“芯”的武装——芯片封装发展历程回顾
硬件时空
关注电脑核心配件发展的朋友都会注意到，厂商通常在推出革命性的CPU、内存或者芯片组时，都会强调产品采用了新的封装形式。不过，很多人对封装并不了解。那么究竟什么是封装？它对电脑硬件的发展有什么意义？
芯片封装——半导体发展的风向标
说起CPU的发展，可能大家对286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ、Pentium4、K6、K7、K8……等处理器早已经耳熟能详，但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人可能不多。那么，芯片封装究竟是何物呢？
从半导体工业制造流程来看，制造好的晶圆都必须经过严格的检验，合格以后才送往封装工厂进行切割，划分成单块逻辑单元，然后与基板一起放入封装设备当中。这些芯片可以直接安装在陶瓷衬底的表面作为混合电路的一部分，也可以和其他芯片“组合”到一起并作为多芯片模块的一部分，或者直接安装到印刷电路板（PCB）上等。简而言之，封装就是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。
多年来，半导体封装行业由于受到种种因素影响而一直落后于芯片制造业。但是，随着超大规模集成电路的高速发展，人们对提高半导体封装技术的愿望也更为迫切。可以说，封装技术在某种程度上促进了半导体产业的发展。
迄今为止，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，如芯片面积与封装面积之比越来越接近于1∶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。
为什么要对芯片进行封装？
任何事物都有其存在的道理，芯片封装的意义又体现在哪里呢？从业内普遍认识来看，芯片封装主要具备以下四个方面的作用：固定引脚系统、物理性保护、环境性保护和增强散热。下面我们就这四方面做一个简单描述。
1.固定引脚系统
要让芯片正常工作，就必须与外部设备进行数据交换，而封装最重要的意义便体现在这里。当然，我们不可能将芯片内的引脚直接与电路板等连接，因为这部分金属线相当细，通常情况下小于1.5微米（μm），而且多数情况下只有1.0微米。但通过封装以后，将外部引脚用金属铜与内部引脚焊接起来，芯片便可以通过外部引脚间接地与电路板连接以起到数据交换的作用。
外部引脚系统通常使用两种不同的合金——铁镍合金及铜合金，前者可用于高强度以及高稳定性的场合，而后者具有导电性和导热性较好的优势。具体选用何种引脚系统可根据实际情况来定。
2.物理性保护
芯片通过封装以后可以免受微粒等物质的污染和外界对它的损害。实现物理性保护的主要方法是将芯片固定于一个特定的芯片安装区域，并用适当的封装外壳将芯片、芯片连线以及相关引脚封闭起来，从而达到保护的目的。应用领域的不同，对于芯片封装的等级要求也不尽相同，当然，消费类产品要求最低。
3.环境性保护
封装的另一个作用便是对芯片的环境性保护，可以让芯片免受湿气等其他可能干扰芯片正常功能的气体对它正常工作产生不良影响。
4.增强散热
众所周知，所有半导体产品在工作的时候都会产生热量，而当热量达到一定限度的时候便会影响芯片正常工作。而封装体的各种材料本身就可以带走一部分热量。当然，对于大多数发热量大的芯片，除了通过封装材料进行降温以外，还需要考虑在芯片上额外安装一个金属散热片或风扇以达到更好的散热效果。
封装技术的“鼻祖”——DIP
DIP（Dual In-line Package）封装又被称为双列直插式封装，它应该是人们最为熟悉的封装技术之一——早在4004、8086和8088等CPU中便得到了应用。DIP有一个厚厚的外壳，从其两侧伸出两列向下弯曲的外部引脚。根据材料的不同，DIP封装可被分为三大类：预制陶瓷式DIP封装、CEREIP封装和塑胶式DIP封装。
DIP封装的最大优点就是适合在PCB板上实现穿孔焊接，操作起来比较简单，因此在现有半导体业中，DIP仍然占有一席之地，诸如某些BIOS芯片上就能见到它的身影。当然，DIP的缺点还是相当明显的，芯片封装面积和厚度都相对较大，由此也造成了整个芯片体积的增大。与此同时，外部引脚容易在芯片的插拔过程当中损坏，不太适用于高可靠性场合。此外，DIP封装还有一个致命的缺陷，那就是它只适用于引脚数目小于100的中小规模集成电路，对于发展迅猛的芯片领域来说，100引脚的限制是“致命”的，也正是这个原因， DIP慢慢退出了CPU封装的舞台。
DIP封装的进化版——QFP/PFP
当CPU发展到80286时代，封装技术的鼻祖DIP已经不太适合其需求了，QFP（Plastic Quad Flat Package，塑料方形扁平式封装）和PFP（Plastic Flat Package，塑料扁平式封装）出现了。这两者与DIP相比同样采用了引脚方式，不同的是改变了引脚从两列伸出的方式，而是芯片四面全部有引脚，如此一来，在整个芯片面积不变的情况下可以容纳更多的引脚。
由于QFP/PFP引脚比DIP细很多，所以它们不能像安装DIP芯片那样直接插拔，而必须借助特殊的技术和工具，从这一点也体现了它们的高可靠性，即一旦芯片与电路板连接以后，便不会出现任何接触不良的问题。当然，我们也无法方便地更换CPU。相对而言，QFP/PFP优点还是相当突出的，除了上述所说增加引脚数目以外，信号稳定性好，能够满足芯片高频率工作的需求。正是因为这些优点，使得QFP/PFP封装在80286时代得到了广泛采用。
为内存而来——TSOP封装技术
20世纪80年代，内存第二代的封装技术TSOP出现了，并得到了业界的广泛认可。时至今日TSOP仍旧是内存封装的主流技术。TSOP是“Thin Small Outline Package”的缩写，中文意思是薄型小尺寸封装。TSOP封装是在芯片的周围做出引脚，采用SMT技术（表面贴装技术）直接附着在PCB板的表面。TSOP封装适合高频应用环境，可靠性也比较高。同时TSOP封装具有成品率高、价格便宜等优点，得到了极为广泛的应用。
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板传热就相对困难。而且TSOP封装方式的内存在频率超过150MHz后，会产生较大的信号干扰和电磁干扰。由于这样的特点，使得TSOP封装在SDRAM、DDR SDRAM时代大放异彩，但到了DDR2时代由于内存需要更高的频率，所以TSOP才被BGA封装逐步替代。
大规模集成芯片的基础——BGA
BGA（Ball Grid Array，球状栅格阵列）封装目前主要用于移动芯片当中，这是因为它具备较小的体积。BGA与DIP、QFP/PFP、PGA等封装形式最大的不同在于引脚方式——BGA封装采用触点方式连接，可以简单地将触点理解成为PGA封装当中的引脚。
在通信方式上，BGA也不同于DIP、QFP/PFP、PGA——BGA需要和电路板相互焊接才能一起使用，由此也形成了BGA封装的优点和缺点：优点是稳定性好，满足于高频率芯片的需求而且占用面积小；缺点是一旦安装上后便无法更换，这对消费者或厂商来说都是一种痛苦。
在BGA封装技术中，有一种大家都很熟悉，这就是高速显存（尤其是GDDR2和GDDR3）常用的mBGA（Micro Ball Grid Array，微型球状栅格阵列）封装。mBGA的优点有杂讯少、散热性好、电气性能佳，且可提高良品率。mBGA封装最突出的地方是内部元件的间隔更小，信号传输延迟短，可以使频率获得较大的提升。与TSOP封装不同的是，mBGA封装芯片的引脚并非裸露在外，而是以体积微小的锡球的形式“寄生”在芯片的底部，所以这种芯片都看不到引脚。
主流封装技术——PGA
PGA（Pin Gird Array Package，格栅阵列封装）是最常见的封装方式之一，目前大多数CPU均采用此类封装方式。PGA封装最大的优点是安装方便，适用于高频率芯片。PGA封装在芯片下方围着多层方阵形的插针，每层方阵形插针是沿芯片的四周、间隔一定距离排列的，根据针脚数目的多少，可以围成2～5圈。PGA封装缺点是耗电量较大。
从486时代开始，出现了一种名为ZIF(Zero Insertion Force Socket，零插拔力插槽）的CPU插槽，使用PGA封装的CPU可以很轻松地插入这种插槽中，并将扳手压回原处，利用插槽本身的特殊结构产生的挤压力，使CPU的针脚与插槽“亲密”接触。反之，拆卸CPU时只须将插槽的扳手轻轻抬起，则压力解除，CPU即可轻松取出。这种插槽一直沿用至今，专门用于安装和拆卸PGA封装的CPU。
随着半导体产业的进步，对于散热和电气性能要求也越来越高，PGA也进化出多种版本——OPGA、FC-PGA、CPGA、FC-PGA2、PPGA等。下面我们就对这些进化版本的PGA做一番简单的叙述。
1.OPGA（Organic pin grid Array，有机管脚阵列）封装的基底使用的是玻璃纤维板，类似印刷电路板上的材料，这种封装方式可以降低阻抗和封装成本，此外，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的Athlon XP系列处理器大多采用这种封装形式。
2.FC-PGA封装是Flip Chip Pin Grid Array（反转芯片针脚栅格阵列）的缩写，采用这种封装的处理器的芯片被反转，片模“暴露”在处理器的上部，这样能更有效地使芯片冷却。采用FC-PGA封装的处理器主要是Socket 370接口的Pentium Ⅲ和Celeron。
3.CPGA全称为Ceramic PGA，也就是常说的陶瓷封装，它主要用于Thunderbird（雷鸟）核心和Palomino核心的Athlon处理器上。
4.FC-PGA2封装与 FC-PGA 封装很相似，采用这种封装的处理器还具有集成式散热器 (IHS)，它是在生产CPU时直接安装到芯片上的，IHS 与CPU核心接触良好，并且提供了更大的散热面积，有助于芯片散热。FC-PGA2 封装主要用于PⅢ、赛扬处理器（370针）和P4 处理器（478 针）。
5.PPGA（Plastic Pin Grid Array，塑针栅格阵列）封装是为了提高热传导性，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，针脚的安排方式使得处理器只能用一种方式插入插槽。PPGA封装主要用于早期Socket 370接口的赛扬处理器。
追求封装体积极限——CSP
事实上无论是BGA、PGA还是LGA封装它们的芯片与封装密度比依然相当低，许多BGA封装芯片内部的内核面积不到指甲盖大小，但被装入芯片内之后芯片的面积有着显著的增加。这样的封装形式显然无法适应日后电子产品小型化的趋势。为此业界纷纷开始研究如何进一步提升芯片面积/封装面积的比。
1994年9月，日本三菱电气研究出一种芯片与封装面积比接近于1∶1.1的封装结构，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。这种新的封装形式被命名为芯片尺寸封装，简称CSP(Chip Size Package或Chip Scale Package)。CSP封装形式的问世，首先解决了高密度半导体晶体管引脚不断增加的需求和IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题。由于体积的大幅缩小，使得CSP芯片的延迟远远低于BGA等封装形式。当然CSP超小的体积也有利于实现更高密度的设计。
高性能芯片封装首选——LGA
LGA全称是Land Grid Array，直译就是栅格阵列封装。这种封装技术实际上是PGA封装的改良。和PGA封装相比，LGA首先将底部的所有引脚去掉，转而变成了平面上的大量触点。这样一来就彻底消除了PGA封装引脚密度增加之后相互的信号干扰问题。LGA封装可以直接上锡装在PCB上，也可以通过LGA插座与芯片连接，在采用这样的连接方式后，芯片与PCB的距离得以显著缩短，使得LGA封装的电气性能更好于PGA。
正是因为LGA封装拥有更为优秀的特性，使得当今各种高密度的CPU、FPGA、DSP等芯片都纷纷转向LGA封装，其中Intel早在2005年就将旗下的Pentium、Celeron处理器转为LGA封装，从而保证CPU频率的提升不受封装电气性能的阻碍。而AMD也会在2007年逐步过渡到LGA封装的Socket F接口。而包括菲思卡尔、TI在内的各种FPGA、DSP芯片制造商也开始全面为用户提供LGA封装的产品。毫无疑问，LGA封装将会在未来逐步取代PGA，成为主流的芯片封装形式。
另类多内核——MCM封装
尽管CSP封装的裸芯片尺寸与封装尺寸基本相近，可使电路组装密度大幅度提高，但人们在应用中也发现，无论采用何种封装技术封装后裸芯片的性能总是比未封装的要差一些。于是人们对传统的混合集成电路(HIC)进行彻底的改变，提出了MCM (多芯片组件)封装模式。
MCM是上世纪90年代以来发展较快的一种先进混合集成电路，它把几块IC芯片或CSP组装在一块电路板上，构成功能电路，它是用电路组件功能实现系统级的基础。随着MCM的兴起，封装概念发生了本质的变化，在20世纪80年代以前，所有的封装是面向器件的，而MCM可以说是面向部件或者说是面向系统或整机的。MCM技术集先进印刷电路技术、混合集成电路技术、表面安装技术、半导体集成电路技术于一体，是典型的垂直集成技术。MCM的出现为电子系统实现小型化、模块化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技术保障。
要说MCM封装，最为关键的部分恐怕就是IC芯片的测试了。MCM封装要求所有的芯片都是良品，但如果只是将裸芯片直接用于MCM封装就会使得厂商无法进行全面的测试和筛选，从而增加了MCM封装的不确定性。
为此，在MCM封装中，业界首先用CSP对切割好的裸芯片进行封装，在进行全面测试之后判定合格，才整合入MCM封装中以保证MCM封装的可靠性。目前MCM已经成功地用于大型通用计算机和超级机中，今后将用于工作站、个人计算机、医用电子设备和汽车电子设备等领域。在众多MCM封装产品中，最著名的当数IBM的Power5处理器了。在Power5处理器中，IBM通过MCM技术将8个CPU内核同时放在一个封装中以提供更为强大的性能。
万丈高楼平地起——3D封装技术
在上述文章中我们介绍的所有封装技术，伴随着芯片体积的增加最后封装出来的产品面积也将会显著增加。那在现有技术条件和有限的空间内，如何进一步提升晶体管的密度？业界想到了让芯片纵向发展的办法。3D封装技术也因此诞生。
3D封装可以通过两种方法实现：封装内的裸片堆叠和封装内的封装堆叠。因为裸片堆叠CSP在开发Z方向空间（即高度）的同时还保持了其X和Y方向上的元件大小（厚度即使增加也是非常小），这种封装已经被很多手机应用所接受。裸片堆叠CSP封装的主要缺点在于堆叠中的一层集成电路出现问题，所有堆叠的裸片都将报废，但毫无疑问裸片堆叠显然能够获得更为紧凑的芯片体积。
在裸片堆叠技术领域，业界最大的内存、闪存制造商三星对此有着极为深入的研究。早在2006年初，三星就宣布了独家用于内存芯片的3D封装技术。三星公司将这种新技术命名为“晶圆级的堆叠工艺”，简称WSP。现有的芯片封装依赖于对印刷电路板的有线连接，这种有线连接需要互连之间存在空间，以消除干扰，但是在制造高密度内存之时，这种空间会成为制约因素。三星宣布的“通过矽”的互相连接技术，本质上是激光在内存芯片之间打孔，然后以导体材料填充这些孔，以产生垂直互连效果。三星公司则在一个封装中堆叠了8个2Gb NAND芯片。这种容量16Gb的NAND芯片高度只有半个毫米。
由于各种裸片堆叠技术的逐步成熟，在未来许多3D封装都将会转向裸片堆叠以进一步降低体积。我们甚至可以期待在不久的将来通过3D封装技术，一张SD卡的容量可以轻松突破20GB！
结语
究竟一片简单的芯片凝结了多少智慧我们无从考究，但要让一片芯片正常运行往往需要成千上万种技术的良好配合以及正常工作。作为芯片制造中不可或缺的封装技术，每次封装的进化都将会带动整个芯片制造行业的巨大发展。
芯片封装就像是半导体行业的风向标，从一部封装技术的简史中，我们就得以窥探半导体技术的发展足迹。