CPU芯片封裝技術(shù)的發(fā)展

時間：2018-10-17 13:00:09

關(guān)鍵字： CPU 技術(shù) 芯片

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[導(dǎo)讀]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，我們從中可以看出芯片技術(shù)與封裝技術(shù)相互促進，協(xié)調(diào)發(fā)展密不可分的關(guān)系。關(guān)鍵詞：CPU；封裝；BGA中圖分類號：TN305．94 文獻標識碼

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，我們從中可以看出芯片技術(shù)與封裝技術(shù)相互促進，協(xié)調(diào)發(fā)展密不可分的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：CPU；封裝；BGA

中圖分類號：TN305．94 文獻標識碼：A 文章編號：1681-1070(2005)04-01-04

1 引言

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)計制造出4位微處理器芯片4004以來，在30多年時間內(nèi)，CPU從Intel 4004、8086發(fā)展到目前的Pentium4，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Prescott核心的新Pentium4處理器已經(jīng)能夠在1．12平方厘米的空間內(nèi)集成125000000個晶體管，而該公司預(yù)言，2010年將推出集成度為10億個晶體管的微處理器；封裝的輸入／輸出(I／O)引腳從十幾條，逐漸增加到幾百條，本世紀初可能達2 000條以上。技術(shù)的發(fā)展可謂一日千里(如表1所示)[1]。

對于CPU，讀者已經(jīng)很熟悉了，Pentium、Pentium2、Pentium3、Pentium4、Celeron、K6、K6-2、K7……相信您可以如數(shù)家珍地列出一長串。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、保護芯片和增強電熱性能的作用，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、PLCC到BGA再到MCM，技術(shù)指標一代比一代先進，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。

下面幾節(jié)將對具體的CPU封裝形式作詳細說明。

2 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：

①適合PCB的穿孔安裝；
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。衡量一個芯片封裝技術(shù)先進與否的重要指標是芯片面積與封裝面積之比，這個比值越接近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8086CPU為例，其芯片面積／封裝面積=3×3／15．24×50=1：86，離1相差很遠。

不難看出，這種封裝尺寸遠比芯片大，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4004(如圖1)、8086(如圖2)都采用PDIP封裝。

3 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)。

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28mm×28mm，芯片尺寸10mm X 10mm，則芯片面積佶才裝面積=10×10／28×28=1：7．8，由此可見QFP比DIP的封裝尺寸大大減小。芯片載體封裝的特點是：

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Intel80286(如圖3)就采用塑料有引線芯片載體PLCC。

4 BGA封裝

90年代隨著集成技術(shù)的進步、設(shè)備的改進和深亞微米技術(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——焊球陣列封裝，簡稱BGA(Ball Grid Array Package)，它的I／O引腳以圓形或柱狀焊點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)點是可增加I／O數(shù)和間距，消除OFP技術(shù)的高I／O數(shù)帶來的生產(chǎn)成本和可靠性問題[2]。

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。其特點有：

①I／O引腳數(shù)雖然增多，但引腳間距遠大于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；
⑥BGA封裝仍與QFP、PGA一樣，占用基板面積過大。

從386(如圖4)開始，Intel公司就開始采用陶瓷針柵陣列封裝CPGA和陶瓷焊球柵陣列封裝CBGA，與傳統(tǒng)BGA封裝技術(shù)略有不同，用針腳代替了焊球，如486、Pentium、Pentium3以及Pentium4(如圖5)芯片，并在外殼上安裝微型排風扇散熱，從而達到電路的穩(wěn)定可靠工作。這其中Pentium2和部分老式的Pentium3采用了一種類似插卡設(shè)計的SLOT1架構(gòu)，但很快就消失了。最新的LGA775處理器(Prescott核心)采用了獨特的無針腳設(shè)計(如圖6)，而安裝插座則轉(zhuǎn)而采用針腳設(shè)計(如圖7)，但這也給CPU的安裝帶來了一定難度。

5 面向未來的新型CPU封裝技術(shù)

BGA封裝比QFP先進，但它的芯片面積／封裝面積的比值仍很低。這時有人設(shè)想，當單芯片一時還達不到多種芯片的集成度時，能否將多個集成電路芯片在高密度多層互聯(lián)基板上用表面安裝技術(shù)(SMT)組裝成為多種多樣的電子組件、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)代化的計算機、自動化、通訊業(yè)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。圖8所示的是帶有八顆核心的IBM Power5處理器。Intel推出的新一代64位處理器Itanium(安騰)也采用了MCM技術(shù)，從這里開始，Intel的CPU歷史又要邁開新的一步。

MCM的特點有：

①封裝延遲時間縮小，易于實現(xiàn)組件高速化；
②縮小整機／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)計技術(shù)和工藝的進步及深亞微米技術(shù)和微細化縮小芯片尺寸等技術(shù)的使用，人們產(chǎn)生了將多個LSI芯片組裝在一個精密多層布線的外殼內(nèi)形成MCM產(chǎn)品的想法，并進一步又產(chǎn)生另一種想法：把多種芯片的電路集成在一個大圓片上，從而又導(dǎo)致了封裝由單個小芯片級轉(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)。