科普:封装,IC 芯片的最终防护与统整

2015-08-10 06:40:57 来源:N
经过漫长的流程,从设计到制造,终于获得一颗 IC 晶片了。然而一颗晶片相当小且薄,如果不在外施加保护,会被轻易的刮伤损坏。此外,因为晶片的尺寸微小,如果不用一个较大尺寸的外壳,将不易以人工安置在电路板上。因此,本文接下来要针对封装加以描述介绍。


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目 前常见的封装有两种,一种是电动玩具内常见的,黑色长得像蜈蚣的 DIP 封装,另一为购买盒装 CPU 时常见的 GBA 封装。至于其他的封装法,还有早期 CPU 使用的 PGA(Pin Grid Array;Pin Grid Array)或是 DIP 的改良版 QFP(塑料方形扁平封装)等。因为有太多种封装法,以下将对 DIP 以及 GBA 封装做介绍。

 

传统封装,历久不衰

首 先要介绍的是双排直立式封装(Dual Inline Package,DIP),从下图可以看到采用此封装的 IC 晶片在双排接脚下,看起来会像条黑色蜈蚣,让人印象深刻,此封装法为最早采用的 IC 封装技术,具有成本低廉的优势,适合小型且不需接太多线的晶片。但是,因为大多采用的是塑料,散热效果较差,无法满足现行高速晶片的要求。因此,使用此封 装的,大多是历久不衰的晶片,如下图中的 OP741,或是对运作速度没那么要求且晶片较小、接孔较少的 IC 晶片。


▲ 左图的 IC 晶片为 OP741,是常见的电压放大器。右图为它的剖面图,这个封装是以金线将晶片接到金属接脚(Leadframe)。(Source :左图 Wikipedia、右图 Wikipedia)

至于球格阵列(Ball Grid Array,BGA)封装,和 DIP 相比封装体积较小,可轻易的放入体积较小的装置中。此外,因为接脚位在晶片下方,和 DIP 相比,可容纳更多的金属接脚,

相当适合需要较多接点的晶片。然而,采用这种封装法成本较高且连接的方法较复杂,因此大多用在高单价的产品上。


 ▲ 左图为采用 BGA 封装的晶片,主流的 X86 CPU 大多使用这种封装法。右图为使用覆晶封装的 BGA 示意图。(Source: 左图 Wikipedia)

 

行动装置兴起,新技术跃上舞台

然 而,使用以上这些封装法,会耗费掉相当大的体积。像现在的行动装置、穿戴装置等,需要相当多种元件,如果各个元件都独立封装,组合起来将耗费非常大的空 间,因此目前有两种方法,可满足缩小体积的要求,分别为 SoC(System On Chip)以及 SiP(System In Packet)。

在 智慧型手机刚兴起时,在各大财经杂志上皆可发现 SoC 这个名词,然而 SoC 究竟是什么东西?简单来说,就是将原本不同功能的 IC,整合在一颗晶片中。藉由这个方法,不单可以缩小体积,还可以缩小不同 IC 间的距离,提升晶片的计算速度。至于制作方法,便是在 IC 设计阶段时,将各个不同的 IC 放在一起,再透过先前介绍的设计流程,制作成一张光罩。

然而,SoC 并非只有优点,要设计一颗 SoC 需要相当多的技术配合。IC 晶片各自封装时,各有封装外部保护,且 IC 与 IC 间的距离较远,比较不会发生交互干扰的情形。但是,当将所有 IC 都包装在一起时,就是噩梦的开始。IC 设计厂要从原先的单纯设计 IC,变成瞭解并整合各个功能的 IC,增加工程师的工作量。此外,也会遇到很多的状况,像是通讯晶片的高频讯号可能会影响其他功能的 IC 等情形。

此 外,SoC 还需要获得其他厂商的 IP(intellectual property)授权,才能将别人设计好的元件放到 SoC 中。因为制作 SoC 需要获得整颗 IC 的设计细节,才能做成完整的光罩,这同时也增加了 SoC 的设计成本。或许会有人质疑何不自己设计一颗就好了呢?因为设计各种 IC 需要大量和该 IC 相关的知识,只有像 Apple 这样多金的企业,才有预算能从各知名企业挖角顶尖工程师,以设计一颗全新的 IC,透过合作授权还是比自行研发划算多了。

 

折衷方案,SiP 现身

作为替代方案,SiP 跃上整合晶片的舞台。和 SoC 不同,它是购买各家的 IC,在最后一次封装这些 IC,如此便少了 IP 授权这一步,大幅减少设计成本。此外,因为它们是各自独立的 IC,彼此的干扰程度大幅下降。


▲ Apple Watch 采用 SiP 技术将整个电脑架构封装成一颗晶片,不单满足期望的效能还缩小体积,让手表有更多的空间放电池。(Source:Apple 官网)

采 用 SiP 技术的产品,最着名的非 Apple Watch 莫属。因为 Watch 的内部空间太小,它无法采用传统的技术,SoC 的设计成本又太高,SiP 成了首要之选。藉由 SiP 技术,不单可缩小体积,还可拉近各个 IC 间的距离,成为可行的折衷方案。下图便是 Apple Watch 晶片的结构图,可以看到相当多的 IC 包含在其中。


▲ Apple Watch 中采用 SiP 封装的 S1 晶片内部配置图。(Source:chipworks)

完成封装后,便要进入测试的阶段,在这个阶段便要确认封装完的 IC 是否有正常的运作,正确无误之后便可出货给组装厂,做成我们所见的电子产品。至此,半导体产业便完成了整个生产的任务。
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