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所謂「CPU封裝技術」是一種將集成電路用絕緣的塑料或陶瓷材料打包的技術。以CPU為例,我們實際看到的體積和外觀並不是真正的CPU內核的大小和面貌,而是CPU內核等元件經過封裝后的產品。

1 CPU封裝技術 -概述

CPU封裝技術CPU封裝技術

CPU封裝對於晶元來說是必須的,也是至關重要的。因為晶元必須與外界隔離,以防止空氣中的雜質對晶元電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面,封裝后的晶元也更便於安裝和運輸。由於封裝技術的好壞還直接影響到晶元自身性能的發揮和與之連接的PCB(印製電路板)的設計和製造,因此它是至關重要的。封裝也可以說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、保護晶元和增強導熱性能的作用,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,這些引腳又通過印刷電路板上的導線與其他器件建立連接。因此,對於很多集成電路產品而言,封裝技術都是非常關鍵的一環。

目前採用的CPU封裝多是用絕緣的塑料或陶瓷材料包裝起來,能起著密封和提高晶元電熱性能的作用。由於現在處理器晶元的內頻越來越高,功能越來越強,引腳數越來越多,封裝的外形也不斷在改變。封裝時主要考慮的因素:

1.晶元面積與封裝面積之比為提高封裝效率,盡量接近1:1
2.引腳要盡量短以減少延遲,引腳間的距離盡量遠,以保證互不干擾,提高性能
3.基於散熱的要求,封裝越薄越好
  
作為計算機的重要組成部分,CPU的性能直接影響計算機的整體性能。而CPU製造工藝的最後一步也是最關鍵一步就是CPU的封裝技術,採用不同封裝技術的CPU,在性能上存在較大差距。只有高品質的封裝技術才能生產出完美的CPU產品。

2 CPU封裝技術 -DIP技術

DIP封裝(Dual In-line Package),也叫雙列直插式封裝技術,指採用雙列直插形式封裝的集成電路晶元,絕大多數中小規模集成電路均採用這種封裝形式,其引腳數一般不超過100。DIP封裝的CPU晶元有兩排引腳,需要插入到具有DIP結構的晶元插座上。當然,也可以直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路板上進行焊接。DIP封裝的晶元在從晶元插座上插拔時應特別小心,以免損壞管腳。DIP封裝結構形式有: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,塑料包封結構式,陶瓷低熔玻璃封裝式)等。

CPU封裝技術DIP封裝的8086處理器
 DIP封裝具有以下特點:

1、適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接,操作方便。
2、晶元面積與封裝面積之間的比值較大,故體積也較大。

最早的4004、8008、8086、8088等CPU都採用了DIP封裝,通過其上的兩排引腳可插到主板上的插槽或焊接在主板上。

3 CPU封裝技術 -QFP技術

這種技術的中文含義叫方型扁平式封裝技術(Plastic Quad Flat Pockage),該技術實現的CPU晶元引腳之間距離很小,管腳很細,一般大規模或超大規模集成電路採用這種封裝形式,其引腳數一般都在100以上。該技術封裝CPU時操作方便,可靠性高;而且其封裝外形尺寸較小,寄生參數減小,適合高頻應用;該技術主要適合用SMT表面安裝技術在PCB上安裝布線。

CPU封裝技術QFP封裝的80286

4 CPU封裝技術 -PFP技術

該技術的英文全稱為Plastic Flat Package,中文含義為塑料扁平組件式封裝。用這種技術封裝的晶元同樣也必須採用SMD技術將晶元與主板焊接起來。採用SMD安裝的晶元不必在主板上打孔,一般在主板表面上有設計好的相應管腳的焊盤。將晶元各腳對準相應的焊盤,即可實現與主板的焊接。用這種方法焊上去的晶元,如果不用專用工具是很難拆卸下來的。該技術與上面的QFP技術基本相似,只是外觀的封裝形狀不同而已。

CPU封裝技術PFP封裝的80386

5 CPU封裝技術 -PGA技術

該技術也叫插針網格陣列封裝技術(Ceramic Pin Grid Arrau Package),由這種技術封裝的晶元內外有多個方陣形的插針,每個方陣形插針沿晶元的四周間隔一定距離排列,根據管腳數目的多少,可以圍成2~5圈。安裝時,將晶元插入專門的PGA插座。為了使得CPU能夠更方便的安裝和拆卸,從486晶元開始,出現了一種ZIF CPU插座,專門用來滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。該技術一般用於插拔操作比較頻繁的場合之下。

CPU封裝技術CPU封裝技術

早先的80486和Pentium、Pentium Pro等CPU均均採用PGA封裝形式。

6 CPU封裝技術 -BGA技術

BGA技術(Ball Grid Array Package)即球柵陣列封裝技術。該技術的出現便成為CPU、主板南、北橋晶元等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。但BGA封裝佔用基板的面積比較大。雖然該技術的I/O引腳數增多,但引腳之間的距離遠大於QFP,從而提高了組裝成品率。而且該技術採用了可控塌陷晶元法焊接,從而可以改善它的電熱性能。另外該技術的組裝可用共面焊接,從而能大大提高封裝的可靠性;並且由該技術實現的封裝CPU信號傳輸延遲小,適應頻率可以提高很大。

BGA封裝具有以下特點:
1、I/O引腳數雖然增多,但引腳之間的距離遠大於QFP封裝方式,提高了成品率
2、雖然BGA的功耗增加,但由於採用的是可控塌陷晶元法焊接,從而可以改善電熱性能
3、信號傳輸延遲小,適應頻率大大提高
4、組裝可用共面焊接,可靠性大大提高

7 CPU封裝技術 -主要的封裝形式

OPGA封裝  

opga(Organic pin grid Array,有機管腳陣列)。這種封裝的基底使用的是玻璃纖維,類似印刷電路板上的材料。 此種封裝方式可以降低阻抗和封裝成本。OPGA封裝拉近了外部電容和處理器內核的距離,可以更好地改善內核供電和過濾電流雜波。AMD公司的AthlonXP系列CPU大多使用此類封裝。

CPU封裝技術OPGA封裝

mPGA封裝  
  
mPGA,微型PGA封裝,目前只有AMD公司的Athlon 64和英特爾公司的Xeon(至強)系列CPU等少數產品所採用,而且多是些高端產品,是種先進的封裝形式。

CPU封裝技術mPGA封裝

CPGA封裝  
  
CPGA也就是常說的陶瓷封裝,全稱為Ceramic PGA。主要在Thunderbird(雷鳥)核心和「Palomino」核心的Athlon處理器上採用。

CPU封裝技術CPGA封裝

FC-PGA封裝  
  
FC-PGA封裝是反轉晶元針腳柵格陣列的縮寫,這種封裝中有針腳插入插座。這些晶元被反轉,以至片模或構成計算機晶元的處理器部分被暴露在處理器的上部。通過將片模暴露出來,使熱量解決方案可直接用到片模上,這樣就能實現更有效的晶元冷卻。為了通過隔絕電源信號和接地信號來提高封裝的性能,FC-PGA 處理器在處理器的底部的電容放置區域(處理器中心)安有離散電容和電阻。晶元底部的針腳是鋸齒形排列的。此外,針腳的安排方式使得處理器只能以一種方式插入插座。FC-PGA 封裝用於奔騰 III 和英特爾 賽揚 處理器,它們都使用 370 針。

CPU封裝技術FC-PGA封裝

FC-PGA2封裝  
  
FC-PGA2 封裝與 FC-PGA 封裝類型很相似,除了這些處理器還具有集成式散熱器 (IHS)。集成式散熱器是在生產時直接安裝到處理器片上的。由於 IHS 與片模有很好的熱接觸並且提供了更大的表面積以更好地發散熱量,所以它顯著地增加了熱傳導。FC-PGA2 封裝用於奔騰 III 和英特爾賽揚處理器(370 針)和奔騰 4 處理器(478 針)。

CPU封裝技術FC-PGA2封裝

OOI封裝  

OOI 是 OLGA 的簡寫。OLGA 代表了基板柵格陣列。OLGA 晶元也使用反轉晶元設計,其中處理器朝下附在基體上,實現更好的信號完整性、更有效的散熱和更低的自感應。OOI 有一個集成式導熱器 (IHS),能幫助散熱器將熱量傳給正確安裝的風扇散熱器。OOI 用於奔騰 4 處理器,這些處理器有 423 針。

CPU封裝技術OOI封裝

PPGA封裝  
  
「PPGA」的英文全稱為「Plastic Pin Grid Array」,是塑針柵格陣列的縮寫,這些處理器具有插入插座的針腳。為了提高熱傳導性,PPGA 在處理器的頂部使用了鍍鎳銅質散熱器。晶元底部的針腳是鋸齒形排列的。此外,針腳的安排方式使得處理器只能以一種方式插入插座。

CPU封裝技術PPGA封裝

S.E.C.C.封裝

「S.E.C.C.」是「Single Edge Contact Cartridge」縮寫,是單邊接觸卡盒的縮寫。為了與主板連接,處理器被插入一個插槽。它不使用針腳,而是使用「金手指」觸點,處理器使用這些觸點來傳遞信號。S.E.C.C. 被一個金屬殼覆蓋,這個殼覆蓋了整個卡盒組件的頂端。卡盒的背面是一個熱材料鍍層,充當了散熱器。S.E.C.C. 內部,大多數處理器有一個被稱為基體的印刷電路板連接起處理器、二級高速緩存和匯流排終止電路。S.E.C.C. 封裝用於有 242 個觸點的英特爾奔騰II 處理器和有 330 個觸點的奔騰II 至強和奔騰 III 至強處理器。

CPU封裝技術S.E.C.C.封裝

S.E.C.C.2 封裝  
  
S.E.C.C.2 封裝與 S.E.C.C. 封裝相似,除了S.E.C.C.2 使用更少的保護性包裝並且不含有導熱鍍層。S.E.C.C.2 封裝用於一些較晚版本的奔騰II 處理器和奔騰 III 處理器(242 觸點)。

CPU封裝技術S.E.C.C.2 封裝

S.E.P.封裝   
  
「S.E.P.」是「Single Edge Processor」的縮寫,是單邊處理器的縮寫。「S.E.P.」封裝類似於「S.E.C.C.」或者「S.E.C.C.2」封裝,也是採用單邊插入到Slot插槽中,以金手指與插槽接觸,但是它沒有全包裝外殼,底板電路從處理器底部是可見的。「S.E.P.」封裝應用於早期的242根金手指的Intel Celeron 處理器。

CPU封裝技術S.E.P.封裝

PLGA封裝  
  
PLGA是Plastic Land Grid Array的縮寫,即塑料焊盤柵格陣列封裝。由於沒有使用針腳,而是使用了細小的點式介面,所以PLGA封裝明顯比以前的FC-PGA2等封裝具有更小的體積、更少的信號傳輸損失和更低的生產成本,可以有效提升處理器的信號強度、提升處理器頻率,同時也可以提高處理器生產的良品率、降低生產成本。目前Intel公司Socket 775介面的CPU採用了此封裝。

CPU封裝技術PLGA封裝

CuPGA封裝   
  
CuPGA是Lidded Ceramic Package Grid Array的縮寫,即有蓋陶瓷柵格陣列封裝。其與普通陶瓷封裝最大的區別是增加了一個頂蓋,能提供更好的散熱性能以及能保護CPU核心免受損壞。目前AMD64系列CPU採用了此封裝。

CPU封裝技術CuPGA封裝

8 CPU封裝技術 -參考資料

http://publish.it168.com/cword/1193.shtml
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