CPU知识详解:封装技术(1)

CPU知识详解:封装技术(1)所谓“封装技术”，是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以 CPU 为例，我们实际看到的体积和外观，并不是真正的 CPU内核的大小和面貌，而是 CPU 内核等元件经过封装后的产品。封装对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏，还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的 PCB（印制电路板）的设计和制造，因此它是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此，对于很多集成电路产品而言，封装技术都是非常关键的一环。目前采用的 CPU 封装，多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来，能起着密封和提高芯片电热性能的作用。由于现在处理器芯片的内频越来越高，功能越来越强，引脚数越来越多，封装的外形也不断在改变。封装时，主要考虑的因素：芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近 1:1。引脚要尽量短，以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能。基于散热的要求，封装越薄越好。作为计算机的重要组成部分，CPU 的性能直接影响计算机的整体性能。而 CPU 制造工艺的最后一步也是最关键一步，就是 CPU 的封装技术。采用不同封装技术的 CPU，在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术，才能生产出完美的 CPU 产品。CPU 芯片的主要封装技术：1) DIP 技术DIP 封装（Dual In-line Package），也叫双列直插式封装技术。指采用双列直插形式封装的集成电路芯片。绝大多数中小规模集成电路，均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过 100。DIP 封装的 CPU 芯片，有两排引脚，需要插入到具有 DIP 结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP 封装的芯片，在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。DIP 封装结构形式有：多层陶瓷双列直插式 DIP，单层陶瓷双列直插式 DIP，引线框架式 DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封结构式、陶瓷低熔玻璃封装式）等。图2 DIP 封装的 8086 处理器DIP 封装具有以下特点：一是适合在 PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。二是芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。最早的 4004、8008、8086、8088 等 CPU 都采用了 DIP 封装，通过其上的两排引脚，可插到主板上的插槽或焊接在主板上。2) QFP 技术这种技术的中文含义，叫方型扁平式封装技术（Plastic Quad Flat Pockage）。该技术实现的 CPU 芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在 100 以上。该技术封装 CPU 时操作方便，可靠性高；而且其封装外形尺寸较小，寄生参数减小，适合高频应用；该技术主要适合用 SMT 表面安装技术在 PCB 上安装布线。图3 QFP 封装的 802863) PFP 技术该技术的英文全称为 Plastic Flat Package，中文含义为塑料扁平组件式封装。用这种技术封装的芯片，同样也必须采用 SMD 技术将芯片与主板焊接起来。采用 SMD 安装的芯片，不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊盘。将芯片各脚对准相应的焊盘，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。该技术与上面的 QFP 技术基本相似，只是外观的封装形状不同而已。图4 PFP 封装的 803864) PGA 技术该技术也叫插针网格阵列封装技术（Ceramic Pin Grid Arrau Package）。由这种技术封装的芯片，内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，根据管脚数目的多少，可以围成 2～5 圈。安装时，将芯片插入专门的 PGA 插座。为了使得 CPU 能够更方便的安装和拆卸，从 486 芯片开始，出现了一种 ZIF CPU 插座，专门用来满足 PGA 封装的 CPU 在安装和拆卸上的要求。该技术一般用于插拔操作比较频繁的场合之下。图5 早先的 80486 和 Pentium、 Pentium Pro 等 CPU 均采用 PGA 封装形式5) BGA 技术BGA 技术（Ball Grid Array Package）即球栅阵列封装技术。该技术的出现便成为 CPU、主板南、北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。但 BGA 封装占用基板的面积比较大。虽然该技术的 I/O 引脚数增多，但引脚之间的距离远大于 QFP，从而提高了组装成品率。而且该技术采用了可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能。另外，该技术的组装可用共面焊接，从而能大大提高封装的可靠性；并且由该技术实现的封装 CPU 信号传输延迟小，适应频率可以提高很大。BGA 封装具有以下特点：1、I/O 引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于 QFP 封装方式，提高了成品率2、虽然 BGA 的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能3、信号传输延迟小，适应频率大大提高4、组装可用共面焊接，可靠性大大提高6) OPGA 封装OPGA（Organic pin grid Array，有机管脚阵列）。这种封装的基底使用的是玻璃纤维，类似印刷电路板上的材料。此种封装方式，可以降低阻抗和封装成本。OPGA 封装拉近了外部电容和处理器内核的距离，可以更好地改善内核供电和过滤电流杂波。AMD 公司的 Athlon XP 系列CPU 大多使用此类封装。图6 OPGA 封装