CPU芯片封裝技術(shù)的發(fā)展演變

?????? 摘 要： 本文主要介紹了CPU芯片封裝技術(shù)的發(fā)展演變，以及未來的芯片封裝技術(shù)。同時(shí)，中可以看出芯片技術(shù)與封裝技術(shù)相互促進(jìn)，協(xié)調(diào)發(fā)展密不可分的關(guān)系。
關(guān)鍵詞： CPU；封裝；BGA

?????? 摩爾定律預(yù)測：每平方英寸芯片的晶體管數(shù)目每過18個(gè)月就將增加一倍，成本則下降一半。世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直遵循著這條定律，以美國Intel公司為例，自1971年設(shè)計(jì)制造出4位微處理器芯片以來，在30多年時(shí)間內(nèi)，CPU從Intel4004、80286、80386、80486發(fā)展到目前的PentiumⅣ，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3GHz以上；今天市場上正式發(fā)售的PentiumⅣ3．06GHz已經(jīng)能夠在1．46平方厘米的空間內(nèi)集成5500萬個(gè)晶體管，而該公司預(yù)言，2010年將推出集成度為10億個(gè)晶體管的微處理器；封裝的輸入／輸出(I／O)弓Id卻從幾十根，逐漸增加到幾百根，本世紀(jì)初可能達(dá)2000根以上。技術(shù)的發(fā)展可謂一日千里(如表1所示)。

????????對于CPU，讀者已經(jīng)很熟悉了，Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ、Celeron、K6、K6-2、K7……相信您可以數(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、保持芯片和增強(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。

?????? 封裝形式敘述如下：

??????(1)DIP封裝

??????70年代流行的雙列直插封裝，簡稱DIP(Dualh-line Package)。DIP封裝結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

??????1)適合PCB的穿孑L安裝；

??????2)比TO型封裝易于對PCB布線；

?????? 3)操作方便。

?????? DIP封裝結(jié)構(gòu)形式有多種，如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)等。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)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。

???? (2)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 Carder)、小尺寸封裝SOP(Small Outline Package)、塑料四邊引出扁平封裝PQFP(Plastic Quad FlatPackage)。

?????? 以0．5mm焊區(qū)中心距，208根I／O弓IA卻的QFP封裝的CPU為例，外形尺寸28 X 28mm，芯片尺寸10x 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；

???? 5)在這期間，Intel公司的CPU，如Intel 080386就采用塑料四邊引出扁平封裝PQFP。

???? (3)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--球珊陣列封裝，簡稱BGA(Ball Grid Array Package)，它的I／O端子以圓形或柱狀焊點(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面，引線間距大，引線長度短，這樣BGA消除了精細(xì)間距器件中由于引線而引起的共面度和翹曲的問題。BGA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可增加I／O數(shù)和間距，消除QFP技術(shù)的高I／O數(shù)帶來的生產(chǎn)成本和可靠性問題。

?????? 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引腳封裝的最佳選擇。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盲旨；

??????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、PentiumPro、PentiumⅡ、PentiumⅢ以及新推出的PentiumⅣ芯片采用陶瓷針柵陣列封裝CPGA和陶瓷球柵陣列封裝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。

???? (4)面向未來的新的封裝技術(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)上做丁改進(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)封裝延遲時(shí)間縮小，易于實(shí)現(xiàn)組件高速化；

?????? 2)縮小整機(jī)／組件封裝尺寸和重量，一般體積減小1／4，重量減輕1／3；

????????3)可靠性大大提高。

????????隨著LSI設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝的進(jìn)步及深亞微米技術(shù)和微細(xì)化縮小芯片尺寸等技術(shù)的使用，人們產(chǎn)生了將多個(gè)LSI芯片組裝在一個(gè)精密多層布線的外殼內(nèi)形成MCM產(chǎn)品的想法。進(jìn)一步又產(chǎn)生了另一種想法：把多種芯片的電路集成在一個(gè)大圓片上，從而又導(dǎo)致了封裝由單個(gè)小芯片級轉(zhuǎn)向硅圓片級(waferleVel)封裝的變革，由此引出系統(tǒng)級芯片SOC(System On Chip)和電腦級芯片PCOC(PC On Chip)。

?????? 隨著CPU和其他ULSI電路的進(jìn)步，集成電路的封裝形式也將有相應(yīng)的發(fā)展，封裝形式的進(jìn)步又將反過來促進(jìn)芯片技術(shù)向前發(fā)展，從而形成一種相互促進(jìn)，協(xié)調(diào)發(fā)展密不可分的關(guān)系。