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内存芯片封装技术特点

时间:2010-09-25 16:16:53

  近几年的硬件发展是日新月异,处理器早已进入G赫兹时代,封装形式也是经历了数种变化。但是光有一颗速急力猛的芯还远远不够,为了让计算机真正快速地跑起来,整个系统都需要齐步跟进,而内存一向也是人们关注的焦点之一。实在这几年内存技术也在不断的走向成熟和完善,在内存技术中,好像人们对其尺度之争和工作频率给予了更多的关注,实际上内存还有一项技术也长短常重要的,对其容量以及机能都有着极大的影响,那就是内存颗粒的封装形式。不外可能有些人已发现手中内存条上的颗粒样子容貌徐徐在变,变得比以前更小、更精致。变化不仅在表面上,这些新型的芯片在合用频率和电气特性上比老前辈又有了长足的提高。这一结晶应归功于厂商选用的新型内存芯片封装技术。
  与处理器一样,内存的制造工艺同样对其机能高低具有决定意义,而在内存制造工艺流程上的最后一步也是最枢纽一步就是内存的封装技术。采用不同封装技术的内存条,在机能上也会存在较大差距。从DIP、TSOP到TinyBGA,不断发展的封装技术使得内存向着高频、高速的目标继承迈进。可以说,CSP技术的诞生,为DDR内存时代泛起的高速度、大容量、散热等题目提出了相应的解决方案,预计该技术将取代传统的TSOP技术及TinyBGA技术,成为未来内存发展的主流技术。
  什么是封装
  封装技术实在就是一种将集成电路打包的技术。拿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,而是内存芯片经由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。由于芯片必需与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的侵蚀而造成电气机能下降。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。因为封装技术的好坏还直接影响到芯片自身机能的施展和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造,因此它是至关重要的[ 1 ]。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机能的作用,而且仍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,对于良多集成电路产品而言,封装技术都长短常枢纽的一环。芯片的封装技术种类其实是多种多样,诸如DIP、PQFP、TSOP、TSSOP、PGA、BGA、QFP、TQFP等等,一系列名称看上去都十分繁杂,实在,只要弄清芯片封装发展的历程也就不难理解了。芯片的封装技术已经历经好几代的变迁,技术指标一代比一代提高前辈,包括芯片面积与封装面积之比越来越接近,合用频率越来越高,耐温机能越来越好,以及引脚数增多,引脚间距减小,重量减小,可靠性进步,使用更加利便等等,都是看得见的变化。
  廉颇老矣—TSOP
  20世纪70年代时,芯片封装流行的仍是双列直插封装,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、比TO型封装易于对PCB布线以及操纵较为利便等一些特点,其封装的结构形式也良多,包括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等等。
  但是衡量一个芯片封装技术提高前辈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。好比一颗采用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。不丢脸出,这种封装尺寸远比芯片大不少,说明封装效率很低,占去了良多有效安装面积[ 2 ]。
  到了80年代泛起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是英文Thin Small Outline Package的缩写,意即薄型小尺寸封装。TSOP内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的附近做出引脚,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适适用SMT技术(表面安装技术)在PCB(印制电路板)上安装布线。TSOP封装形状尺寸时,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,操纵比较利便,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,不少着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。
  采用TSOP封装技术的三星内存芯片
  国家栋梁—TinyBGA封装
  20世纪90年代跟着集成技术的提高、设备的改进和深亚微米技术的使用,芯片集成度不断进步,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。为知足发展的需要,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(Ball Grid Array Package)。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[ 3 ]。而TinyBGA(Tiny Ball Grid 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,采用BT树脂以替换传统的TSOP技术,具有更小的体积,更好的散热机能和电机能。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)。
  采用TinyBGA封装技术的Kingmax内存芯片
  TinyBGA封装的芯片与普通TSOP封装的芯片比拟,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,本钱也不会有显着上升,而且当内存颗粒的制程小于0.25微米时,TinyBGA封装的本钱比TSOP还要低。
  二、具有较高的电气机能。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间隔,信号传输线的长度仅是传统TSOP技术的四分之一,信号的衰减也随之下降,能够大幅度晋升芯片的抗干扰机能。
  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。比拟之下,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%[ 1 ]。
  采用TinyBGA新技术封装的内存,可以使所有计算机中的DRAM内存在体积不变的情况下内存容量进步两到三倍,TinyBGA与TSOP比拟,具有更小的体积,更好的散热机能和电机能。TinyBGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大晋升,采用TinyBGA封装技术的内存产品在相同容量下,体积只有TSOP封装的三分之一;另外,与传统TSOP封装方式比拟,TinyBGA封装方式有更加快速和有效的散热途径。不外TinyBGA封装仍旧存在着占用基板面积较大的题目。目前跟着以处理器为主的计算机系统机能的总体大幅度晋升趋势,人们对于内存的品质和机能要求也日趋苛刻。为此,人们要求内存封装更加紧致,以适应大容量的内存芯片,同时也要求内存封装的散热机能更好,以适应越来越快的核心频率。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合用于高频、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。
  明日之星—CSP封装
  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)正在逐渐展现它新气力本色,金士顿、勤茂科技等领先内存制造商已经推出了采用CSP封装技术的内存产品。CSP,全称为Chip Scale Package,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的机能又有了革命性的晋升。CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14,已经相称接近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,仅仅相称于TSOP内存芯片面积的1/6。这样在相同体积下,内存条可以装入更多的芯片,从而增大单条容量。也就是说,与BGA封装比拟,平等空间下CSP封装可以将存储容量进步三倍,图4展示了三种封装技术内存芯片的比较,从中我们可以清晰的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最有效散热路径仅有0.2mm,大大进步了内存芯片在长时间运行后的可靠性,线路阻抗明显减小,芯片速度也随之得到大幅度的进步。CSP封装的电气机能和可靠性也比拟BGA、TOSP有相称大的进步。在相同的芯片面积下CSP所能达到的引脚数显着的要比TSOP、BGA引脚数多的多(TSOP最多304根,BGA以600根为限,CSP原则上可以制造1000根),这样它可支持I/O端口的数量就增加了良多。此外,CSP封装内存芯片的中央引脚形式有效的缩短了信号的传导间隔,其衰减随之减少,芯片的抗干扰、抗噪机能也能得到大幅晋升,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,因为焊点和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轻易地传导到PCB板上并披发出去;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板传热就相对难题。CSP封装可以从背面散热,且热效率良好,CSP的热阻为35℃/W,而TSOP热阻40℃/W。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板上的热量能为71.3%。另外因为CSP芯片结构紧凑,电路冗余度低,因此它也省去了良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。目前内存颗粒厂在制造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。而假如将制造工艺晋升到0.15甚至0.13微米的话,良品率将大大进步。而要达到这种工艺水平,采用CSP封装方式则是不可避免的。因此CSP封装的高机能内存是大势所趋[ 4 ]。
  采用CSP封装的勤茂科技内存芯片
  结束语
  Intel这艘IT业旗舰还在飞速前进着,现在刚刚够用的内存频率400MHz,相信很快也会被淘汰。到时,处于400MHz门槛以下的TSOP、TinyBGA等技术天然就会消失了。因此,可以预见CSP将会是未来高机能内存的最佳选择。

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