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CPU的5种封装方式详细介绍

来源:网络 | 2007-3-25 | (有6726人读过)

CPU封装是CPU生产过程中的最后一道工序,封装是采用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施,一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。
  CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计,从大的分类来看通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA(栅格阵列)方式封装,而采用Slot x槽安装的CPU则全部采用SEC(单边接插盒)的形式封装。现在还有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封装技术。由于市场竞争日益激烈,目前CPU封装技术的发展方向以节约成本为主。下面我们就一起来看看几种有代表性的CPU封装方式。

1、早期CPU封装方式

  CPU封装方式可追朔到8088时代,这一代的CPU采用的是DIP双列直插式封装。DIP(DualIn-line Package)是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(IC)均采用这种封装形式,其引脚数一般不超过100个。采用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。这种封装适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便,但芯片面积与封装面积之间的比值较大,故体积也较大。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。

  而80286,80386CPU则采用了QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装。QFP(Plastic Quad Flat Package)封装的芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式,其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来。

  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点。将芯片各脚对准相应的焊点,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。而相似的PFP(Plastic Flat Package)方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是长方形。QFP/PFP封装适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线以及高频使用,可靠性较高,封装面积也比较小。

2、PGA(Pin Grid Array)引脚网格阵列封装

  PGA封装也叫插针网格阵列封装技术(Ceramic Pin Grid Arrau Package),目前CPU的封装方式基本上是采用PGA封装,在芯片下方围着多层方阵形的插针,每个方阵形插针是沿芯片的四周,间隔一定距离进行排列的,根据管脚数目的多少,可以围成2~5圈。它的引脚看上去呈针状,是用插件的方式和电路板相结合。

  安装时,将芯片插入专门的PGA插座。PGA封装具有插拔操作更方便,可靠性高的优点,缺点是耗电量较大。从486的芯片开始,出现的一种ZIF(Zero Insertion Force Socket,零插拔力的插座)的CPU插座,使用该封装技术的CPU可以很容易、轻松地插入插座中,然后将搬手压回原处,利用插座本身的特殊结构产生的挤压力,将CPU的管脚与插座牢牢的接触,绝对不会存在接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的搬手轻轻抬起,则压力解除,CPU芯片即可轻松取出。 专门用来安装和拆卸PGA封装的CPU。

  PGA也衍生出多种封装方式,比较常见的有以下几种:

  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AthlonXP系列CPU大多使用此类封装。

  mPGA:微型PGA封装,目前只有AMD公司的Athlon 64和英特尔公司的Xeon(至强)系列CPU等少数产品所采用,而且多是些高端产品,是种先进的封装形式。

  CPGA:也就是常说的陶瓷封装,全称为Ceramic PGA。主要在Thunderbird(雷鸟)核心和“Palomino”核心的Athlon处理器上采用。

  FC-PGA:这种封装是反转芯片针脚栅格阵列的缩写,这种封装中有针脚插入插座。这些芯片被反转,以至片模或构成计算机芯片的处理器部分被暴露在处理器的上部。通过将片模暴露出来,使热量解决方案可直接用到片模上,这样就能实现更有效的芯片冷却。为了通过隔绝电源信号和接地信号来提高封装的性能,FC-PGA 处理器在处理器的底部的电容放置区域(处理器中心)安有离散电容和电阻。芯片底部的针脚是锯齿形排列的。此外,针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式插入插座。FC-PGA 封装用于奔腾 III 和英特尔 赛扬 处理器,它们都使用 370 针。

  FC-PGA2 :FC-PGA2封装与 FC-PGA 封装类型很相似,除了这些处理器还具有集成式散热器 (IHS)。集成式散热器是在生产时直接安装到处理器片上的。由于 IHS 与片模有很好的热接触并且提供了更大的表面积以更好地发散热量,所以它显著地增加了热传导。FC-PGA2 封装用于奔腾 III 和英特尔赛扬处理器(370 针)和奔腾 4 处理器(478 针)。

  PPGA:PPGA的英文全称为“Plastic Pin Grid Array”,是塑针栅格阵列的缩写,这些处理器具有插入插座的针脚。为了提高热传导性,PPGA 在处理器的顶部使用了镀镍铜质散热器。芯片底部的针脚是锯齿形排列的。此外,针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式插入插座。

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点。将芯片各脚对准相应的焊点,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。而相似的PFP(Plastic Flat Package)方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是长方形。QFP/PFP封装适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线以及高频使用,可靠性较高,封装面积也比较小。

2、Tiny-BGA(Tiny Ball Grid Array)小型球栅阵列封装

  TinyBGA英文全称为Tiny Ball Grid Array(小型球栅阵列封装),属于是BGA封装技术的一个分支。是Kingmax公司于1998年8月开发成功的,其芯片面积与封装面积之比不小于1:1.14,可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高2—3倍,与TSOP封装产品相比,其具有更小的体积、更好的散热性能和电性能。

  采用TinyBGA封装技术的内存产品在相同容量情况下体积只有TSOP封装的1/3。TSOP封装内存的引脚是由芯片四周引出的,而TinyBGA则是由芯片中心方向引出。这种方式有效地缩短了信号的传导距离,信号传输线的长度仅是传统的TSOP技术的1/4,因此信号的衰减也随之减少。这样不仅大幅提升了芯片的抗干扰、抗噪性能,而且提高了电性能。

  采用TinyBGA封装芯片可抗高达300MHz的外频,而采用传统TSOP封装技术最高只可抗150MHz的外频。TinyBGA封装的内存其厚度也更薄(封装高度小于0.8mm),从金属基板到散热体的有效散热路径仅有0.36mm。因此,TinyBGA内存拥有更高的热传导效率,非常适用于长时间运行的系统,稳定性极佳。

3、BLP(Bottom Lead PacKage)底部引交封装

  樵风(ALUKA)金条的内存颗粒采用特殊的BLP封装方式,该封装技术在传统封装技术的基础上采用一种逆向电路,由底部直接伸出引脚,其优点就是能节省约90%电路,使封装尺寸电阻及芯片表面温度大幅下降。和传统的TSOP封装的内存颗粒相比,其芯片面积与填充装面积之比大于1:1.1,明显要小很多,不仅高度和面积极小,而且电气特性得到了进一步的提高,制造成本也不高,BLP封装与KINGMAX的TINY-BGA封装比较相似,BLP的封装技术使得电阻值大幅下降,芯片温度也大幅下降,可稳定工作的频率更高。

4、TSOP(Thin Small Outline Package)薄型小尺寸封装

  TSOP内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做出引脚,如SDRAM内存的集成电路两侧都有引脚,SGRAM内存的集成电路四面都有引脚。TSOP适合用SMT技术(表面安装技术)在PCB(印制电路板)上安装布线。TSOP封装外形尺寸时,寄生参数(电流大幅度变化时,引起输出电压扰动) 减小,适合高频应用,操作比较方便,可靠性也比较高。
  改进的TSOP技术目前广泛应用于SDRAM内存的制造上,不少知名内存制造商如三星、现代、Kingston等目前都在采用这项技术进行内存封装。不过,TSOP封装方式中,内存芯片是通过芯片引脚焊接在PCB板上的,焊点和PCB板的接触面积较小,使得芯片向PCB办传热就相对困难。而且TSOP封装方式的内存在超过150MHz后,会产品较大的信号干扰和电磁干扰。
  
5、CSP(Chip Scale Package)芯片级封装

  CSP作为新一代的芯片封装技术,在BGA、TSOP的基础上,它的性能又有了革命性的提升。CSP,全称为Chip Scale Pack-age,即芯片尺寸封装的意思。作为新一代的芯片封装技术,在BGA、TSOP的基础上,CSP的性能又有了革命性的提升。CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14,已经相当接近1:1的理想情况,绝对尺寸也仅有32平方毫米,约为普通的BGA的1/3,仅仅相当于TSOP内存芯片面积的1/6。

  与BGA封装相比,同等空间下CSP封装可以将存储容量提高3倍。CSP封装内存不但体积小,同时也更薄,其金属基板到散热体的最有效散热路径仅有0.2毫米,大大提高了内存芯片在长时间运行后的可靠性。与BGA、TOSP相比CSP封装的电气性能和可靠性也有相当大的提高。并且,在相同的芯片面积下CSP所能达到的引脚数明显要比TSOP、BGA引脚数多得多,这样它可支持I/O端口的数目就增加了很多。

  此外,CSP封装内存芯片的中心引脚形式有效缩短了信号的传导距离,其衰减随之减少,芯片的抗干扰、抗噪性能也能得到大幅提升,这也使得CSP的存取时间比BGA改善15%—20%。
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