内存芯片封装技术“三级跳”

　　芯片的封装技术种类多种多样，诸如DIP、PQFP、TSOP、TSSOP、PGA、BGA、QFP、TQFP等等。

　　芯片的封装技术已历经好几代的变迁，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，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，可靠性提高，更加方便等等，这都是看得见的变化。而从TSOP到TinyBGA、再到CSP，内存芯片封装技术实现了“三级跳”。

　　TSOP浮出水面

　　在20世纪70年代，芯片封装流行的还是双列直插封装，简称DIP(Dual ln-line Package)。DIP封装在当时具有适合PCB(印刷电路板)的穿孔安装、易于对PCB布线以及操作较为方便等特点。其封装的结构形式也很多，包括多层陶瓷双列直插式DIP、单层陶瓷双列直插式DIP和引线框架式DIP等等。

　　但是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。以一颗采用40根I/O引脚塑料双列直插式封装(PDIP)的芯片为例，其芯片面积∶封装面积为1∶86，离l相差很远。不难看出，这种封装尺寸比芯片大很多，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。

　　到了20世纪80年代，出现的内存第二代封装技术以TSOP为代表，它很快为业界所普遍采用，到目前为止还保持着内存封装的主流地位。TSOP即薄型小尺寸封装，一个典型特征就是可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(如图1所示)，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上安装布线。TSOP封装的寄生参数减小，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，不少内存制造商如三星、现代、Kingston等企业都采用这项技术进行内存封装。

    TinyBGA封装成中流砥柱

　　20世纪90年代以来，随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，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。BGA封装技术已经在GPU(图形处理芯片)、主板芯片组等大规模集成电路的封装领域得到了广泛的应用。而TinyBGA(Tiny BallGrid Array，小型球栅阵列封装)就是微型BGA的意思，TinyBGA属于BGA封装技术的一个分支，它采用BT树脂以替代传统的TSOP技术，具有更小的体积、更好的散热性能和电气性能。目前高端显卡的显存以及DDR333、DDR400内存上都是采用这一封装技术的产品(如图2所示)。

　　TinyBGA封装的芯片与普通TSOP封装的芯片相比，有以下几个特点：

　　一、单位容量内的存储空间大大增加。相同大小的两片内存颗粒，TinyBGA封装方式的容量能比TSOP高一倍，成本也不会有明显上升，而且当内存颗粒的制程小于0.25微米时，TinyBGA封装的成本比TSOP还要低。

　　二、具有较高的电气性能。TinyBGA封装的芯片通过底部的锡球与PCB板相连，有效地缩短了信号的传输距离，信号传输线的长度仅是传统TSOP技术的1/4，信号的衰减也随之下降，能够大幅提升芯片的抗干扰性能。

　　三、具有更好的散热能力。TinyBGA封装的内存，不但体积比相同容量的TSOP封装芯片小，同时也更薄(封装高度小于0.8毫米)，从金属基板到散热体的有效散热路径仅有0.36毫米。相比之下，TinyBGA方式封装的内存拥有更高的热传导效率，TinyBGA封装的热抗阻比TSOP低75%。

　　采用TinyBGA新技术封装的内存，可使所有计算机中的DRAM内存在体积不变的情况下，内存容量提高两到三倍。另外，与传统TSOP封装方式相比，TinyBGA封装方式有着更加快速和有效的散热途径。不过TinyBGA封装仍然存在着占用基板面积较大的问题。

　　随着以处理器为主的计算机系统性能的大幅提升，人们对于内存的品质和性能要求也日趋苛刻。为此，人们要求内存封装更加紧凑，以适应大容量的内存芯片；要求内存封装的散热性能更好，以适应越来越快的频率。毫无疑问的是，进展不太大的TSOP等内存封装技术也越来越不适用于高频、高速的新一代内存的封装需求，新的内存封装技术也应运而生了。

　　CSP封装成明日之星

　　在BGA技术开始推广的同时，另外一种从BGA发展来的CSP封装技术(如图3所示)正在逐渐展现它的生力军本色。

　　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，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。图4展示了三种封装技术内存芯片的比较，从中我们可以清楚地看到内存芯片封装技术正向着更小的体积方向发展。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%。

　　在CSP的封装方式中，内存颗粒是通过一个个锡球焊接在PCB板上，由于焊点和PCB板的接触面积较大，所以内存芯片在运行中所产生的热量可以很容易地传导到PCB板上并散发出去；而传统的TSOP封装方式中，内存芯片是通过芯片引脚焊在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。CSP封装可以从背面散热，且热效率良好。测试结果显示，运用CSP封装的内存可使传导到PCB板上的热量高达88.4%，而TSOP内存中传导到PCB板上的热量为71.3%。另外由于CSP芯片结构紧凑，电路冗余度低，因此它也省去了很多不必要的电功率消耗，致使芯片耗电量和工作温度相对降低。

　　目前内存厂在制造DDR333和DDR400内存的时候均采用0.175微米制造工艺，良品率比较低。而如果将制造工艺提升到0.15微米甚至0.13微米的话，良品率将大大提高。而要达到这种工艺水平，采用CSP封装方式则是不可或缺的，CSP将会是未来高性能内存封装的选择。

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    封装技术至关重要

　　封装技术是一种将集成电路打包的技术。就我们常见的内存来说，我们实际看到的体积和外观并不是真正的内存的大小和面貌，而是内存芯片经过打包即封装后的产品。这种打包对于芯片来说是必需的，也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此它是至关重要的。

　　封装也可以说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、保护芯片和增强导热性能的作用，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，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此，对于很多集成电路产品而言，封装技术都是非常关键的一环。