鮮 飛（烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430074）

摘 要：微電子技術(shù)的飛速發(fā)展也同時(shí)推動(dòng)了新型芯片封裝技術(shù)的研究和開發(fā)。本文主要介紹了幾種芯片封裝技術(shù)的特點(diǎn)，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)及方向進(jìn)行了初步分析。

關(guān)鍵詞：芯片；封裝；球柵陣列封裝

中圖分類號(hào)： TN405.94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1003-353X(2004)08-0049-04

1 引言

芯片封裝是連接半導(dǎo)體芯片和電子系統(tǒng)的一道橋梁，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展及其向各行業(yè)的迅速滲透，芯片封裝也在近二、三十年內(nèi)獲得了巨大的發(fā)展，并已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文簡(jiǎn)要介紹了近20年來計(jì)算機(jī)行業(yè)芯片封裝形成的演變及發(fā)展趨勢(shì)，從中可以看出IC芯片與封裝技術(shù)相互促進(jìn)，協(xié)調(diào)發(fā)展密不可分的關(guān)系。

2 主要封裝技術(shù) 2.1 DIP雙列直插式封裝

DIP(dualIn－line package)是指采用雙列直插式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路(IC)均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過100個(gè)。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。當(dāng)然，也可以直接插在有相同焊孔數(shù)和幾何排列的電路板上進(jìn)行焊接。DIP封裝的芯片在從插座上插拔時(shí)應(yīng)特別小心，以免損壞引腳^[1]。

DIP封裝具有以下特點(diǎn)：

(1)適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接，操作方便；

(2)芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。

Intel系列CPU中8088就采用這種封裝形式（如圖1），緩存(cache)和早期的內(nèi)存芯片也是這種封裝形式。

2.2 QFP塑料方形扁平封裝

QFP（plastic quad flat package）封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路都采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般在100個(gè)以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝元件技術(shù)）將芯片與主板焊接起來。采用SMD安裝不必在主板上穿孔，一般在主 板表面上有設(shè)計(jì)好的相應(yīng)管腳的焊點(diǎn)。將芯片各腳對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的焊點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)與主板的焊接。用這種方法焊上去的器件，要用專用工具拆卸。

QFP封裝具有以下特點(diǎn)：

（1）適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB電路板上安裝布線；
（2）適合高頻使用；
（3）操作方便，可靠性高；
（4）芯片面積與封裝面積之間的比值較小。

目前QFP的引腳間距已從1.27mm發(fā)展到了0.3mm。由于引腳間距不斷縮小，I/O數(shù)不斷增加，封裝體積也不斷加大，給電路組裝生產(chǎn)帶來了許多困難，導(dǎo)致成品率下降和組裝成本的提高。另外由于受器件引腳框架加工精度等制造技術(shù)的限制，0.3mm已是QFP引腳間距的極限，這都限制了組裝密度的提高。

Intel系列CPU中80286，80386就采用塑料四邊引出扁平封裝PQFP。 2.3 PGA針柵陣列封裝

PGA(pin grid array package)芯片封裝形式在芯片的內(nèi)外有多個(gè)方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列。根據(jù)引腳數(shù)目的多少，可以圍成2～5圈。安裝時(shí)，將器件插入專門的PGA插座。為使CPU能夠更方便地安裝和拆卸，從486芯片開始，出現(xiàn)一種名為ZIF的CPU插座，專門用來滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。

ZIF(zero insertion force socket)是指零插拔力的插座。把這種插座上的扳手輕輕抬起，CPU就 可很容易、輕松地插入插座中。然后將扳手壓回原處，利用插座本身的特殊結(jié)構(gòu)生成的擠壓力，將CPU的引腳與插座牢牢地接觸，絕對(duì)不存在接觸不良的問題。而拆卸CPU只需將插座的扳手輕輕抬起，CPU即可輕松取出。

PGA封裝具有以下特點(diǎn)：

(1)插拔操作更方便，可靠性高；
(2)可適應(yīng)更高的頻率。

Intel系列CPU中，Pentium，Pentium Pro均采用這種封裝形式。 2.4 BGA球柵陣列封裝隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，封裝要求更加嚴(yán)格，封裝技術(shù)關(guān)系到產(chǎn)品的性能。當(dāng)IC的頻率超過100MHz時(shí)，傳統(tǒng)封裝方式會(huì)產(chǎn)生所謂的 “CrossTalk”現(xiàn)象，而且當(dāng)IC的管腳數(shù)大于208 pin時(shí)，傳統(tǒng)的封裝難度加大。因此，除使用QFP封裝外，現(xiàn)今大多數(shù)的高腳數(shù)芯片（如圖形芯片與 芯片組等）皆轉(zhuǎn)而使用BGA(ball grid array package)封裝技術(shù)，如圖2所示的GeForce FX圖形芯片體現(xiàn)了當(dāng)前工程技術(shù)的最高成就，相信看到芯片照片上那1152個(gè)焊腳的人都會(huì)驚嘆不已。BGA一出現(xiàn)便成為CPU、主板上南/北橋芯片等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇 ^[2]。

BGA封裝技術(shù)又可分為5大類：

（1）PBGA（plasric BGA）基板：一般為2～4層有機(jī)材料構(gòu)成的多層板（Intel系列CPU中， Pentium II，III，IV處理器均采用這種封裝形式）；

（2）CBGA（ceramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片（Flip Chip，簡(jiǎn)稱FC）的安裝方式（Intel系列CPU中，Pentium II，III，IV處理器均采用這種封裝形式）；

（2）CBGA（ceramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片（FlipChip，簡(jiǎn)稱FC）的安裝方式（Intel系列CPU 中，Pentium I，II，Pentium Pro處理器均采用過這種封裝形式）；

（3）FCBGA（filp chipBGA）基板：硬質(zhì)多層基板；

（4）TBGA（tapeBGA）基板：基板為帶狀軟質(zhì)的1-2層PCB電路板；

（5）CDPBGA（carity down PBGA）基板：指封裝中央有方形低陷的芯片區(qū)（又稱空腔區(qū)）。

BGA封裝具有以下特點(diǎn)：

（1）I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳之間的距離遠(yuǎn)大于QFP封裝方式，提高了成品率；

（2）雖然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善電熱性能；

（3）信號(hào)傳輸延遲小，適應(yīng)頻率大大提高；

（4）組裝可用共面焊接，可靠性大大提高^[3]。

BGA封裝方式經(jīng)過10多年的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。1987年，日本西鐵城（Citizen）公司開始著手研制塑封球柵面陣列封裝的芯片（即 BGA）。而后，摩托羅拉、康柏等公司也隨即加入到開發(fā)BGA的行列。1993年，摩托羅拉率先將 BGA應(yīng)用于移動(dòng)電話。同年，康柏公司也在工作站、PC電腦上加以應(yīng)用。直到五六年前，Intel公司在電腦CPU中（即奔騰II，III，IV等），以及芯片組（如i850）中開始使用BGA，這對(duì)BGA 應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展發(fā)揮了推波助瀾的作用。目前，BGA已成為極其熱門的IC封裝技術(shù)，其全球市場(chǎng)規(guī)模在2001年為12億塊，預(yù)計(jì)2005年市場(chǎng)需求將比2000年有70%以上的增長(zhǎng)^[4]。 2.5 CSP芯片尺寸封裝

隨著全球電子產(chǎn)品個(gè)性化、輕巧化的需求風(fēng) 潮，封裝技術(shù)也進(jìn)步到CSP(chip size package)。它減小了芯片封裝外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封裝尺寸就有多大。即封裝后的IC尺寸邊長(zhǎng)不大于芯片的1.2倍，IC面積只比晶粒（die）大不超過1.4倍。

CSP封裝又可分為四類：

（1）Lead Frame Type(傳統(tǒng)導(dǎo)線架形式)，代表廠商有富士通、日立、Rohm、高士達(dá)（Goldstar）等；

（2）Rigid Interposer Type(硬質(zhì)內(nèi)插板型)，代表廠商有摩托羅拉、索尼、東芝、松下等；

（3）Flexible Interposer Type(軟質(zhì)內(nèi)插板型)，其中最有名的是Tessera公司的microBGA， CTS的sim-BGA也采用相同的原理，其他代表廠商包括通用電氣（GE）和NEC；

（4）Wafer Level Package(晶圓尺寸封裝)，有別于傳統(tǒng)的單一芯片封裝方式，WL CSP是將整片晶圓切割為一顆顆的單一芯片，它號(hào)稱是封裝技術(shù)的未來主流，已投入研發(fā)的廠商包括FCT、Aptos、卡西歐、EPIC、富士通、三菱電子等。

CSP封裝具有以下特點(diǎn)：

（1）組裝面積小，約為相同引腳數(shù)QFP1/4；

（2）高度小，可達(dá)1mm；

（3）易于貼裝，貼裝公差≤±0.3mm（球中心距為0.8mm和1mm時(shí)）；

（4）電性能好、阻抗低、干擾小、噪聲低、屏蔽效果好；

（5）高導(dǎo)熱性。

CSP封裝適用于腳數(shù)少的IC，如內(nèi)存條和便攜電子產(chǎn)品。未來則將大量應(yīng)用在信息家電（IA）、數(shù)字電視（DTV）、電子書（E-Book）、無線 網(wǎng)絡(luò)WLAN／igabitEthemet、ADSL／手機(jī)芯片、藍(lán)牙（Bluetooth）等新興產(chǎn)品中^[2]。 2.6 MCM多芯片模塊

為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題，把多個(gè)高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯(lián)基板上用SMD技術(shù)組成多種多樣 的電子模塊系統(tǒng)，從而出現(xiàn)MCM(multi chip model，多芯片模塊系統(tǒng))，它是電路組件功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的基礎(chǔ)。隨著MCM的興起，使封裝的概念發(fā)生了本質(zhì)的變化，在80年代以前，所有的封裝是面向器件的，而MCM可以說是面向部件的或者說是面向系統(tǒng)或整機(jī)的。MCM技術(shù)集先進(jìn)印刷電路板技術(shù)、先進(jìn)混合集成電路技術(shù)、先進(jìn)表面安裝技術(shù)、半導(dǎo)體集成電路技術(shù)于一體，是典型的垂直集成技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體器件來說,它是典型的柔型封裝技術(shù)，是一種電路的集成。MCM的出現(xiàn)使電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、模塊化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技術(shù)保障^[5]。

MCM具有以下特點(diǎn)：

（1）封裝延遲時(shí)間縮小，易于實(shí)現(xiàn)模塊高速化；

（2）縮小整機(jī)/模塊的封裝尺寸和重量；

（3）系統(tǒng)可靠性大大提高。

對(duì)MCM發(fā)展影響最大的莫過于IC芯片。因?yàn)镸CM高成品率要求各類IC芯片都是良好的芯片（KGD），MCM采用DCA（裸芯片直接安裝技術(shù)）或CSP組成，而裸芯片無論是生產(chǎn)廠家還是使用者都難以全面測(cè)試?yán)匣Y選，所以給組裝MCM帶來了不確定因素。CSP的出現(xiàn)解決了KGD問題，CSP不但具有裸芯片的優(yōu)點(diǎn)，還可像普通芯 片一樣進(jìn)行測(cè)試?yán)匣Y選，使MCM的成品率具有保證，大大促進(jìn)了MCM的發(fā)展和推廣應(yīng)用。目前MCM已經(jīng)成功地用于大型通用計(jì)算機(jī)和超級(jí)巨型機(jī)中，今后將用于工作站、個(gè)人計(jì)算機(jī)、醫(yī)用電子 設(shè)備和汽車電子設(shè)備等領(lǐng)域^[6]。

總之，由于CPU和其他超大規(guī)模集成電路在不斷發(fā)展，集成電路的封裝形式也不斷作出相應(yīng)的調(diào)整變化，而封裝形式的進(jìn)步又反過來促進(jìn)了芯片技術(shù)向前發(fā)展。