知识点滴 - 芯片主要封装类型介绍
芯片封裝,簡單點來講就是把Foundry生產出來的集成電路裸片(Die)放到一塊起承載作用的基板上,再把管腳引出來,然后固定包裝成為一個整體。它可以起到保護芯片的作用,相當于是芯片的外殼,不僅能固定、密封芯片,還能增強其電熱性能。
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元件封裝起著安裝、固定、密封、保護芯片及增強電熱性能等方面的作用。同時,通過芯片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上,這些引腳又通過印刷電路板上的導線與其他器件相連接,從而實現內部芯片與外部電路的連接。
芯片必須與外界隔離,以防止空氣中的雜質對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。而且封裝后的芯片也更便于安裝和運輸。由于封裝的好壞,直接影響到芯片自身性能的發揮和與之連接的PCB設計和制造,所以封裝技術對CPU和其他LSI集成電路而言,非常重要。
衡量一個芯片封裝技術先進與否的重要指標是:芯片面積與封裝面積之比,這個比值越接近1越好。
封裝時主要考慮的因素:
芯片面積與封裝面積之比,為提高封裝效率,盡量接近1:1。
引腳要盡量短以減少延遲,引腳間的距離盡量遠,以保證互不干擾,提高性能。
基于散熱的要求,封裝越薄越好。
封裝大致經過了如下發展進程:
結構方面:TO→DIP→PLCC→QFP→BGA→CSP。
材料方面:金屬、陶瓷、塑料。
引腳形狀:長引線直插→短引線或無引線貼裝→球狀凸點。
裝配方式:通孔插裝→表面組裝→直接安裝。
封裝的類型,大致可以分為DIP雙列直插和SMD貼片封裝兩種。
從結構方面,封裝經歷了最早期的晶體管TO(如TO-89、TO92)封裝發展到了雙列直插封裝,隨后由PHILIP公司開發出了SOP小外型封裝,以后逐漸派生出SOJ(J型引腳小外形封裝)、TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、 SSOP(縮小型SOP)、TSSOP(薄的縮小型SOP)及SOT(小外形晶體管)、SOIC(小外形集成電路)等。
從材料介質方面,包括金屬、陶瓷、塑料,很多高強度工作條件需求的電路如軍工和宇航級別仍有大量的金屬封裝。
以下為市面主流封裝類型:
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DIP封裝:
雙列直插封裝(英語:dual in-line package) 也稱為DIP封裝或DIP包裝,簡稱為DIP或DIL,是一種集成電路的封裝方式,集成電路的外形為長方形,在其兩側則有兩排平行的金屬引腳,稱為排針。DIP包裝的元件可以焊接在印刷電路板電鍍的貫穿孔中,或是插入在DIP插座(socket)上。
DIP包裝的元件一般會簡稱為DIPn,其中n是引腳的個數,例如十四針的集成電路即稱為DIP14。
DIP的引腳節距較大(為2.54mm),占用PCB板較多的控件,為此出現了SHDIP和SKDIP等改進形式,減小引腳節距和縮小體積上做了改進。但DIP的最大引腳數難以提高,最大64。
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PQFP封裝(Plastic Quad Flat Package,塑料方塊平面封裝)是一種芯片封裝形式。PQFP封裝的芯片的四周均有引腳,其引腳總數一般都在100以上,而且引腳之間距離很小,管腳也很細,一般大規模或超大規模集成電路采用這種封裝形式。
用這種形式封裝的芯片必須采用SMT(Surface Mount Technology,表面組裝技術)將芯片邊上的引腳與主板焊接起來。采用SMT安裝的芯片不必在主板上打孔,一般在主板表面上有設計好的相應管腳的焊點。將芯片各腳對準相應的焊點,即可實現與主板的焊接。PQFP封裝適用于SMT表面安裝技術在PCB上安裝布線,適合高頻使用,它具有操作方便、可靠性高、工藝成熟、價格低廉等優點。
但是,PQFP封裝的缺點也很明顯,由于芯片邊長有限,使得PQFP封裝方式的引腳數量無法增加,從而限制了圖形加速芯片的發展。平行針腳也是阻礙PQFP封裝繼續發展的絆腳石,由于平行針腳在傳輸高頻信號時會產生一定的電容,進而產生高頻的噪聲信號,再加上長長的針腳很容易吸收這種干擾噪音,就如同收音機的天線一樣,幾百根“天線”之間互相干擾,使得PQFP封裝的芯片很難工作在較高頻率下。此外,PQFP封裝的芯片面積/封裝面積比過小,也限制了PQFP封裝的發展。90年代后期,隨著BGA技術的不斷成熟,PQFP終于被市場淘汰。
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QFN封裝
QFN(Quad Flat No-leads Package,方形扁平無引腳封裝),表面貼裝型封裝之一。QFN 是日本電子機械工業 會規定的名稱。封裝四側配置有電極觸點,由于無引腳,貼裝占有面積比QFP 小,高度 比QFP 低。但是,當印刷基板與封裝之間產生應力時,在電極接觸處就不能得到緩解。因此電 極觸點 難于做到QFP 的引腳那樣多,一般從14 到100 左右。 材料有陶瓷和塑料兩種。
QFN是一種無引腳封裝,呈正方形或矩形,封裝底部中央位置有一個大面積裸露焊盤用來導熱,圍繞大焊盤的封裝外圍四周有實現電氣連結的導電焊盤。
XQFN16, plastic, extremely thin quad flat package; no leads; 16 terminals; 0.4 mm pitch, 2.6 mm x 1.8 mm x 0.5 mm body.
Pitch純粹是指板面兩“單元”其中心間之距離,PCB業美式表達常用mil-pitch,即指兩焊墊中心線跨距mil而言。中距Pitch與間距Spacing不同,后者通常是指兩導體間“隔離板面”。
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BGA封裝
球柵陣列封裝,簡稱BGA(Ball Grid Array Package)。
BGA封裝的I/O端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面,BGA技術的優點是I/O引腳數雖然增加了,但引腳間距并沒有減小反而增加了,從而提高了組裝成品率。
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PGA封裝,英文全稱為(Pin Grid Array Package),中文含義叫插針網格陣列封裝技術,由這種技術封裝的芯片內外有多個方陣形的插針,每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列,根據管腳數目的多少,可以圍成2~5圈。安裝時,將芯片插入專門的PGA插座。
總結
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