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谈谈CPU芯片封装技术

来源:芯片解密-龙芯世纪   时间:2009-10-09   阅读:1474

    对于CPU,大家已经很熟悉了,PentiumPentiumⅡPentiumⅢPentiumⅣCeleronK6K6-2K7……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DIPQFPPGABGACSP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:

      (1)DIP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)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40IO引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)CPU为例,其芯片面积/封装面积=3 × 31524 × 50=186,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CPU808680286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)

    05mm焊区中心距,208IOIA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× 1028× 28=178,由此可-QFPDIP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,LSIVLSIULSI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,IO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IO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IO数和间距,消除QFP技术的高IO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IO引脚封装的最佳选择。其特点有:

      1)IO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12以上,重量减轻34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QFPPGA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PentiumPentiumProPentiumⅡPentiumⅢ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。

    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,封装形式的进步又将反过来促进芯片技术向前发展,从而形成一种相互促进,协调发展密不可分的关系。