CPU芯片封装技术的发展

摘 要：本文主要介绍了CPU芯片封装技术的发展演变，以及未来的芯片封装技术。同时，我们从中可以看出芯片技术与封装技术相互促进，协调发展密不可分的关系。

关键词：CPU；封装；BGA

中图分类号：TN305．94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070(2005)04-01-04

1 引言

摩尔定律预测：每平方英寸芯片的晶体管数目每过18个月就将增加一倍，成本则下降一半。世界半导体产业的发展一直遵循着这条定律，以美国Intel公司为例，自1971年设计制造出4位微处理器芯片4004以来，在30多年时间内，CPU从Intel 4004、8086发展到目前的Pentium4，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位；主频从几兆到今天的3GHz以上；今天市场上正式发售的Prescott核心的新Pentium4处理器已经能够在1．12平方厘米的空间内集成125000000个晶体管，而该公司预言，2010年将推出集成度为10亿个晶体管的微处理器；封装的输入／输出(I／O)引脚从十几条，逐渐增加到几百条，本世纪初可能达2 000条以上。技术的发展可谓一日千里(如表1所示)[1]。

对于CPU，读者已经很熟悉了，Pentium、Pentium2、Pentium3、Pentium4、Celeron、K6、K6-2、K7……相信您可以如数家珍地列出一长串。但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。所谓封装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、保护芯片和增强电热性能的作用，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，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常
伴随着新的封装形式的使用。

芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、PLCC到BGA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。

下面几节将对具体的CPU封装形式作详细说明。

2 DIP封装

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封装结构形式有多种，如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引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)的8086CPU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公司这期间的CPU如4004(如图1)、8086(如图2)都采用PDIP封装。

3 芯片载体封装

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引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28mm×28mm，芯片尺寸10mm X 10mm，则芯片面积佶才装面积=10×10／28×28=1：7．8，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。芯片载体封装的特点是：

①适合用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。

在这期间，Intel公司的CPU，如Intel80286(如图3)就采用塑料有引线芯片载体PLCC。

4 BGA封装

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，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I／O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种——焊球阵列封装，简称BGA(Ball Grid Array Package)，它的I／O引脚以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度短，这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。BGA技术的优点是可增加I／O数和间距，消除OFP技术的高I／O数带来的生产成本和可靠性问题[2]。

BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I／O引脚封装的最佳选择。其特点有：

①I／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；
⑥BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大。

从386(如图4)开始，Intel公司就开始采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷焊球栅阵列封装CBGA，与传统BGA封装技术略有不同，用针脚代替了焊球，如486、Pentium、Pentium3以及Pentium4(如图5)芯片，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。这其中Pentium2和部分老式的Pentium3采用了一种类似插卡设计的SLOT1架构，但很快就消失了。最新的LGA775处理器(Prescott核心)采用了独特的无针脚设计(如图6)，而安装插座则转而采用针脚设计(如图7)，但这也给CPU的安装带来了一定难度。

5 面向未来的新型CPU封装技术

BGA封装比QFP先进，但它的芯片面积／封装面积的比值仍很低。这时有人设想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将多个集成电路芯片在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样的电子组件、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。图8所示的是带有八颗核心的IBM Power5处理器。Intel推出的新一代64位处理器Itanium(安腾)也采用了MCM技术，从这里开始，Intel的CPU历史又要迈开新的一步。

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，并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(waferlevel)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)。

随着CPU和其他ULSI电路的进步，集成电路的封装形式也将有相应的发展，封装形式的进步又将反过来促进芯片技术向前发展，从而形成一种相互促进、协调发展密不可分的关系[1]。