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浅述CPU芯片封装技术的演变

   文章来源:世纪芯抄板公司  发布时间:2009-11-25  访问量:1570

  世纪芯专业提供电路板抄板、板上IC芯片解密、PCB原理图反推、物料清单BOM制作、电路板克隆、电路板打样、电路板焊接、样机全套克隆、样机制作与调试、产品全套技术资料提取等技术服务,本文将概览回顾一下芯片封装技术的发展历程。
  摩尔定律预测:每平方英寸芯片的晶体管数目每过18个月就将增加一倍,成本则下降一半。世界半导体产业的发展一直遵循着这条定律,以美国Intel公司为例,自1971年设计制造出4位微处理器芯片以来,在30多年时间内,CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到目前的PentiumⅣ,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3GHz以上;今天市场上正式发售的PentiumⅣ3.06GHz已经能够在1.46平方厘米的空间内集成5500万个晶体管,而该公司预言,2010年将推出集成度为10亿个晶体管的微处理器;封装的输入/输出(I/O)弓Id却从几十根,逐渐增加到几百根,本世纪初可能达2000根以上。技术的发展可谓一日千里。
  对于CPU,读者已经很熟悉了,Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ、Celeron、K6、K6-2、K7……相信您可以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、保持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。封装形式叙述如下:
  封装
  70年代流行的双列直插封装,简称DIP(Dualh-line Package)。DIP封装结构具有以下特点:
  1)适合PCB的穿孑L安装;
  2)比TO型封装易于对PCB布线;
  3)操作方便。
  DIP封装结构形式有多种,如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。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。
  (2)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 Carder)、小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad FlatPackage)。
  以0.5mm焊区中心距,208根I/O弓IA却的QFP封装的CPU为例,外形尺寸28 X 28mm,芯片尺寸10x 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;
  5)在这期间,Intel公司的CPU,如Intel 080386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。
  (3)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--球珊阵列封装,简称BGA(Ball Grid Array Package),它的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面,引线间距大,引线长度短,这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。BGA技术的优点是可增加I/O数和间距,消除QFP技术的高I/O数带来的生产成本和可靠性问题。
  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盲旨;
  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、PentiumPro、PentiumⅡ、PentiumⅢ以及新推出的PentiumⅣ芯片采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装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。
  (4)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。
  1994年9月日本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。进一步又产生了另一种想法: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(waferleVel)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)。

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