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1、PCB元器件封装知识CPU ：从 CPU 诞生的那一天起， 其封装技术就经历了多种变化。直到 Pentium 时代，封装形式才基本上稳定下来。 80X86系列的 CPU从 8088 开始经历了 DIP、 PQFP 、 PFP 、PGA 、BGA 等多种在集成电路芯片中使用过的封装技术，其技术性能越来越强，适应的工作频率越来越高， 而且耐热性能也越来越好， 芯片面积与封装面积之比越来越接近于 11。了解 CPU 的封装形式，可以增加对CPU 的进一步认识。#1 一、封装形式的概念所谓封装形式就是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且
2、还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上， 这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接。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，这个比值越接近 1 越好。一般来说，出现一代新的CPU ，就伴随着一种新的封装形式。#1 二、封装类型1.DIP （Dual.In line Package ）双列直插式封装DIP 是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式， 其引脚数一般不超过100。DIP封装的 CPU 芯片有两排引脚，需要插入到具有 DIP 结构的芯片插座上。 当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接
3、。DIP 封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。DIP 封装具有以下特点：适合 PCB （印刷电路板）上穿孔焊接，操作方便。芯片面积与封装面积比值较大。Intel系列 CPU 中 8088就采用这种封装形式，许多Cache和早期的内存芯片也是这种封装形式。2.PQFP （Plastic Quad Flat Package）塑料方型扁平式封装和PFP （Plastic Flat Package）塑料扁平组件式封装PQFP 封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式， 其引脚数一般都在100以上。用这种形式封装的芯片必须采用 SMD （表面
4、安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用SMD 安装的芯片不必在主板上打孔， 一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊盘。将芯片各脚对准相应的焊盘， 即可实现与主板的焊接。 用这种方法焊上去的芯片， 如果不用专用工具是很难拆卸下来的。PFP方式封装的芯片与PQFP 方式基本相同。唯一的区别是PQFP 一般为正方形，而 PFP既可以是正方形，也可以是长方形。PQFP 封装具有以下特点：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - -
5、适用于 SMD 表面安装技术在 PCB上安装布线。适合高频使用。操作方便，可靠性高。芯片面积与封装面积比值较小。Intel系列 CPU 中 80286、80386和某些 486 主板采用这种封装形式。3.PGA （Pin Grid Array Package）插针网格阵列封装PGA 芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，根据管脚数目的多少，可以围成25 圈。安装时，将芯片插入专门的 PGA 插座。为了使得 CPU 能够更方便的安装和拆卸， 从 486芯片开始，出现了一种 ZIF CPU插座，专门用来满足PGA 封装的 CPU在安装和拆卸上的要求
6、。ZIF（Zero Insertion Force Socket）是指零插拔力的插座。把这种插座上的搬手轻轻抬起， CPU 可以很容易、轻松地插入插座中，然后将搬手压回原处，利用插座本身的特殊结构产生的挤压力，将 CPU 的管脚与插座牢牢的接触， 绝对不会存在接触不良的问题。 而拆卸 CPU 芯片只需将插座的搬手轻轻抬起， 则压力解除，CPU 芯片即可轻松取出。PGA 封装具有以下特点：插拔操作更方便，可靠性高。可适应更高的频率。Intel系列 CPU 中 80486和 Pentium、Pentium Pro 采用这种封装形式。4.BGA （Ball Grid Array Package）球栅
7、阵列封装随着集成电路技术的进步， 对集成电路的封装要求更加严格，出现了 BGA 封装技术。BGA 一出现便成为 CPU 、主板南、北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。但 BGA 封装占用基板的面积比较大。BGA 封装具有以下特点：I/O 引脚数虽然增多， 但引脚之间的距离远大于QFP ，从而提高了组装成品率。虽然它的功耗增加， 但其采用了可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能。信号传输延迟小，适应频率大大提高。组装可用共面焊接，可靠性大大提高。Intel系列 CPU 中 Pentium Pro 、Pentium、Pentium采用了陶瓷球栅阵列封装。5.CSP（Chip Si
8、ze Package ）芯片尺寸封装为了减少芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大， 封装尺寸就有多大， 从而出现了 CSP新的封装形式。CSP封装具有以下特点：满足了芯片 I/O 引脚不断增加的需要。芯片面积与封装面积比值很小。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 极大地缩短了延迟时间。6.MCM （Multi Chip Model）多芯片组件为了解决单一的芯片集成度和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高
9、可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用SMD 技术组成多种多样电子组件系统，从而出现了 MCM 多芯片组件系统。MCM 具有以下特点：封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化。缩小整机 / 组件封装尺寸和重量。系统可靠性大大提高。总之，随着 CPU 和其他超大规模集成电路的进步，集成电路的封装形式也将得到相应的变化，而且封装形式的进步又将反过来促进芯片技术向前发展。内存条：从 DIP 封装到 BGA封装芯片的封装技术已经历经好几代的变迁，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，适用频率越来越高， 耐温性能越来越好， 以及引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更
10、加方便等等，都是看得见的变化。 20 世纪 70年代时，芯片封装流行的还是双列直插封装，简称DIP(Dual ln-line Package)。DIP封装在当时具有适合PCB （印刷电路板）的穿孔安装。比 TO型封装易于对 PCB布线以及操作较为方便等一些特点。采用 TSOP 封装技术的芯片到了 80 年代出现的内存第二代封装技术以TSOP 为代表，它很快为业界所普遍采用，到目前为止还保持着内存封装的主流地位。TSOP 是英文 Thin Small Outline Package的缩写，意即薄型小尺寸封装。 TSOP 内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做出引脚，如SDRAM 内存的
11、集成电路两侧都有引脚，SGRAM 内存的集成电路四面都有引脚。TSOP 适合用 SMT 技术（表面安装技术）在PCB （印刷电路板）上安装布线。 TSOP 封装时，寄生参数 ( 电流大幅度变化时，引起输出电压扰动 ) 减小，适合高频应用，操作比较方便，可靠性也比较高。20 世纪 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，芯片集成度不断提高，I / O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。为满足发展的需要， 在原有封装方式的基础上，又增添了新的方式球栅阵列封装，简称BGA （Ball Grid Array Pack
12、age） 。BGA 封装技术有这样一些特点：I / O引脚数虽然增多，但引脚间距并不小，从而提高了组装成品率。 虽然它的功耗增加， 但 BGA 能用可控塌陷芯片法焊接， 从而可以改善它的电热性能。 厚度和重量都较以前的封装技术有所减少。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高。组装可用共面焊接，可靠性高。采用 BGA新技术封装的内存，可以使所有计算机中的DRAM 内存在体积不
13、变的情况下内存容量提高两到三倍，BGA 与 TSOP 相比，具有更小的体积、更好的散热性能和电性能。 BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升，采用BGA 封装技术的内存产品在相同容量下，体积只有TSOP 封装的三分之一。另外，与传统 TSOP 封装方式相比， BGA 封装方式有更加快速和有效的散热途径。不过BGA 封装仍然存在着占用基板面积较大的问题。CSP新一代的内存封装技术在 BGA 技术开始推广的同时， 另外一种从 BGA 发展来的 CSP封装技术正在逐渐展现它生力军本色。CSP ，全称为 Chip Scale Package ，即芯片级封装的意思。作为新一代的芯片封装技术，在
14、BGA 、TSOP 的基础上， CSP 的性能又有了很大的提升。CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1：1.14 ，已经相当接近 1：1 的理想情况，绝对尺寸也仅有32平方毫米，约为普通的 BGA的 1/3 ， 仅仅相当于 TSOP内存芯片面积的 1/6 。这样在相同体积下，内存条可以装入更多的芯片，从而增大单条容量。 也就是说， 与 BGA 封装相比， 同等空间下 CSP封装可以将存储容量提高三倍。 CSP 封装内存不但体积小，同时也更薄，其金属基板到散热体的最有效散热路径仅有 0.2mm ，大大提高了内存芯片在长时间运行时的可靠性，线路阻抗显著减小，芯片速度也随之得到大幅度的提高。不
15、少国际 DRAM 大厂商都表示，虽然目前 DDR266 或 DDR200 很多还采用 TSOP 封装技术，但自 DDR333 开始，如再使用传统 SDRAM 的 TSOP 封装的话， 在量产良品率上势必会出现极大问题，因此如需将规格向上提高到DDR333 ，则需将封装方式改用为 CSP封装才有机会。据了解，目前DRAM 颗粒厂如采用 0.175 微米工艺来制造 DDR333 颗粒，良品率上最多仅能达到20%( 原因在于 0.175 微米工艺是用来制造 DDR266) ，但如将工艺提升至0.15 微米甚至 0.13 微米，用来制造DDR333颗粒， 其良品率将可高达70% 80% 。 对于 DR
16、AM 颗粒厂商而言，在制造一颗 DDR266与 DDR333 时所耗费成本几乎是相差不大，因此使用CSP封装的高性能内存是大势所趋。CSP的 SDRAM 模块，应用了倒装焊技术，与相同的模块空间TSOP 封装比，它可以很容易地将内存容量增加为四倍以上。CSP 的电气性能和可靠性也相比BGA 、TOSP 有相当的提高。在相同的芯片面积下CSP 所能达到的引脚数明显地要比名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - TSOP 、B
17、GA 引脚数多得多（ TSOP 最多 304 根，BGA 以 600 根为限， CSP原则上制造 1000 根都不难），这样它可支持 I/O 端口的数就增加了很多。此外， CSP封装内存芯片的中心引脚形式有效地缩短了信号的传导距离，其衰减随之减少， 芯片的抗干扰、 抗噪性能也能得到大幅提升，这也使得 CSP的存取时间比 BGA 改善 15% 20% 。在 CSP 的封装方式中，内存颗粒是通过一个个锡球焊接在 PCB板上，由于焊点和 PCB板的接触面积较大， 所以内存芯片在运行中所产生的热量可以很容易地传导到PCB板上并散发出去。而传统的TSOP 封装方式中，内存芯片是通过芯片引脚焊在PCB板上
18、的，焊点和 PCB板的接触面积较小，使得芯片向 PCB板传热就相对困难。 CSP封装可以从背面散热，且热效率良好，CSP的热阻为 35/W，而 TSOP 热阻 40/W。测试结果显示，运用Micro-CSP 封装的内存可使传导到PCB板上的热量高达 88.4%，而 TSOP 内存中传导到 PCB 板上的热量为 71.3%。另外由于 CSP芯片结构紧凑，电路冗余度低，因此它也省去了很多不必要的电功率消耗，致使芯片耗电量和工作温度相对降低。随着以 CPU 为主的计算机系统性能的总体大幅度提升趋势，人们对于内存的品质和性能要求也日趋苛刻。 为此，人们要求内存封装更加精致，以适应大容量的内存芯片，同时也要求内存封装的散热性能更好，以适应越来越快的核心频率。毫无疑问的是，进展不太大的TSOP 等内存封装技术也越来越不适用于高频、高速的新一代内存的封装需求，新的CSP内存封装技术让我们看到了未来的方向。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -