芯片封装技术

芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。下面将对具体的封装形式作详细说明。
1.DIP封装
20世纪70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(Dual In-line Package)。DIP封装结构具有以下特点:
(1)适合PCB(印刷电路板)的穿孔安装;
(2)比TO型封装易于对PCB布线;
(3)操作方便。　　
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。
衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1 越好。以采用40根I/O引脚塑料双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=(3×3)/(15.24×50)=1:86，离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。Intel公司早期的CPU，如8086、80286，都采用PDIP封装(塑料双列直插)。
2.载体封装
20世纪80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)。
以0.5mm焊区中心距、208根I/O引脚QFP封装的CPU为例，如果外形尺寸为28mm×28mm，芯片尺寸为10mm×10mm，则芯片面积/封装面积=(10×10)/(28 ×28)=1:7.8，由此可见QFP封装比DIP封装的尺寸大大减小。QFP的特点是:
(1)用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;
(2)封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;
(3)操作方便;
(4)可靠性高。
Intel公司的80386处理器就采用塑料四边引出扁平封装(PQFP)。
3 .BGA封装
20世纪90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。为满足发展的需要，在原有封装方式的基础上，又增添了新的方式——球栅阵列封装，简称BGA(Ball Grid Array Package)。BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的最佳选择。其特点有:
(1)I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率;
(2)虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能;
(3)厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3 /4以上;
(4)寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;
(5)组装可用共面焊接，可靠性高;
(6)BGA 封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大。
Intel公司对集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)、功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、PentiumⅡ采用陶瓷针栅阵列封装(CPGA)和陶瓷球栅阵列封装(CBGA)，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而使CPU能稳定可靠地工作。
4.面向未来的封装技术
BGA封装比QFP先进，更比PGA好，但它的芯片面积/封装面积的比值仍很低。Tessera 公司在BGA基础上做了改进，研制出另一种称为μBGA的封装技术，按0.5mm焊区中心距，芯片面积/封装面积的比为1:4，比BGA前进了一大步。 AMD最新的CPU将采用μBGA封装
1994年9月，日本三菱电气研究出一种芯片面积/封装面积=1:1.1的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP(Chip Size Package 或Chip Scale Package)。CSP封装具有以下特点:
(1)满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要;
(2)解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题;
(3)封装面积缩小到BGA的1/4甚至1/10，延迟时间大大缩小。
曾有人想，单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM(Multi Chip Model)。
它将对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。MCM的特点有:
(1)封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化;
(2)缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3;
(3)可靠性大大提高。
随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将多个LSI芯片组装在一个精密多层布线的外壳内形成MCM产品的想法。进一步又产生另一种想法: 把多种芯片的电路集成在一个大圆片上，从而又导致了封装由单个小芯片级转向硅圆片级(wafer level)封装的变革，由此引出系统级芯片SOC(System On Chip)和电脑级芯片PCOC(PC On Chip)。相信随着CPU和其他ULSI电路的不断进步，集成电路的封装形式也将有相应的发展，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。