1 引言

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM與中央處理器CPU一樣，已成為PC的核心芯片。正如其名稱含義，DRAM是一種需要數(shù)據(jù)再生的隨機(jī)存儲(chǔ)器，PC當(dāng)前要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)都保存在由DRAM組成的內(nèi)存模塊主存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)，最常用單管MOS器件構(gòu)成存儲(chǔ)單元，以集成的微小柵電容動(dòng)態(tài)的存儲(chǔ)電荷來(lái)記憶二進(jìn)制數(shù)據(jù)，集成度高，存儲(chǔ)容量大。功耗小，成本低。計(jì)算機(jī)CPU芯片急速發(fā)展，每推出一款新型CPU的速度均以百兆赫為單位提高，拉動(dòng)DRAM沿摩爾定律高速推進(jìn)，急需封裝技術(shù)密切支持。因而DRAM內(nèi)存芯片封裝技術(shù)備受IT界關(guān)注。

2 DRAM品種類型及市場(chǎng)狀況

產(chǎn)業(yè)界對(duì)DRAM投資力度加大，芯片技術(shù)日新月異，正努力突破0.1 μm線寬電容記憶元件的縱橫比理論極限，結(jié)構(gòu)上推出堆疊式、溝槽式產(chǎn)品，采用高速、多層銅互連技術(shù)以及高、低絕緣材料研發(fā)產(chǎn)品。光刻是減少DRAM線寬的關(guān)鍵工藝，193nm準(zhǔn)分子激光掃描分步投影光刻將成為90nm 工藝的主流光刻設(shè)備，并向70nm工藝延伸，預(yù)計(jì)到2009年將應(yīng)用45nm光刻設(shè)計(jì)尺寸，制備0.02μm特征尺寸的64GB產(chǎn)品，2012年可應(yīng)用32nm光刻設(shè)計(jì)尺寸，制備0.016μm特征尺寸的256GB DRAM。

DRAM按產(chǎn)品類型劃分，市場(chǎng)上主要有單數(shù)據(jù)傳輸率的同步S(Synchronous)DRAM和雙倍數(shù)據(jù)速率DDR(Double Data Rata SDRAM)以及直接接口DR(Direct Rambus)DRAM等三大類別產(chǎn)品系列。SDRAM的內(nèi)存頻率與CPU的頻率能同步存取數(shù)據(jù)，節(jié)省執(zhí)行指令及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，應(yīng)用片內(nèi)時(shí)鐘，使輸入及輸出能同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)等待，當(dāng)前主流的SDRAM的時(shí)鐘頻率為133MHz，有的已達(dá)到166 MHz。DRDRAM采用高速而窄的存儲(chǔ)總線與信息包指令，在存儲(chǔ)記憶部分和主控部分都帶有控制器，也是新一代的主流內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)之一，主要用于對(duì)質(zhì)量和速度有很高要求的帶圖形顯示功能的PC中，其發(fā)展歷程并不平坦，成本過(guò)高而飽受非議。2003年5月，英特爾宣布停止生產(chǎn)支持DRDRAM的i860、i850CPU芯片，并聲稱所有新的CPU芯片組將支持DDR，意味這種內(nèi)存將逐漸退出市場(chǎng)。不過(guò)，Rambus公司也絕境反擊，自主開(kāi)發(fā)出一種新的XDR(eXtueme DataRata DRAM，極快的數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)存)技術(shù)，仍采用與以往相同的串行結(jié)構(gòu)，不同的是XDR擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道，有效降低延遲時(shí)間，傳輸速率達(dá)3.2GHz甚至6.4GHz，能以驚人的高速運(yùn)轉(zhuǎn)并提供幾近夸張的帶寬，最高100GB·s-1。XDR技術(shù)最早也得在今后1年左右才能上市，若價(jià)位仍昂貴，其成功與否尚無(wú)法定論。

DDR由SDRAM技術(shù)發(fā)展而來(lái)，仍屬于這一工藝技術(shù)體系，其重大改進(jìn)是可在時(shí)鐘觸發(fā)沿的上升、下降沿都能進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，傳輸速率為SDRAM的兩倍，提供雙倍內(nèi)存帶寬。在生產(chǎn)線上，只要將SDRAM生產(chǎn)線稍作改進(jìn)，即可生產(chǎn)DDR，制造技術(shù)、封裝形式、材料消耗也基本相同，無(wú)需太大的投入即可量產(chǎn)，生產(chǎn)成本大體相同。內(nèi)存模塊和主板廠商都可利用現(xiàn)存的設(shè)備及技術(shù)，生產(chǎn)支持DDR的產(chǎn)品，市場(chǎng)主流有100 MHz、133 MHz、166MHz、400 MHz的模塊產(chǎn)品，其帶寬對(duì)比如表1所示，快速才是發(fā)展的硬道理，使新一代的高性能PC系統(tǒng)成為可能，包括臺(tái)式機(jī)、工作站、服務(wù)器、便攜式電腦、圖形適配器、路由器等。按MB量計(jì)算，2002年DDR產(chǎn)量已超過(guò)SDRAM，256／512MB的DDR在2004年仍是主流產(chǎn)品，據(jù)三星聲稱，2003年上半段DDR占全部DRAM產(chǎn)品的40％，2004年上升至60％。建立在內(nèi)存控制器基礎(chǔ)上的雙通道模式DDR和QBM四存儲(chǔ)體存儲(chǔ)器DDR技術(shù)日趨成熟，前者最大可提供6.4 GB·S-1的內(nèi)存帶寬，后者只增加一個(gè)小模塊，就可提供相當(dāng)于DDRⅡ的峰值性能。

內(nèi)存和CPU芯片廠商并不滿足于第一代DDR性能，電子器件工程聯(lián)合委員會(huì)JEDEC多次公開(kāi)展示DDRⅡ規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。相對(duì)于第一代DDR，DDRⅡ主要有這樣一些改進(jìn)：預(yù)取數(shù)據(jù)容量從2bit提高到4bit，在每個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)取4位串行信息；工作電壓從2.5V降到1.8V，改用更低的芯核電壓和SSTL I／O電壓；采用片內(nèi)終結(jié)器設(shè)計(jì)，即將原來(lái)在主板上的終結(jié)電阻集成到片內(nèi)，有助于提高高頻下的信號(hào)質(zhì)量，并降低主板成本；頻率從400 MHz起跳，緊接著就會(huì)達(dá)到533 MHz；為減少阻抗與連線長(zhǎng)度，改用BGA封裝；今后從1GB開(kāi)始，還將采用8存儲(chǔ)體陣列；將融入CAS、OCD、：DDT等新性能指標(biāo)中斷指令，提升內(nèi)存帶寬的利用率，最高可實(shí)現(xiàn)800 MHz、帶寬6.4 GB／s，采用雙通道帶寬可飆升到12.8GB／s。各內(nèi)存廠商都在發(fā)展512MB高密度DDR400與DDRⅡ芯片，DDRⅡ憑借其優(yōu)異的性能極有可能在2004年蓄熱猛發(fā)。DDRⅢ 更是在DDRⅡ 基礎(chǔ)上的翻倍發(fā)展，預(yù)計(jì)將會(huì)在2007年推出。

從DDR替代SDRAM的情況看，內(nèi)存芯片更新?lián)Q代的最直接原因是CPU與主板北橋芯片的數(shù)據(jù)交換量受影響所致，Rambus公司的XDR技術(shù)期望能從DDR向DDRⅡ過(guò)渡的動(dòng)蕩局面中受益，三星和東芝公司的快循環(huán)SDRAM以及英飛凌與美光公司的減少延遲SDRAM也值得關(guān)注，技術(shù)優(yōu)勢(shì)并不代表一切，還須接受應(yīng)用、品質(zhì)、成本、供求平衡等的市場(chǎng)考驗(yàn)。

DRAM正朝高密度、大容量、低功耗、高性能等方向發(fā)展，PC曾經(jīng)成就了其輝煌，例如，PC的主存儲(chǔ)器、圖像存儲(chǔ)器和外設(shè)存儲(chǔ)器，2002年這一領(lǐng)域的應(yīng)用約占40％，目前其應(yīng)用和市場(chǎng)則以PC為主逐漸走向分散化的后PC時(shí)代，表3示出DRAM市場(chǎng)分布，尤其是移動(dòng)通信很可能成為特定應(yīng)用DRAM浪潮的推動(dòng)力，新一代手機(jī)將采用大容量、低功耗的DRAM，預(yù)計(jì)2005年將達(dá)到20億塊，占整個(gè)DRAM市場(chǎng)的28％。今后幾年內(nèi)，其他諸如數(shù)字電視、數(shù)字衛(wèi)星機(jī)頂盒、DVD、刻錄機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)DRAM的需求也將快速增長(zhǎng)，由此推動(dòng)DRAM多元化可持續(xù)發(fā)展。表4示出美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)SIA對(duì)這類產(chǎn)品增長(zhǎng)預(yù)測(cè)，2002年全球DRAM市場(chǎng)規(guī)模達(dá)155億美元，同比增長(zhǎng)33％，市場(chǎng)發(fā)展的關(guān)鍵動(dòng)力是DDR供貨猛增，成為當(dāng)年增長(zhǎng)最快的主要半導(dǎo)體產(chǎn)品之一。

表5示出i Suppli報(bào)道的目前全球DRAM市場(chǎng)的最大供應(yīng)商，大廠商的市場(chǎng)占有率極高，三星、美光、英飛凌、現(xiàn)代等廠商同時(shí)生產(chǎn)DRAM和內(nèi)存模塊(內(nèi)存條)，三星的新型DDR400有256MB、512MB、1GB等三種，1GB的SO-DIMM在一個(gè)STSOP輕型封裝中含有多枚512MB的DDR芯片，可用于筆記本電腦，批量生產(chǎn)符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的256MB圖像：DDRⅡ，采用多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)與144焊球FBGA封裝，性能提高50％，可支持超高密度512MB圖形內(nèi)存。美光采用0.11μm工藝，研制出用于圖像處理及高速網(wǎng)絡(luò)的業(yè)界首款圖像GDDR3已交付使用，美光512MB DDR400可提高雙通道系統(tǒng)的系統(tǒng)存儲(chǔ)密度。中國(guó)臺(tái)灣的威盛電子推出P4平臺(tái)雙信道DDR芯片組，茂矽以0.13μm 工藝量產(chǎn)256MB DDRⅡ系列產(chǎn)品，華邦DDR400與DDR333出貨比例相當(dāng)，力晶采用0.13μm功工藝月產(chǎn)1.5萬(wàn)晶圓片DRAM。此外，金斯頓、勝創(chuàng)、金邦、海盜、宇瞻等封裝及內(nèi)存條廠商也推出DDR400內(nèi)存模塊。

內(nèi)部存儲(chǔ)器、微芯片、邏輯電路是半導(dǎo)體業(yè)撒播三大產(chǎn)品的主格局，在整個(gè)行業(yè)中所占比重為67％～69％。從表5可知，DRAM的主戰(zhàn)場(chǎng)在韓國(guó)，三星和現(xiàn)代兩公司占全球45.3％的市場(chǎng)份額，而且三星發(fā)揮大投入大產(chǎn)出優(yōu)勢(shì)，連續(xù)11年位居排行榜首。美光、英飛凌實(shí)力雄厚，仍能獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，中國(guó)臺(tái)灣4家廠商的發(fā)展實(shí)力值得關(guān)注，爾必達(dá)(日本電氣與日立合資的Elpida)、三菱、東芝勢(shì)單力薄，日本當(dāng)年DRAM霸主風(fēng)范蕩然無(wú)存。綜觀DRAM供貨商的發(fā)展路線，已從美國(guó)、日本向韓國(guó)、中國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)大陸在DRAM領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)潛力很大，可能在3-5年內(nèi)超過(guò)臺(tái)灣。

3 DRAM封裝技術(shù)趨勢(shì)

DRAM封裝技術(shù)幾經(jīng)變遷，從雙列直插封裝DIP、J型引腳小外形封裝SOJ、薄型小尺寸封裝TSOP、底部引線塑料封裝BLP、焊球陣列封裝BGA(F-BGA、W-BGA)發(fā)展到芯片級(jí)封裝CSP、堆疊封裝等高性能封裝時(shí)代，表6示出部分DRAM封裝對(duì)比。在成本允許的條件下，采用先進(jìn)的封裝技術(shù)提升DRAM性能，適應(yīng)新一代高頻、高速、大容量?jī)?nèi)存芯片的封裝需求。

DIP流行于上世紀(jì)七十年代，多采用塑料或陶瓷作為封裝材料，適合當(dāng)時(shí)印制電路板PCB的穿孔安裝，易于PCB布線，但占用面積大，電氣性能欠佳，無(wú)法提供足夠多的管腳數(shù)。在DIP基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的SOJ，其管腳形狀向內(nèi)彎曲、尺寸較小、排列緊密，可擁有更多的管腳，直接焊嵌在PCB表面。它在早期72線快頁(yè)式內(nèi)存FPM和擴(kuò)充數(shù)據(jù)輸出內(nèi)存EDO時(shí)頗為流行，跨入SDRAM時(shí)代后，很快被更為理想的TSOP取代。八十年代出現(xiàn)的第二代內(nèi)存封裝技術(shù)以TSOP為代表，可分為TSOP I和TSOPⅡ，前者引腳置于較窄的兩側(cè)，而后者的引腳則置于較寬的兩側(cè)，甚至可以在內(nèi)存芯片的周圍做出引腳，目前大多數(shù)SDRAM和DDR芯片都采用TSOPⅡ封裝，通常簡(jiǎn)稱為TSOP，理論上的引腳數(shù)量可多達(dá)304根。TSOP的特點(diǎn)是適合在PCB表面安裝布線，外形尺寸和寄生參數(shù)減小，可靠性好，可在較高頻率下應(yīng)用。BLP的英文全稱為Bottom Leaded Plastic，其芯片與封裝之比大于1：1.1，封裝高度和面積較小，應(yīng)用不多。進(jìn)入九十年代，BGA隨微電子技術(shù)發(fā)展被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其最大特點(diǎn)是器件與PCB之間的互連引腳改到底部用合金焊料或有機(jī)導(dǎo)電樹(shù)脂制作的球形凸點(diǎn)方式引出，容易獲得超過(guò)600根引腳的封裝體，引腳間距也比TSOP大，芯片組裝時(shí)的難度大大降低，電氣性能優(yōu)良，信號(hào)傳輸延遲很小，芯片面積與封裝面積頗為接近，體積僅為TSOP的1／3，散熱傳導(dǎo)效率高。雖然BGA技術(shù)上全面優(yōu)于TSOP，但TSOP已經(jīng)能夠滿足多數(shù)SDRAM和DDR要求，TSOP先人為主，內(nèi)存芯片廠商缺乏升級(jí)封裝技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力，加上更先進(jìn)的CSP引起重視，BGA沒(méi)有在DRAM中廣泛被采用，目前這種封裝只在極個(gè)別品牌上虛用。

CSP性能較，BGA又有更大的提升，最先在內(nèi)存芯片DRDRAM中獲得應(yīng)用，正逐漸發(fā)展到DDR上，擁有眾多TSOP和BGA無(wú)法比擬的特征，將成為高性能內(nèi)存芯片封裝的主流，并被視為未來(lái)內(nèi)存芯片的終極封裝形式。CSP的主要結(jié)構(gòu)有內(nèi)芯芯片、互連層、焊球(或凸點(diǎn)、焊柱)、保護(hù)層等幾大部分，互連層是通過(guò)載帶自動(dòng)焊接或引線鍵合、倒裝芯片等方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與焊球之間的內(nèi)部連接，是CSP關(guān)鍵組成部分。目前有多種符合CSP定義的封裝結(jié)構(gòu)形式。CSP的芯片面積與封裝面積之比與1：1的理想狀況非常接近，絕對(duì)尺寸為32mm2，相當(dāng)于BGA的1／3和TSOP的1／6，即CSP可將內(nèi)存容量提高3～6倍之多。測(cè)試結(jié)果顯示，CSP可使芯片88.4％的工作熱量傳導(dǎo)至PCB，熱阻為35℃·w-1，而TSOP僅能傳導(dǎo)總熱量的71.3％，熱阻為40℃·w-1。CSP所采用的中心球形引腳形式能有效地縮短信號(hào)的傳導(dǎo)距離，信號(hào)衰減也隨之減少，芯片的抗干擾、抗噪性能更強(qiáng)，存取時(shí)間比BGA改善15％～20％，完全能適應(yīng)DDRⅡ，DRDRAM等超高頻率內(nèi)存芯片的實(shí)際需要。而且，CSP可容易地制造出超過(guò)1000根信號(hào)引腳數(shù)，哪怕再?gòu)?fù)雜的內(nèi)存芯片都能封裝，在引腳數(shù)相同的情況下，CSP的組裝遠(yuǎn)比BGA容易。CSP還可進(jìn)行全面老化、篩選、測(cè)試，且操作、修整方便，能獲得真正的KGD芯片。不少國(guó)際知名內(nèi)存廠商都表示：自DDR333開(kāi)始，要提高內(nèi)存的良品率，必須采用CSP技術(shù)。一些內(nèi)存廠商已推出采用CSP的內(nèi)存模塊，CSP在存儲(chǔ)器方面的應(yīng)用將加快，預(yù)測(cè)其年增長(zhǎng)幅度高達(dá)54.9％。

堆疊封裝技術(shù)有的稱其為系統(tǒng)級(jí)封裝SiP，這是一種對(duì)兩個(gè)以上芯片(片芯、籽芯)、封裝器件或電路卡進(jìn)行機(jī)械和電氣組裝的方法，在有限的空間內(nèi)成倍提高存儲(chǔ)器容量，或?qū)崿F(xiàn)電子設(shè)計(jì)功能，解決空間、互連受限問(wèn)題。堆疊封裝分為定制堆疊和標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)堆疊兩大類型。前者通過(guò)芯片層次工藝高密度化，其設(shè)計(jì)和制造成本相對(duì)較高，一個(gè)定制堆疊DRAM方案的成本約為每GB存儲(chǔ)器1.5～5萬(wàn)美元；后者采用板卡堆疊、柔性電路連接器聯(lián)接、封裝后堆疊、芯片堆疊式封裝等方式，其成本只比采用單芯片封裝器件的存儲(chǔ)器模塊貴平均15%～20%。芯片堆疊式封裝的成本效率最高，在一個(gè)封裝內(nèi)有2-5層芯片堆疊，從而能在封裝面積不變的前提下，有效利用立體空間提高存儲(chǔ)容量，主要用于DRAM、閃存和SRAM。另外，通過(guò)堆疊TSOP可分別節(jié)約50％或77％的板級(jí)面積。在兩層堆疊時(shí)，其封裝高度仍可滿足．JEDEC對(duì)于存儲(chǔ)器模塊高度的要求，利用現(xiàn)有存儲(chǔ)器芯片技術(shù)，獲得更高的存儲(chǔ)密度，并將疊置在PCB上的信號(hào)走線長(zhǎng)度大大縮短。塔式堆疊封裝技術(shù)利用目前高密度256MB SDRAM或DDR芯片，以同樣的尺寸獲得512MB的密度，采用一條表面安裝生產(chǎn)線每月即可生產(chǎn)100萬(wàn)件堆疊器件。薄型小尺寸Web服務(wù)器以及高端服務(wù)器和工作站、網(wǎng)絡(luò)、電信的應(yīng)用需求，推動(dòng)堆疊封裝技術(shù)持續(xù)發(fā)展。典型的路由器或電信網(wǎng)關(guān)需要的DRAM容量已經(jīng)從每存儲(chǔ)器通道128MB發(fā)展到512MB和1GB，需要在盡可能小的空間內(nèi)保證最大的系統(tǒng)存儲(chǔ)器可用性。新的增強(qiáng)操作系統(tǒng)對(duì)大量DRAM的需求，也意味著1GHz加高速多處理系統(tǒng)可更好地采用高速、大容量存儲(chǔ)器來(lái)滿足CPU速度。

4 DRAM內(nèi)存模塊動(dòng)態(tài)

在實(shí)際應(yīng)用中，寫入DRAM的數(shù)據(jù)信息難以維持較長(zhǎng)時(shí)間，即使不斷電也需要每隔數(shù)十毫秒的周期性電源補(bǔ)充刷新，構(gòu)成主存儲(chǔ)器時(shí)的外部電路較復(fù)雜，采用一小片條形內(nèi)存模塊來(lái)解決DRAM的不足，裝在主板插槽上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

內(nèi)存模塊主要由多層PCB、內(nèi)存顆粒(已封裝內(nèi)存芯片器件)、串聯(lián)內(nèi)存檢測(cè)芯片SPD、電阻與電容器元件、觸點(diǎn)等幾部分整合組裝而成，根據(jù)模塊容量與內(nèi)存顆粒密度類型確定內(nèi)存顆粒數(shù)量，表7示出這兩者不同的容量單位，其換算方法為1MB=8Mbit。精密級(jí)內(nèi)存模塊采用低干擾6層PCB和A級(jí)的DRAM內(nèi)存顆粒制造，6層PCB具有完整的電源層與地線層，SPD利用一枚EEPROM芯片來(lái)保存內(nèi)存基本信息，PC開(kāi)機(jī)時(shí)由主板自檢讀取，并為內(nèi)存設(shè)置最優(yōu)化的工作方式。內(nèi)存模塊的規(guī)格有單面接觸內(nèi)存模塊SIMM、雙面接觸內(nèi)存模塊DIMM、DRDRAM專用的RIMM(Rambus In-Line Memory Module)之分，幾乎所有的SDRAM和DDR均采用DIMM形式，不同的只是引線數(shù)而已，SO-DIMM的尺寸更小，用于筆記本電腦。采用增加內(nèi)存顆粒、雙物理Bank(內(nèi)存與北橋芯片之間的數(shù)據(jù)交換通道)設(shè)計(jì)，做大模塊總?cè)萘俊?jù)悉，目前各內(nèi)存制造商都在發(fā)展512MB高密度的DDR400和DDRⅡ芯片，看來(lái)單模組突破2GB指日可待。

5 結(jié)束語(yǔ)

2004年電子設(shè)備包括PC、消費(fèi)電子、無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品市場(chǎng)全面增長(zhǎng)，PC和手機(jī)需求尤其暢旺，在這兩大類產(chǎn)品牽引下，DRAM和閃存在2005年還將晶光四射。目前,幾乎所有的DRAM生產(chǎn)線向300mm轉(zhuǎn)移，可以預(yù)計(jì)這將會(huì)很快給DRAM封裝技術(shù)帶來(lái)挑戰(zhàn)和機(jī)遇，封裝業(yè)的重要性與日俱增。

國(guó)內(nèi)芯片市場(chǎng)用量占全球消耗總量的20％左右，一些芯片制造廠家以代工DRAM生產(chǎn)。中芯國(guó)際SMIC與首鋼、北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、北大聯(lián)合建造代工英飛凌0.11μm的300mm DRAM生產(chǎn)線于2004年7月投產(chǎn)，在具體產(chǎn)品類型上展開(kāi)比拼交戰(zhàn)。內(nèi)存封裝必須適應(yīng)新一代DRAM芯片的發(fā)展，芯片生產(chǎn)前、后工序資源有效整合，才能極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。