同时也更薄，其金属基板到散热体的最有效散热路径仅有0.2mm，大大提高了芯片在长时间运行后的可靠性，线路阻抗显著减小，芯片速度也随之得到大幅度的提高。
3：CSP封装的电气性能和可靠性也比BGA、TSOP有相当大的提高。在相同的芯片面积下CSP所能达到的引脚数明显的要比TSOP（薄形小外形封装）、BGA引脚数多的多（TSOP最多304根，BGA以600根为限，CSP原则上可以制造1000根），这样它可支持I/O端口的数目就增加了很多。
4：CSP封装芯片的中心引脚形式有效的缩短了信号的传导距离，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%。
在CSP封装方式中，芯片是通过一个个锡球焊接在PCB板上，由于焊点和PCB板的接触面积较大，所以芯片在运行中所产生的热量可以很容易地传导到PCB板上并散发出去；而传统的TSOP封装方式中，芯片是通过芯片引脚焊在PCB板上的，焊点和PCB板的接触面积较小，使得芯片向PCB板传热就相对困难。CSP封装可以从背面散热，且热效率良好，CSP的热阻为35℃/W，而TSOP热阻40℃/W。测试结果显示，运用CSP封装的芯片可使传导到PCB板上的热量高达88.4%，而TSOP芯片中传导到PCB板上的热量为71.3%。另外由于CSP芯片结构紧凑，电路冗余度低，因此它也省去了很多不必要的电功率消耗，芯片耗电量和工作温度相对降低。
目前CSP已经开始应用于超高密度和超小型化的消费类电子产品领域，如内存条、移动电话、便携式电脑、PDA、超小型录像机、数码相机等产品
四、面向未来的新的封装技术
　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基础上做了改进，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。
　1994年9月三菱电气研究出一种芯片面积/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封装具有以下特点:
1.满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要;
2.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;
3.封装面积缩小到BGA的1/4至1/10，延迟时间缩小到极短。

曾有人想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM(Multi Chip Model)。它将对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。

MCM的特点有:
1.封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化;
2.缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3;
3.可靠性大大提高。
　随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将多个LSI芯片组装在一个精密多层布线的外壳内形成MCM产品的想法。进一步又产生另一种想法:把多种芯片的电路集成在一个大圆片上，从而又导致了封装由单个小芯片级转向硅圆片级(wafer level)封装的变革，由此引出系统级芯片SOC(System On Chip)和电脑级芯片PCOC(PC On Chip)。
随着CPU和其他ULSI电路的进步，集成电路的封装形式也将有相应的发展，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。