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CPU封裝是採用特定的材料將CPU晶元或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護措施,一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決於CPU安裝形式和器件集成設計,從大的分類來看通常採用Socket插座進行安裝的CPU使用PGA(柵格陣列)方式封裝,而採用Slot x槽安裝的CPU則全部採用SEC(單邊接插盒)的形式封裝。現在還有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封裝技術。由於市場競爭日益激烈,目前CPU封裝技術的發展方向以節約成本為主。

1簡介

封裝形式
自從美國Intel公司1971年設計製造出4位微處a理器晶元以來,在20多年時間內,CPU從Intel4004、80286、80386、80486發展到Pentium和PentiumⅡ,數位從4位、8位、16位、32位發展到64位;主頻從幾兆到今天的400MHz以上,接近GHz;CPU晶元里集成的晶體管數由2000個躍升到500萬個以上;半導體製造技術的規模由SSI、MSI、LSI、VLSI達到 ULSI。封裝的輸入/輸出(I/O)引腳從幾十根,逐漸增加到幾百根,下世紀初可能達2千根。這一切真是一個翻天覆地的變化。
對於CPU,讀者已經很熟悉了,286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ、Celeron、K6、K6-2 ……相信您可以如數家珍似地列出一長串。但談到CPU和其他大規模集成電路的封裝,知道的人未必很多。所謂封裝是指安裝半導體集成電路晶元用的外殼,它不僅起著安放、固定、密封、保護晶元和增強電熱性能的作用,而且還是溝通晶元內部世界與外部電路的橋樑——晶元上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上,這些引腳又通過印製板上的導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的出現常常伴隨著新的封裝形式的使用。
晶元的封裝技術已經歷了好幾代的變遷,從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,技術指標一代比一代先進,包括晶元面積與封裝面積之比越來越接近於1,適用頻率越來越高,耐溫性能越來越好,引腳數增多,引腳間距減小,重量減小,可靠性提高,使用更加方便等等。
下面將對具體的封裝形式作詳細說明。

2具體介紹

晶元載體封裝
80年代出現了晶元載體封裝,其中有陶瓷無引線晶元載體LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引線晶元載體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),封裝結構形式如圖3、圖4和圖5所示。
以0.5mm焊區中心距,208根I/O引腳的QFP封裝的CPU為例,外形尺寸28×28mm,晶元尺寸10×10mm,則晶元面積/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的特點是:
1.適合用SMT表面安裝技術在PCB上安裝布線;
2.封裝外形尺寸小,寄生參數減小,適合高頻應用;
3.操作方便;
4.可靠性高。
在這期間,Intel公司的CPU,如Intel 80386就採用塑料四邊引出扁平封裝PQFP。
面向未來的新的封裝技術
BGA封裝比QFP先進,更比PGA好,但它的晶元面積/封裝面積的比值仍很低。
Tessera公司在BGA基礎上做了改進,研製出另一種稱為μBGA的封裝技術,按0.5mm焊區中心距,晶元面積/封裝面積的比為1:4,比BGA前進了一大步。
1994年9月日本三菱電氣研究出一種晶元面積/封裝面積=1:1.1的封裝結構,其封裝外形尺寸只比裸晶元大一點點。也就是說,單個IC晶元有多大,封裝尺寸就有多大,從而誕生了一種新的封裝形式,命名為晶元尺寸封裝,簡稱CSP(Chip Size Package或Chip Scale Package)。CSP封裝具有以下特點:
1.滿足了LSI晶元引出腳不斷增加的需要;
2.解決了IC裸晶元不能進行交流參數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,延遲時間縮小到極短。
曾有人想,當單晶元一時還達不到多種晶元的集成度時,能否將高集成度、高性能、高可靠的CSP晶元(用LSI或IC)和專用集成電路晶元(ASIC)在高密度多層互聯基板上用表面安裝技術(SMT)組裝成為多種多樣電子組件、子系統或系統。由這種想法產生出多晶元組件MCM(Multi Chip Model)。它將對現代化的計算機、自動化、通訊業等領域產生重大影響。MCM的特點有:
1.封裝延遲時間縮小,易於實現組件高速化;
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設計技術和工藝的進步及深亞微米技術和微細化縮小晶元尺寸等技術的使用,人們產生了將多個LSI晶元組裝在一個精密多層布線的外殼內形成MCM產品的想法。進一步又產生另一種想法:把多種晶元的電路集成在一個大圓片上,從而又導致了封裝由單個小晶元級轉向硅圓片級(wafer level)封裝的變革,由此引出系統級晶元SOC(System On Chip)和電腦級晶元PCOC(PC On Chip)。
隨著CPU和其他ULSI電路的進步,集成電路的封裝形式也將有相應的發展,而封裝形式的進步又將反過來促成晶元技術向前發展。
封裝形式
封裝形式是指安裝半導體集成電路晶元用的外殼。它不僅起著安裝、固定、密封、保護晶元及增強電熱性能等方面的作用,而且還通過晶元上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上,這些引腳又通過印刷電路板上的導線與其他器件相連接。衡量一個晶元封裝技術先進與否的重要指標是晶元面積與封裝面積之比,這個比值越接近1越好。
封裝形式(1—5)
1、BGA(ball grid array)
球形觸點陣列,表面貼裝型封裝之一。在印刷基板的背面按陳列方式製作出球形凸點用以
代替引腳,在印刷基板的正面裝配LSI 晶元,然後用模壓樹脂或灌封方法進行密封。也稱為凸
點陳列載體(PAC)。引腳可超過200,是多引腳LSI 用的一種封裝。
封裝本體也可做得比QFP(四側引腳扁平封裝)小。例如,引腳中心距為1.5mm 的360 引腳
BGA 僅為31mm 見方;而引腳中心距為0.5mm 的304 引腳QFP 為40mm 見方。而且BGA 不
用擔心QFP 那樣的引腳變形問題。
該封裝是美國Motorola 公司開發的,首先在攜帶型電話等設備中被採用,今後在美國有可
能在個人計算機中普及。最初,BGA 的引腳(凸點)中心距為1.5mm,引腳數為225。也有
一些LSI 廠家正在開發500 引腳的BGA。
BGA 的問題是迴流焊后的外觀檢查。不清楚是否有效的外觀檢查方法。有的認為,
由於焊接的中心距較大,連接可以看作是穩定的,只能通過功能檢查來處理。
美國Motorola 公司把用模壓樹脂密封的封裝稱為OMPAC,而把灌封方法密封的封裝稱為
GPAC(見OMPAC 和GPAC)。
2、BQFP(quad flat package with bumper)
帶緩衝墊的四側引腳扁平封裝。QFP 封裝之一,在封裝本體的四個角設置突起(緩衝墊)以
防止在運送過程中引腳發生彎曲變形。美國半導體廠家主要在微處理器和ASIC 等電路中採用
此封裝。引腳中心距0.635mm,引腳數從84 到196 左右(見QFP)。
3、碰焊PGA(butt joint pin grid array)
表面貼裝型PGA 的別稱(見表面貼裝型PGA)。
4、C-(ceramic)
表示陶瓷封裝的記號。例如,CDIP 表示的是陶瓷DIP。是在實際中經常使用的記號。
5、Cerdip
用玻璃密封的陶瓷雙列直插式封裝,用於ECL RAM,DSP(數字信號處理器)等電路。帶有
玻璃窗口的Cerdip 用於紫外線擦除型EPROM 以及內部帶有EPROM 的微機電路等。引腳中心
距2.54mm,引腳數從8 到42。在日本,此封裝表示為DIP-G(G 即玻璃密封的意思)。
封裝形式(11—15)
11、DIL(dual in-line)
DIP 的別稱(見DIP)。歐洲半導體廠家多用此名稱。
12、DIP(dual in-line package)
雙列直插式封裝。插裝型封裝之一,引腳從封裝兩側引出,封裝材料有塑料和陶瓷兩種。
DIP 是最普及的插裝型封裝,應用範圍包括標準邏輯IC,存貯器LSI,微機電路等。
引腳中心距2.54mm,引腳數從6 到64。封裝寬度通常為15.2mm。有的把寬度為7.52mm
和10.16mm 的封裝分別稱為skinny DIP 和slim DIP(窄體型DIP)。但多數情況下並不加區分,
只簡單地統稱為DIP。另外,用低熔點玻璃密封的陶瓷DIP 也稱為cerdip(見cerdip)。
13、DSO(dual small out-lint)
雙側引腳小外形封裝。SOP 的別稱(見SOP)。部分半導體廠家採用此名稱。
14、DICP(dual tape carrier package)
雙側引腳帶載封裝。TCP(帶載封裝)之一。引腳製作在絕緣帶上並從封裝兩側引出。由於利
用的是TAB(自動帶載焊接)技術,封裝外形非常薄。常用於液晶顯示驅動LSI,但多數為定製品。
另外,0.5mm 厚的存儲器LSI 簿形封裝正處於開發階段。在日本,按照EIAJ(日本電子機械工
業)會標準規定,將DICP 命名為DTP。
15、DIP(dual tape carrier package)
同上。日本電子機械工業會標準對DTCP 的命名(見DTCP)。
封裝形式(21—25)
21、H-(with heat sink)
表示帶散熱器的標記。例如,HSOP 表示帶散熱器的SOP。
22、pin grid array(surface mount type)
表面貼裝型PGA。通常PGA 為插裝型封裝,引腳長約3.4mm。表面貼裝型PGA 在封裝的
底面有陳列狀的引腳,其長度從1.5mm 到2.0mm。貼裝採用與印刷基板碰焊的方法,因而也稱
為碰焊PGA。因為引腳中心距只有1.27mm,比插裝型PGA 小一半,所以封裝本體可製作得不
怎麼大,而引腳數比插裝型多(250~528),是大規模邏輯LSI 用的封裝。封裝的基材有多層陶
瓷基板和玻璃環氧樹脂印刷基數。以多層陶瓷基材製作封裝已經實用化。
23、JLCC(J-leaded chip carrier)
J 形引腳晶元載體。指帶窗口CLCC和帶窗口的陶瓷QFJ 的別稱(見CLCC 和QFJ)。部分半
導體廠家採用的名稱。
24、LCC(Leadless chip carrier)
無引腳晶元載體。指陶瓷基板的四個側面只有電極接觸而無引腳的表面貼裝型封裝。是高
速和高頻IC 用封裝,也稱為陶瓷QFN 或QFN-C(見QFN)。
25、LGA(land grid array)
觸點陳列封裝。即在底面製作有陣列狀態坦電極觸點的封裝。裝配時插入插座即可。現已
實用的有227 觸點(1.27mm 中心距)和447 觸點(2.54mm 中心距)的陶瓷LGA,應用於高速邏輯
LSI 電路。
LGA 與QFP 相比,能夠以比較小的封裝容納更多的輸入輸出引腳。另外,由於引線的阻抗
小,對於高速LSI 是很適用的。但由於插座製作複雜,成本高,基本上不怎麼使用。預計
今後對其需求會有所增加。
封裝形式(31—35)
31、MQFP(metric quad flat package)
按照JEDEC(美國聯合電子設備委員會)標準對QFP 進行的一種分類。指引腳中心距為
0.65mm、本體厚度為3.8mm~2.0mm 的標準QFP(見QFP)。
32、MQUAD(metal quad)
美國Olin 公司開發的一種QFP 封裝。基板與封蓋均採用鋁材,用粘合劑密封。在自然空冷
條件下可容許2.5W~2.8W 的功率。日本新光電氣工業公司於1993 年獲得特許開始生產。
33、MSP(mini square package)
QFI 的別稱(見QFI),在開發初期多稱為MSP。QFI 是日本電子機械工業會規定的名稱。
34、OPMAC(over molded pad array carrier)
模壓樹脂密封凸點陳列載體。美國Motorola 公司對模壓樹脂密封BGA 採用的名稱(見
BGA)。
35、P-(plastic)
表示塑料封裝的記號。如PDIP 表示塑料DIP。
封裝形式(41—45)
41、PLCC(plastic leaded chip carrier)
帶引線的塑料晶元載體。表面貼裝型封裝之一。引腳從封裝的四個側面引出,呈丁字形,
是塑料製品。美國德克薩斯儀器公司首先在64k 位DRAM 和256kDRAM 中採用,已經普
及用於邏輯LSI、DLD(或程邏輯器件)等電路。引腳中心距1.27mm,引腳數從18 到84。
J 形引腳不易變形,比QFP 容易操作,但焊接后的外觀檢查較為困難。
PLCC 與LCC(也稱QFN)相似。以前,兩者的區別僅在於前者用塑料,後者用陶瓷。但現
在已經出現用陶瓷製作的J 形引腳封裝和用塑料製作的無引腳封裝(標記為塑料LCC、PCLP、P
-LCC 等),已經無法分辨。為此,日本電子機械工業會於1988 年決定,把從四側引出J 形引
腳的封裝稱為QFJ,把在四側帶有電極凸點的封裝稱為QFN(見QFJ 和QFN)。
42、P-LCC(plastic teadless chip carrier)(plastic leaded chip currier)
有時候是塑料QFJ 的別稱,有時候是QFN(塑料LCC)的別稱(見QFJ 和QFN)。部分
LSI 廠家用PLCC 表示帶引線封裝,用P-LCC 表示無引線封裝,以示區別。
43、QFH(quad flat high package)
四側引腳厚體扁平封裝。塑料QFP 的一種,為了防止封裝本體斷裂,QFP 本體製作得
較厚(見QFP)。部分半導體廠家採用的名稱。
44、QFI(quad flat I-leaded packgac)
四側I 形引腳扁平封裝。表面貼裝型封裝之一。引腳從封裝四個側面引出,向下呈I 字。
也稱為MSP(見MSP)。貼裝與印刷基板進行碰焊連接。由於引腳無突出部分,貼裝佔有面積小
於QFP。
日立製作所為視頻模擬IC 開發並使用了這種封裝。此外,日本的Motorola 公司的PLL IC
也採用了此種封裝。引腳中心距1.27mm,引腳數從18 於68。
45、QFJ(quad flat J-leaded package)
四側J 形引腳扁平封裝。表面貼裝封裝之一。引腳從封裝四個側面引出,向下呈J 字形。
是日本電子機械工業會規定的名稱。引腳中心距1.27mm。
材料有塑料和陶瓷兩種。塑料QFJ 多數情況稱為PLCC(見PLCC),用於微機、門陳列、
DRAM、ASSP、OTP 等電路。引腳數從18 至84。
陶瓷QFJ 也稱為CLCC、JLCC(見CLCC)。帶窗口的封裝用於紫外線擦除型EPROM 以及
帶有EPROM 的微機晶元電路。引腳數從32 至84。
封裝形式(51—55)
51、QTCP(quad tape carrier package)
四側引腳帶載封裝。TCP 封裝之一,在絕緣帶上形成引腳並從封裝四個側面引出。是利用
TAB 技術的薄型封裝(見TAB、TCP)。
52、QTP(quad tape carrier package)
四側引腳帶載封裝。日本電子機械工業會於1993 年4 月對QTCP 所制定的外形規格所用的
名稱(見TCP)。
53、QUIL(quad in-line)
QUIP的別稱(見QUIP)。
54、QUIP(quad in-line package)
四列引腳直插式封裝。引腳從封裝兩個側面引出,每隔一根交錯向下彎曲成四列。引腳中
心距1.27mm,當插入印刷基板時,插入中心距就變成2.5mm。因此可用於標準印刷線路板。是
比標準DIP 更小的一種封裝。日本電氣公司在台式計算機和家電產品等的微機晶元中採用了些
種封裝。材料有陶瓷和塑料兩種。引腳數64。
55、SDIP (shrink dual in-line package)
收縮型DIP。插裝型封裝之一,形狀與DIP 相同,但引腳中心距(1.778mm)小於DIP(2.54mm),
因而得此稱呼。引腳數從14 到90。也有稱為SH-DIP 的。材料有陶瓷和塑料兩種。
封裝形式(61—65)
61、SL-DIP(slim dual in-line package)
DIP 的一種。指寬度為10.16mm,引腳中心距為2.54mm 的窄體DIP。通常統稱為DIP。
62、SMD(surface mount devices)
表面貼裝器件。偶而,有的半導體廠家把SOP 歸為SMD(見SOP)。
63、SO(small out-line)
SOP 的別稱。世界上很多半導體廠家都採用此別稱。(見SOP)。
64、SOI(small out-line I-leaded package)
I 形引腳小外型封裝。表面貼裝型封裝之一。引腳從封裝雙側引出向下呈I 字形,中心距
1.27mm。貼裝佔有面積小於SOP。日立公司在模擬IC(電機驅動用IC)中採用了此封裝。引腳數
26。
65、SOIC(small out-line integrated circuit)
SOP 的別稱(見SOP)。國外有許多半導體廠家採用此名稱。

封裝形式(66—70)

66、SOJ(Small Out-Line J-Leaded Package)
J 形引腳小外型封裝。表面貼裝型封裝之一。引腳從封裝兩側引出向下呈J 字形,故此得名。
通常為塑料製品,多數用於DRAM 和SRAM 等存儲器LSI 電路,但絕大部分是DRAM。用SOJ
封裝的DRAM 器件很多都裝配在SIMM 上。引腳中心距1.27mm,引腳數從20 至40(見SIMM)。
67、SQL(Small Out-Line L-leaded package)
按照JEDEC(美國聯合電子設備工程委員會)標準對SOP 所採用的名稱(見SOP)。
68、SONF(Small Out-Line Non-Fin)
無散熱片的SOP。與通常的SOP 相同。為了在功率IC 封裝中表示無散熱片的區別,有意
增添了NF(non-fin)標記。部分半導體廠家採用的名稱(見SOP)。
69、SOF(small Out-Line package)
小外形封裝。表面貼裝型封裝之一,引腳從封裝兩側引出呈海鷗翼狀(L 字形)。材料有塑料
和陶瓷兩種。另外也叫SOL 和DFP。
SOP 除了用於存儲器LSI 外,也廣泛用於規模不太大的ASSP 等電路。在輸入輸出端子不
超過10~40 的領域,SOP 是普及最廣的表面貼裝封裝。引腳中心距1.27mm,引腳數從8~44。
另外,引腳中心距小於1.27mm 的SOP 也稱為SSOP;裝配高度不到1.27mm 的SOP 也稱為
TSOP(見SSOP、TSOP)。還有一種帶有散熱片的SOP。
70、SOW (Small Outline Package(Wide-Type))
寬體SOP。部分半導體廠家採用的名稱。
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