原创 芯片封装技术

　　所谓“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。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　　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：

1. 
   
2. 芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近1：1
   
3. 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
   
4. 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芯片的主要封装技术：

1. 
   
2. DIP技术
   
   
3. QFP技术
   
   
4. PFP技术
   
   
5. PGA技术
   
   
6. BGA技术

目前较为常见的封装形式：

• 
  
• OPGA封装
  
  
• mPGA封装
  
  
• CPGA封装
  
  
• FC-PGA封装
  
  
• FC-PGA2封装
  
  
• OOI封装
  
  
• PPGA封装
  
  
• S.E.C.C.封装
  
  
• S.E.C.C.2封装
  
  
• S.E.P.封装
  
  
• PLGA封装
  
  
• CuPGA封装

CPU芯片的主要封装技术：

1)    DIP封装（Dual In-line Package），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. 
   
2. 适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。
   
   
3. 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。

2)    QFP封装，即方型扁平式封装技术（Plastic Quad Flat Pockage），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。

3)    PFP封装，该技术的英文全称为Plastic Flat Package，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。

4)    PGA封装，该技术也叫插针网格阵列封装技术（Ceramic Pin Grid Arrau Package），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ZIF CPU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。

　　早先的80486和Pentium、Pentium Pro等CPU均均采用PGA封装形式。

5)    BGA封装，BGA技术（Ball Grid Array Package）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：

1）OPGA封装，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 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）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。

7）“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。

8）“S.E.C.C.”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。

9）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）。

10）            “S.E.P.”是“Single Edge Processor”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Intel Celeron 处理器。

11）            PLGA是Plastic Land Grid Array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Socket 775接口的CPU采用了此封装。

12）            CuPGA是Lidded Ceramic Package Grid Array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。

显存 / 内存颗粒封装

显存封装形式主要有QFP、TSOP-II、MBGA等，其中TSOP-II、MBGA比较常见。早期的SDRAM和DDR显存很多使用TSOP-II，而现在随着显存速度的提高，越来越多的显存使用了MBGA封装，尤其是DDR2和DDR3显存，全都使用了MBGA封装。此外很多厂商也将DDR2和DDR3显存的封装称为FBGA，这种称呼更偏重于对针脚排列的命名，实际是相同的封装形式。此外虽然MBGA和TSOP-II相比，可以达到更高的显存频率，但是不能简单的认为MBGA封装的一定显存一定更好超频，因为是否容易超频，更多的取决于厂商定的默认频率和显存实际能达到的频率之间的差距，包括显卡的设计制造，简单的说MBGA封装可以达到更高频率，但其默认频率也更高。

1）QFP是Quad Flat Package的缩写，是“小型方块平面封装”的意思。QFP封装在早期的显卡上使用的比较频繁，但少有速度在4ns以上的QFP封装显存，因为工艺和性能的问题，目前已经逐渐被TSOP-II和BGA所取代。QFP封装在颗粒四周都带有针脚，识别起来相当明显。

2）TSOP-II（Thin Small Out－Line Package，薄型小尺寸封装）。TSOP封装是在芯片的周围做出引脚，采用SMT技术（表面安装技术）直接附着在PCB板的表面。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。同时TSOP封装具有成品率高，价格便宜等优点，因此得到了极为广泛的应用。TSOP封装是目前应用最为广泛的显存封装类型。TSOP-II封装针脚在显存的两侧。

3）MBGA是指微型球栅阵列封装，英文全称为Micro Ball Grid Array Package。它与TSOP内存芯片不同，MBGA的引脚并非裸露在外，而是以微小锡球的形式寄生在芯片的底部，所以这种显存都看不到引脚。MBGA的优点有杂讯少、散热性好、电气性能佳、可接脚数多，且可提高良率。最突出是由于内部元件的间隔更小，信号传输延迟小，可以使频率有较大的提高。

　　MBGA封装的优点在于杂讯少，散热性好，电气性能佳，可接脚数多，且可提高良品率。最突出特点在于内部元件的间隔更小，信号传输延迟短，可以使频率有较大的提升。

　　与TSOP封装显存相比，MBGA显存性能优异。但也对电路布线提出了要求，前者只要66Pin，引线很长，而且都横卧在PCB板上，设计、焊接、加工和检测相对容易；而后者的面积只有前者的1/4左右，却有144Pin，每个Pin都是体积微小的锡球，设计和生产也就困难多了。早期的SDRAM和DDR显存很多使用TSOP-II，而现在随着显存速度的提高，越来越多的显存使用了MBGA封装，尤其是DDR2和DDR3显存，全都使用了MBGA封装。此外很多厂商也将DDR2和DDR3显存封装称为FBGA，这种称呼更偏重于对针脚排列的命名，实际是相同的封装形式。

4）CSP（Chip Scale Package），是芯片级封装的意思。CSP封装最新一代的内存芯片封装技术，其技术性能又有了新的提升。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三倍。

　　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，线路阻抗显著减小，芯片速度也随之得到大幅度提高。

　　CSP封装内存芯片的中心引脚形式有效地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%。在CSP的封装方式中，内存颗粒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，所以内存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。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。