簡述芯片封裝技術(shù)

　　芯片封裝技術(shù)就是將內(nèi)存芯片包裹起來，以避免芯片與外界接觸，防止外界對(duì)芯片的損害的一種工藝技術(shù)?？諝庵械碾s質(zhì)和不良?xì)怏w，乃至水蒸氣都會(huì)腐蝕芯片上的精密電路，進(jìn)而造成電學(xué)性能下降。不同的封裝技術(shù)在制造工序和工藝方面差異很大，封裝后對(duì)內(nèi)存芯片自身性能的發(fā)揮也起到至關(guān)重要的作用。 隨著光電、微電制造工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品始終在朝著更小、更輕、更便宜的方向發(fā)展，因此芯片元件的封裝形式也不斷得到改進(jìn)。芯片的封裝技術(shù)多種多樣，有DIP、POFP、TSOP、BGA、QFP、CSP等等，種類不下三十種，經(jīng)歷了從DIP、TSOP到BGA的發(fā)展歷程。芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷了幾代的變革，性能日益先進(jìn)，芯片面積與封裝面積之比越來越接近1,適用頻率越來越高，耐溫性能越來越好，以及引腳數(shù)增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，使用更加方便。

　?。ㄒ唬?自從美國Intel公司1971年設(shè)計(jì)制造出4位微處a理器芯片以來，在20多年時(shí)間內(nèi)，CPU從Intel4004、80286、80386、80486發(fā)展到Pentium和PentiumⅡ，數(shù)位從4位、8位、16位、32位發(fā)展到64位；主頻從幾兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶體管數(shù)由2000個(gè)躍升到500萬個(gè)以上；半導(dǎo)體制造技術(shù)的規(guī)模由SSI、MSI、LSI、VLSI達(dá)到 ULSI.封裝的輸入/輸出（I/O）引腳從幾十根，逐漸增加到 幾百根，下世紀(jì)初可能達(dá)2千根。這一切真是一個(gè)翻天覆地的變化。

　　對(duì)于CPU,讀者已經(jīng)很熟悉了，286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ、Celeron、K6、K6-2 ……相信您可以如數(shù)家珍似地列出一長串。但談到CPU和其他大規(guī)模集成電路的封裝，知道的人未必很多。所謂封裝是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁--芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印制板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此，封裝對(duì)CPU和其他LSI集成電路都起著重要的作用。

　　新一代CPU的出現(xiàn)常常伴隨著新的封裝形式的使用。 芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷了好幾代的變遷，從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)，包括芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1,適用頻率越來越高，耐溫性能越來越好，引腳數(shù)增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，使用更加方便等等。 下面將對(duì)具體的封裝形式作詳細(xì)說明

　　一、DIP封裝 70年代流行的是雙列直插封裝，簡稱DIP（Dual In-line Package）。DIP封裝結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： 1.適合PCB的穿孔安裝； 2.比TO型封裝易于對(duì)PCB布線； 3.操作方便 DIP封裝結(jié)構(gòu)形式有：多層陶瓷雙列直插式DIP,單層陶瓷雙列直插式DIP,引線框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式，塑料包封結(jié)構(gòu)式，陶瓷低熔玻璃封裝式）。 衡量一個(gè)芯片封裝技術(shù)先進(jìn)與否的重要指標(biāo)是芯片面積與封裝面積之比，這個(gè)比值越接近1越好。以采用40根I/O引腳塑料包封雙列直插式封裝（PDIP）的CPU為例，其芯片面積/封裝面積=3×3/15.24×50=1:86,離1相差很遠(yuǎn)。不難看出，這種封裝尺寸遠(yuǎn)比芯片大，說明封裝效率很低，占去了很多有效安裝面積 Intel公司這期間的CPU如8086、80286都采用PDIP封裝。

　　二、芯片載體封裝

　　80年代出現(xiàn)了芯片載體封裝，其中有陶瓷無引線芯片載體LCCC（Leadless Ceramic Chip Carrier）、塑料有引線芯片載體PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）、小尺寸封裝SOP（Small Outline Package）、塑料四邊引出扁平封裝PQFP（Plastic Quad Flat Package），封裝結(jié)構(gòu)形式如圖3、圖4和圖5所示。 以0.5mm焊區(qū)中心距，208根I/O引腳的QFP封裝的CPU為例，外形尺寸28×28mm,芯片尺寸10×10mm,則芯片面積/封裝面積=10×10/28×28=1:7.8,由此可見QFP比DIP的封裝尺寸大大減小。QFP的特點(diǎn)是： 1.適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線； 2.封裝外形尺寸小，寄生參數(shù)減小，適合高頻應(yīng)用； 3.操作方便； 4.可靠性高。 在這期間，Intel公司的CPU,如Intel 80386就采用塑料四邊引出扁平封裝PQFP.

　　三、BGA封裝

    90年代隨著集成技術(shù)的進(jìn)步、設(shè)備的改進(jìn)和深亞微米技術(shù)的使用，LSI、VLSI、ULSI相繼出現(xiàn)，硅單芯片集成度不斷提高，對(duì)集成電路封裝要求更加嚴(yán)格，I/O引腳數(shù)急劇增加，功耗也隨之增大。為滿足發(fā)展的需要，在原有封裝品種基礎(chǔ)上，又增添了新的品種--球柵陣列封裝，簡稱BGA（Ball Grid Array Package）。 BGA一出現(xiàn)便成為CPU、南北橋等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引腳封裝的選擇。其特點(diǎn)有： 1.I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳間距遠(yuǎn)大于QFP,從而提高了組裝成品率；2.雖然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，簡稱C4焊接， 從而可以改善它的電熱性能：3.厚度比QFP減少1/2以上，重量減輕3/4以上；4.寄生參數(shù)減小，信號(hào)傳輸延遲小，使用頻率大大提高；5.組裝可用共面焊接，可靠性高；6.BGA封裝仍與QFP、PGA一樣，占用基板面積過大； Intel公司對(duì)這種集成度很高（單芯片里達(dá)300萬只以上晶體管），功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、PentiumⅡ采用陶瓷針柵陣列封裝CPGA和陶瓷球柵陣列封裝CBGA,并在外殼上安裝微型排風(fēng)扇散熱，從而達(dá)到電路的穩(wěn)定可靠工作。 四、面向未來新的封裝技術(shù) BGA封裝比QFP先進(jìn)，更比PGA好，但它的芯片面積/封裝面積的比值仍很低。 Tessera公司在BGA基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，研制出另一種稱為μBGA的封裝技術(shù)，按0.5mm焊區(qū)中心距，芯片面積/封裝面積的比為1:4,比BGA前進(jìn)了一大步。

　　1994年9月日本三菱電氣研究出一種芯片面積/封裝面積=1:1.1的封裝結(jié)構(gòu)，其封裝外形尺寸只比裸芯片大一點(diǎn)點(diǎn)。也就是說，單個(gè)IC芯片有多大，封裝尺寸就有多大，從而誕生了一種新的封裝形式，命名為芯片尺寸封裝，簡稱CSP（Chip Size Package或Chip Scale Package）。CSP封裝具有以下特點(diǎn)： 1.滿足了LSI芯片引出腳不斷增加的需要；2.解決了IC裸芯片不能進(jìn)行交流參數(shù)測(cè)試和老化篩選的問題；3.封裝面積縮小到BGA的1/4至1/10,延遲時(shí)間縮小到極短。 曾有人想，當(dāng)單芯片一時(shí)還達(dá)不到多種芯片的集成度時(shí)，能否將高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片（用LSI或IC）和專用集成電路芯片（ASIC）在高密度多層互聯(lián)基板上用表面安裝技術(shù)（SMT）組裝成為多種多樣電子組件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)。由這種想法產(chǎn)生出多芯片組件MCM（Multi Chip Model）。它將對(duì)現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通訊業(yè)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

　　MCM的特點(diǎn)有：

　　1.延時(shí)短，傳輸速度提高

　　由于采用高密度互連技術(shù)，其互連線較短，信號(hào)傳輸延時(shí)明顯縮短。與單芯片表面貼裝技術(shù)相較，其傳輸速度提高4-6倍，可以滿足100MHz的速度要求。

　　2.體積小，重量輕

　　采用多層布線基板和裸芯片，因此其組裝密度較高，產(chǎn)品體積小，重量輕。其組裝效率可達(dá)30%,重量可減少80-90%.

　　3.可靠性高

　　統(tǒng)計(jì)表明，電子產(chǎn)品的失效大約90%是由于封裝和電路互連所引起的，MCM集有源器件和無源元件于一體，避免了器件級(jí)的封裝，減少了組裝層次，從而有效地提高了可靠性。

　　4.高性能和多功能化

　　MCM可以將數(shù)字電路、模擬電路、微波電路、功率電路以及光電器件等合理有效地集成在一起，形成半導(dǎo)體技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的多功能部件或系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高性能和多功能化。