CPU的保护之神——封装
硬件周刊
目前Intel和AMD的新一代处理器之战已经拉开了序幕，而他们在新CPU制造技术方面的竞争也在悄悄地进行。今天我们在这里介绍一下作为CPU制造技术之一的封装。
何谓封装
所谓封装是指给半导体集成电路芯片加一个外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电气性能的作用，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板上的导线与其他器件建立连接。
CPU作为一种复杂的芯片，如果芯片没有经过封装就无法提供对核心的保护、提供正确的电源供应以及及时散发热量，没有封装好的芯片就无法稳定地工作，更不能发挥核心的全部性能。封装的意义在于最大限度地保障CPU发挥它的最佳性能，是实现CPU各项特性的保证。
CPU封装技术
到目前为止，CPU的封装技术历经多年的发展，已经从8086(图1)时代的DIP发展到目前的FC-PGA2。由于篇幅原因，今天我们仅仅介绍与桌面CPU相关的封装技术。
1.DIP封装
DIP(Dual In-line Package)称为“双列直插式封装”，像8086和8088等古董级CPU就是采用此类封装。此种封装的最大特点就是有两排引脚，可以插入主板上的DIP结构的芯片插座，或直接焊接在相同焊孔数且引脚几何排列相同的焊位中。此种封装相当简单，实现起来也很容易，不过封装面积和厚度都很大，只适合引脚数少于100个的中小规模集成电路，所以此种封装已经退出了CPU封装舞台，目前在一些BIOS芯片上仍可以看到DIP封装的身影。
2.QFP封装和PFP封装
针对DIP封装的缺点，厂商们推出QFP( Plastic Quad Flat Package，又称塑料方形扁平式封装)封装和PFP(Plastic Flat Package，又称塑料扁平式封装)封装技术。两者的区别是形状不同，QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。
与DIP一样，这两种封装也是采用引脚方式，但它的引脚是从芯片四周引出的，因此芯片引脚之间距离很小，管脚很细，在芯片面积不变的前提下可以容纳更多数量的引脚(100个以上)。不过由于引脚太小，采用这两种封装的芯片必须采用SMD技术(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来，因此CPU芯片若不用专用工具是很难拆卸下来的。当然这两种封装也有自己的优点：信号稳定性相当好，可靠性较高。虽然目前CPU已经不采用这两种封装，但目前不少其他芯片(如BIOS)都采用此类封装。
注：80286(图2)、80386SX和早期的80486芯片组就是采用QFP封装/PFP封装。
3.PGA封装
随着CPU频率、功能提升，封装的I/O引脚从几十根逐渐增加到几百根，QFP/PFP封装技术也无法满足需要了。为此，厂商又推出了更先进的PGA(Pin-Grid Array，针栅阵列)封装技术。
PGA封装是目前最常见的封装。通常这种封装是正方形的或者是长方形的，在CPU的边缘周围均匀地分布着三、四排甚至更多排的引脚，引脚能插入主板CPU插座上对应的插孔，从而实现与主板的连接。这种封装技术的优点是有利于提高核心频率、安装方便。随着CPU总线带宽的增加、功能的增强，CPU的引脚数目也在不断地增多，同时对散热和各种电气特性的要求也更高。随着制造技术的发展，PGA封装又衍生出四种封装类型：SPGA封装；PPGA封装；FC-PGA封装；FC-PGA2封装。
(1)SPGA封装
SPGA英文全称为“Staggered Pin-Grid Array”，又称“交错针栅阵列封装”，此前的Pentium、AMD K5处理器就是采用此种封装。
(2)PPGA封装
PPGA的英文全称为“Plastic Pin Grid Array”，中文名为“塑料针栅阵列”，它也是用插针插入插座中。为了提高热传导率，此种封装在处理器顶部附加了一片镀镍的铜片。处理器底部的引脚针也是交错排列的，并且只能以一个方向插入。PPGA封装方式通常应用于早期的370针Celeron处理器(如Celeron366MHz～500MHz)。
(3)FC-PGA封装
FC-PGA英文全称为“Flip Chip Pin-Grid Array，倒装芯片格栅阵列”，也就是我们常说的翻转内核封装形式，平时我们所看到的CPU内核其实是硅芯片的底部，它是翻转后封装在电路基板上的。
这样各连接点之间的连接不需要专门的连接线，大大方便了高密度引脚芯片的开发，而且这种封装的另一好处就是处理器芯片朝上，露在外面，更加有利于芯片的散热。为了提高芯片对电源和周围信号干扰的抵抗性能，采用FC-PGA封装的处理器的表面或底部都环绕焊接了一些滤波电容和电阻。芯片底部的引脚插针是交叉排列的，为了防止插错，处理器的引脚插针设计成限定只有一个方向可以插入到插座中。而且FC-PGA是将芯片暴露在外的封装形式，这样芯片直接跟散热片接触，无须做特别的处理，就能达到良好的热交换效果。
目前Athlon XP(图3)及以前Coppermine核心的PentiumⅢ、CeleronⅡ就是采用此种封装技术。
(4)FC-PGA2封装
而FC-PGA2封装是在FC-PGA的基础之上加装了一个HIS顶盖(Integrated Heat Spreader ，整合式散热片)，这样的好处可以有效保护内核免受散热器挤压损坏和增强散热效果。英特尔的Tualatin核心的PⅢ/CeleronⅢ(图4)、Pentium 4和AMD新一代处理器──Athlon 64和Opteron都采用此种封装。
注：由于受生产工艺的限制，早期的423针的Pentium 4处理器是采用OOI(Olga on Interposer，也称“奥尔加内插”)封装技术。OOI封装也是采用倒装晶片技术设计，只不过这种封装方式中处理器芯片是内插在基板正面的底层，并增加了一个热传导装置(有点像采用PPGA封装的Celeron)，它可以在附加风扇的基础上更有效地帮助芯片散热。
4.SECC卡匣式封装
SECC英文全称为“Single Edge Contact Cartridge”， 中文意思为“单边接触连接”，俗称为卡匣式封装。SECC封装方式用一个金属外壳包装整个处理器组件。在SECC封装的处理器盒里面还附加了一个热传导片用来散热，许多处理器都有一片与处理器连接在一起的印刷电路板、二级缓存和总线终止电路。
之所以出现这种封装类型，主要是因为受当时的生产工艺的限制──不能将L2缓存整合到内核之中。这种封装有不少缺点：采用SECC封装的CPU的成本较高，体积也相当大，与CPU的连接也很脆弱。虽然后来厂商又推出了成本更低的SECC2 封装(与SECC不同的是，SECC2使用更少的包装而不是全封的，并且没有热传导片)，这种封装技术仍很快就被淘汰了。
注：PentiumⅡ、早期的PentiumⅢ(图5，katmai核心)和早期的Athlon处理器都是采用此种封装。
5.下一代处理器的封装技术──BBUL封装技术
为了适应未来高频处理器发展的需要，英特尔目前在发展的一种新半导体封装技术──BBUL封装技术。利用此种技术能使CPU内集成的晶体管数量达到10亿个，并且在高达20GHz的主频下运行。
BBUL(Bumpless Build-Up Layer，也称“无凸块式增层”技术)是一种全新的半导体封装技术。如果采用传统的封装技术，微处理器内核与封装材料必须先分别制造，然后通过微细锡球(tiny solder balls，由微细锡球组成的“凸点”成为封装和芯片之间电流和物理连通路径)作为媒介焊接在一起，并从互连层部分引出信号传输针脚，然后再在外部封装的PCB板上进行布线处理，这是一个非常复杂、细致的工作流程。随着微处理器运行速度指数级别的提高，芯片封装中对凸点的材质、数目和密度的要求越来越高，而且采用这种封装的处理器核心硅芯片所产生的信号必须通过一个相对长的过程(F/C焊点、核心层和互连层)才能够传递到外部封装的针脚上、传递至电脑的其他部分上，寄生电感较大，因此大大限制了生产更高频率的CPU。
相比之下，BBUL封装的显得更为先进(图6)。BBUL封装的关键在于芯片直接放入封装基板中，从而把组成一个处理器(如Pentium 4)的6～7层金属减少大约3层，使处理器的厚度只有1mm。这样处理器的高度被大大降低，封装也轻了不少，并可以有效控制生产成本。
Intel公司声称，利用这项新技术基本上可以把一个封装包看作是围绕着硅核“生长”起来的，避免了复杂焊接过程以及影响硅核性能的溶化步骤。而且所有的金属互连层都位于底部，处于芯片和针脚之间，这样数据的必经之路缩短了，系统变得更加稳定，新的封装技术对提高芯片的整体运算速度和性能有相当大的帮助。
BBUL技术还有一个明显的优点：可以将处理器的寄生电感降低至少30%，这样可以大大降低处理器的能耗、有利于提升主频。此外，BBUL封装技术还能在同一封装中支持多个处理器，因此服务器的处理器可以在一个封装中有2个内核，从而比独立封装的双处理器获得更高的运算速度。
与现有的封装技术相比，BBUL尽管有诸多的优点，但它要真正进入CPU封装领域尚需时日，因为以目前的制造技术实现起来仍有一定的难度。
小结
总之，随着CPU性能、功能的不断发展，封装形式也不断做出相应的调整变化，而封装形式的进步又将反过来促进CPU技术向前发展。只有二者的有机结合，我们才能看到CPU的不断进步，3.2GHz、3.6GHz、4GHz……