 |
VOOZH | about |
|
VOOZH | about |
所謂封裝是指安裝半導體集成電路晶片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、保護晶片和增強散熱功能的作用，而且還是溝通晶片內部與外部電路的橋樑。封裝對CPU起著重要的作用。晶片封裝技術已經歷了好幾代的變遷，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA,技術指標一代比一代先進。目前封裝技術適用晶片的頻率越來越高，散熱性能越來越好，引腳數增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性有很大提離。
1.封裝技術中的問題在通過了嚴格的測試後，已經具備各種電路結構的矽片就可以送至封裝廠，切割成單個CPU的核心（die），然後進行封裝。採用不同封裝技術的CPU，在性能上存在較大差距。衡量一個晶片封裝技術是否先進，一個重要的指標是晶片面積與封裝面積之比，這個比值越接近1越好。而且每出現一代新的CPU，就伴隨著一種新的封裝技術。
CPU封裝的 目的是使CPU核心與外部電路建立連接，同時作為隔離界面，防止CPU核心部分被外界污染或損傷。對於不同的CPU，封裝形式也不同，例如筆記本CPU的 封裝要求更小更薄，便於散熱。對於伺服器CPU的封裝，要求安全可靠。封裝的材料從陶瓷基底正在轉向有機材料基底，封裝形式也經歷了雙列直插（DIP）到 目前的FC-PGA。CPU封裝技術需要解決四個問題：CPU核心的保護、有利於CPU的散熱、CPU與主板的連接方式、封裝成本問題。CPU的常用封裝形式如圖1所示。圖1 CPU的封裝形式
2. PDIP封裝20世紀70年代流行的是塑料雙列直插封裝（PDIP）形式，PDIP封裝結構具有以下特 點：適合PCB的穿孔安裝；易於對印刷電路板布線；操作方便。英特爾公司的8086、 8087都採用PDIP封裝形式。
3. PLCC封裝80286採用了一種稱為塑料四邊引線扁平封裝（PLCC）的形式。PQFP封裝形式如圖3所示。
4. PQFP封裝塑 料方形扁平封裝（PQFP）主要用於早期筆記本微機CPU封裝。它可以將CPU晶片平面焊接（ATM）在主板上，不需要CPU插座，節省了空間。PQFP 的特點是：適合用表面安裝技術（SMT）在印刷電路板上安裝布線；封裝尺寸小，寄生參數小，適合高頻應用；可靠性髙。英特爾80386SX、中國龍芯一號 都是採用PQFP封裝形式（如圖3所示）。
5. BGA封裝為了滿足新型CPU和筆記本CPU的需要，又增添了球柵陣列 封裝（BGA）形式，如圖4所示。BGA封裝的特點是：I/O引腳數雖然增多，但引腳間距遠大於PQFP。雖然它的功耗增加了，但是BGA能用可控塌陷芯 片法焊接（簡稱C4焊接），從而可以改善它的導熱性能。重量減輕3/4以上，寄生參數減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高。組裝可用共面焊接，可靠性 高。
BGA封裝有：CBGA（陶瓷球柵陣列封裝〉、LGA（塑料柵格陣列紂裝〉、uFCBGA（微型反轉球柵陣列封裝）幾種方式。英特爾公 司在Pentium II和Pentium III中，採用了一種塑料柵格陣列封裝（LGA）形式，它將CPU內核安裝在一個塑料基板上。伹是塑料柵格陣列封裝（LGA）沒有使用低溫焊接球，而是使 用很小的焊盤。Pentium III筆記本CPU封裝形式如圖5所示。圖5 BGA封裝形式
6. PGA封裝PGA（針 柵陣列）封裝是使用最為廣泛的一種封裝方式。通常這種封裝是正方形的，在中央區周圍均勻地分布著3 ~4排甚至更多引腳，引腳能插人主板CPU插座上對應的插孔。這種封裝形式非常適合針腳多的CPU。PGA封裝的引腳是鍍金的，這樣可以保證信號接觸良 好。PGA封裝有：CPGA（陶瓷針柵陣列）、OPGA(有機玻璃針柵陣列）、PPGA（塑料針柵陣列）、SPGA（交錯針柵陣列）等。
7. SEPP封裝英 特爾公司設計Pentium II CPU時，英特爾公司的工程師把L2 Cache同CPU核心分開放置，以減少熱量對CPU的影響，英特爾公司稱這種封裝形式為SEPP。PGA封裝形式採用Socket插座，CPU都全部緊 貼在主板上，散熱效果極差。而SEPP封裝將CPU以LGA方式封裝在一塊轉接板上，然後像板卡一樣立起來，兩邊都能散熱。這種形式確實讓CPU的散熱效 率大大增強，但成本方面的問題讓它的價格始終不能降得太低。之後，英特爾公司又在早期的Pentium III CPU中採用了SECC封裝形式，但是由於成本太髙，在以後的Pentium III CPU中又廢棄了這種封裝形式。Pentium II CPU的SEPP封裝形式如圖6所示。圖7 FC-PGA封裝
如圖8所示，FC-PGA封裝2（反轉晶片針柵陣列）封裝把以往"倒掛"在封裝基片下的核心翻轉180度，使之固定於封裝基片之上，這樣可以縮短連線，並有利散熱。不過這並非英特爾公司的創舉，AMD公司在K6 CPU中就採用了類似的技術。圖8 FC-PGA2封裝形式
FC- PGA封裝的缺點在於CPU核心直接暴露在頂部，散熱片與CPU核心直接接觸，雖然有利於散熱，但是，如果在安裝風扇時不小心，就很容易造成核心部分破 碎。因此，以後英特爾公司將FC-PGA改造成為FC-PGA2的形式。FC-PGA2在CPU核心上方安裝一塊方形金屬蓋，這塊金屬蓋除了能保護脆弱的 CPU核心外，還與CPU核心的嵌人式散熱片緊密接觸，可以迅速將熱量快速排出，確保CPU核心內部的溫度不致太高。
9. BBUL封裝技術目前CPU中的矽晶片通過焊接"凸點"小球與封裝基底連接，如圖9所示。這些凸點成為核心與封裝層之間的電流通路，然後再由封裝層與。CPU引腳連接。隨著CPU速度的提髙，晶片封裝技術中對焊接凸點的材質、焊接密度、焊接工藝等技術 要求越來越髙。
2001年，英特爾公司宣布發展一種新型的CPU封裝技術，這種稱為無凸點內層(BBUL)的封裝技術，可以用於內部電晶體數目超過10億個的核心封裝，這是目 前封裝技術無法做到的。
無 凸點內層 (BBUL)的封裝技術徹底免除了焊接凸點，而是將封裝材料直接"生成"在CPU矽晶片核心周圍。另外，無凸點內層(BBUL)封裝採用了髙速銅接線技 術，將矽晶片連接到不同的封裝層中。這些新技術減少了CPU的厚度，使得工作電壓更低。無凸點內層(BBUL)封裝技術可以用於製造多晶片CPU，例如可 以將兩個矽晶片嵌入在一個封裝里。這樣就可以將CPU、存儲器、外圍電路 等封裝在一起，為單片計算機創造史好的條件（如圖10所示〉。圖9 CPU焊接凸點放大圖（顯微放大圖）
