封裝基板常見的封裝方式

在芯片封裝領(lǐng)域，常見的封裝方式有雙列直插式封裝（DIP）、單列直插式封裝（SIP）、方形扁平式封裝（QFP）、四側(cè)無引腳扁平封裝（QFN）、插針網(wǎng)格陣列封裝（PGA）、球柵陣列封裝（BGA）、芯片尺寸封裝（CSP）、系統(tǒng)級封裝（SiP）、板上芯片封裝（COB）等 。

• 雙列直插式封裝（DIP）：這是一種插裝型封裝，引腳從封裝兩側(cè)引出。其封裝材料有塑料和陶瓷兩種，是最普及的插裝型封裝。例如，它可應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC、存貯器LSI、微機(jī)電路等。引腳中心距為2.54mm，引腳數(shù)從6到64不等，封裝寬度通常為15.2mm。還有寬度為7.52mm和10.16mm的封裝，分別稱為skinnyDIP和slimDIP，但多數(shù)情況下并不特別區(qū)分，統(tǒng)一稱為DIP 。

• 單列直插式封裝（SIP）：也是插裝型封裝的一種，引腳從封裝的一側(cè)引出。

• 方形扁平式封裝（QFP）：屬于表面貼裝型封裝。其中包括塑料方形扁平式封裝（PQFP）和帶緩沖墊的四側(cè)引腳扁平封裝（BQFP）等。例如BQFP封裝在封裝本體的四個角設(shè)置突起（緩沖墊），可以防止在運(yùn)送過程中引腳發(fā)生彎曲變形，引腳中心距0.635mm，引腳數(shù)從84到196左右 。

• 四側(cè)無引腳扁平封裝（QFN）：這種封裝的四周沒有引腳，而是在封裝底部有引腳或焊盤與電路板連接。

• 插針網(wǎng)格陣列封裝（PGA）：例如碰焊PGA封裝（butt joint pin grid array）是表面貼裝型PGA的別稱。在這種封裝方式中，針腳集中在CPU的PCB身上，主板只需要提供插入針腳的插孔即可。并且由于可能需要多次移動，PGA的針腳相對于一些其他封裝方式來說強(qiáng)度會更高，即使出現(xiàn)了彎曲，也能通過相對簡單的方法恢復(fù) 。

• 球柵陣列封裝（BGA）：這是一種表面貼裝型封裝，在印刷基板的背面按陣列方式制作出球形凸點用以代替引腳，在印刷基板的正面裝配LSI芯片，然后用模壓樹脂或灌封方法進(jìn)行密封。其優(yōu)點是引腳可以超過200，適用于多引腳LSI，例如引腳中心距為1.5mm的360引腳BGA僅為31mm見方；而引腳中心距為0.5mm的304引腳QFP為40mm見方，并且BGA不用擔(dān)心QFP那樣的引腳變形問題。該封裝由美國Motorola公司開發(fā)，首先在便攜式電話等設(shè)備中被采用，目前也有可能在個人計算機(jī)中普及 。

• 芯片尺寸封裝（CSP）：這種封裝方式使得芯片尺寸與封裝尺寸非常接近，具有小尺寸、高性能等特點。

• 系統(tǒng)級封裝（SiP）：是將多個不同功能的芯片，如處理器、存儲器、傳感器等集成在一個封裝內(nèi)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的封裝方式。

• 板上芯片封裝（COB）：是裸芯片貼裝技術(shù)之一，半導(dǎo)體芯片直接貼裝在印刷線路板上，芯片與基板的電氣連接用引線縫合方法實現(xiàn) 。

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不同封裝方式中封裝基板的作用

• 雙列直插式封裝（DIP）中的作用

• 電氣連接：封裝基板為芯片與外部電路提供電氣連接的通道，通過基板上的線路將芯片的引腳與PCB板上的電路連接起來，使得信號能夠在芯片和外部電路之間傳輸。例如在一些簡單的微機(jī)電路中，DIP封裝的芯片通過封裝基板將內(nèi)部的邏輯信號傳輸?shù)酵獠康钠渌娐吩小?/p>

• 物理保護(hù)：保護(hù)芯片免受外界物理因素的影響，如灰塵、濕氣等。由于DIP封裝的芯片是插裝在插座或直接焊接在PCB板上的，封裝基板可以作為芯片的外殼，防止芯片受到碰撞、擠壓等物理損害。

• 尺寸過渡：在一些應(yīng)用中，芯片的尺寸可能較小，而外部電路的連接點間距較大，封裝基板可以起到尺寸過渡的作用，將芯片的小尺寸引腳布局轉(zhuǎn)換為適合與PCB板連接的較大間距引腳布局。

• 方形扁平式封裝（QFP）中的作用

• 電氣連接與信號傳輸優(yōu)化：QFP封裝的引腳較多且間距較小，封裝基板需要精確地設(shè)計線路布局，以確保各個引腳之間的信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如在計算機(jī)的主板電路中，QFP封裝的芯片通過封裝基板實現(xiàn)高速信號的傳輸，如數(shù)據(jù)信號、時鐘信號等。

• 應(yīng)力緩和：由于QFP封裝的引腳較細(xì)且長，在受到溫度變化、機(jī)械振動等因素影響時，容易產(chǎn)生應(yīng)力。封裝基板可以通過自身的材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計，緩和這些應(yīng)力對芯片和引腳的影響，防止引腳斷裂或芯片損壞。

• 散熱輔助：雖然QFP封裝的散熱能力相對有限，但封裝基板仍然可以在一定程度上幫助芯片散熱。通過選擇具有一定導(dǎo)熱性能的基板材料，將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，避免芯片過熱。

• 球柵陣列封裝（BGA）中的作用

• 高密度電氣連接：BGA封裝通過球形凸點與印刷基板連接，這種方式可以實現(xiàn)更高密度的電氣連接。封裝基板在其中起到了關(guān)鍵的承載和連接作用，精確地布局線路以匹配BGA芯片的眾多引腳（凸點），確保信號的高效傳輸。例如在現(xiàn)代高性能的計算機(jī)處理器中，BGA封裝的芯片利用封裝基板實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)和控制信號的快速交換。

• 散熱管理：BGA封裝的芯片通常功率較大，產(chǎn)生的熱量較多。封裝基板的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計對散熱有著重要影響。一些高性能的BGA封裝基板采用具有高導(dǎo)熱性的材料，如陶瓷或特殊的復(fù)合材料，能夠有效地將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，防止芯片因過熱而性能下降或損壞。

• 機(jī)械支撐與保護(hù)：為BGA芯片提供機(jī)械支撐，確保芯片在安裝和使用過程中的穩(wěn)定性。同時，封裝基板也保護(hù)芯片免受外界環(huán)境的影響，如防止?jié)駳狻⒒瘜W(xué)物質(zhì)等對芯片的侵蝕。

• 系統(tǒng)級封裝（SiP）中的作用

• 多功能集成連接：在SiP封裝中，多個不同功能的芯片集成在一起。封裝基板要實現(xiàn)這些不同芯片之間的電氣連接，就像一個小型的電路板一樣，將處理器、存儲器、傳感器等芯片按照設(shè)計要求進(jìn)行連接，使它們能夠協(xié)同工作。例如在智能手機(jī)的SiP封裝中，封裝基板將應(yīng)用處理器、基帶芯片、射頻芯片等連接起來，實現(xiàn)手機(jī)的通信、計算等多種功能。

• 信號完整性保障：由于SiP封裝內(nèi)集成了多種功能的芯片，信號傳輸?shù)膹?fù)雜性增加。封裝基板需要通過合理的布線、電磁屏蔽等措施來保障信號的完整性，防止信號干擾和衰減。例如在一些高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟iP封裝中，采用特殊的線路布局和屏蔽層設(shè)計來確保數(shù)據(jù)信號的準(zhǔn)確傳輸。

• 整體物理保護(hù)與小型化：為集成在其中的多個芯片提供整體的物理保護(hù)，同時有助于實現(xiàn)整個封裝的小型化。通過將多個芯片封裝在一起，可以減少整個系統(tǒng)的體積，而封裝基板的設(shè)計和制造要滿足這種小型化的要求，同時保證芯片在封裝內(nèi)的安全性。

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封裝基板在各類封裝方式中的應(yīng)用案例

• 雙列直插式封裝（DIP）應(yīng)用案例

• 早期計算機(jī)電路：在早期的計算機(jī)主板設(shè)計中，許多標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC和微機(jī)電路采用DIP封裝。例如，Intel的早期微處理器芯片就有DIP封裝的形式。這些芯片通過DIP封裝方便地插裝在主板的插座上，通過封裝基板與主板上的其他電路元件如電阻、電容等進(jìn)行電氣連接。由于當(dāng)時的生產(chǎn)工藝和電路設(shè)計水平，DIP封裝的較大尺寸和相對簡單的結(jié)構(gòu)能夠滿足計算機(jī)電路的需求。

• 工業(yè)控制設(shè)備：在一些工業(yè)控制領(lǐng)域，如自動化生產(chǎn)線的控制器、電機(jī)驅(qū)動器等設(shè)備中，DIP封裝的芯片仍然被廣泛使用。因為這些設(shè)備對可靠性要求較高，DIP封裝的芯片在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，其封裝基板能夠較好地保護(hù)芯片免受灰塵、濕氣和電磁干擾等影響。同時，DIP封裝的芯片便于在設(shè)備維護(hù)和升級時進(jìn)行更換，只要將芯片從插座上拔出，插入新的芯片即可。

• 方形扁平式封裝（QFP）應(yīng)用案例

• 消費電子產(chǎn)品中的芯片：在現(xiàn)代消費電子產(chǎn)品，如智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備中，大量的芯片采用QFP封裝。例如，一些音頻處理芯片、電源管理芯片等可能采用QFP封裝。這些芯片通過封裝基板與設(shè)備主板上的其他電路組件進(jìn)行連接，實現(xiàn)音頻信號處理、電源分配等功能。由于QFP封裝的小尺寸和相對較多的引腳數(shù)，能夠滿足消費電子產(chǎn)品對芯片功能集成度和小型化的要求。

• 通信設(shè)備中的信號處理芯片：在通信基站、路由器等通信設(shè)備中，許多信號處理芯片采用QFP封裝。例如，在數(shù)字信號處理（DSP）芯片中，QFP封裝可以提供足夠的引腳用于輸入輸出信號的連接，同時封裝基板能夠保證信號在芯片內(nèi)部和外部之間的高速穩(wěn)定傳輸。在通信設(shè)備的高頻信號處理中，QFP封裝的芯片通過封裝基板實現(xiàn)對微弱信號的精確處理和傳輸，滿足通信系統(tǒng)對信號質(zhì)量的嚴(yán)格要求。

• 球柵陣列封裝（BGA）應(yīng)用案例

• 計算機(jī)處理器和圖形處理器（GPU）：現(xiàn)代計算機(jī)的中央處理器（CPU）和圖形處理器（GPU）大多采用BGA封裝。例如，Intel和AMD的CPU以及NVIDIA和AMD的GPU都廣泛使用BGA封裝。這些高性能的芯片通過BGA封裝的球形凸點與封裝基板連接，封裝基板采用多層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含復(fù)雜的線路布局，以滿足芯片與外部設(shè)備（如內(nèi)存、主板芯片組等）之間大量數(shù)據(jù)的高速傳輸需求。同時，由于CPU和GPU的功耗較高，BGA封裝的封裝基板需要具備良好的散熱性能，采用銅、鋁等散熱材料或特殊的散熱結(jié)構(gòu)，如散熱孔、散熱層等，來確保芯片在高負(fù)載運(yùn)行時的穩(wěn)定性。

• 智能手機(jī)中的應(yīng)用處理器（AP）：在智能手機(jī)中，應(yīng)用處理器（AP）是核心芯片之一，也常采用BGA封裝。例如，高通驍龍系列和蘋果A系列芯片在智能手機(jī)中的應(yīng)用。這些芯片通過BGA封裝與手機(jī)主板連接，封裝基板在其中起到了連接芯片與主板上其他組件（如內(nèi)存、射頻芯片等）的作用，同時要滿足手機(jī)對輕薄化、高性能和低功耗的要求。由于手機(jī)內(nèi)部空間有限，BGA封裝的小尺寸和高集成度特點能夠有效節(jié)省空間，而封裝基板的設(shè)計要在保證電氣性能的前提下盡可能地減小厚度和體積。

• 系統(tǒng)級封裝（SiP）應(yīng)用案例

• 智能手機(jī)：如前所述，智能手機(jī)是SiP封裝的典型應(yīng)用領(lǐng)域。以蘋果iPhone為例，其內(nèi)部的系統(tǒng)級封裝集成了多個芯片，包括應(yīng)用處理器、基帶芯片、電源管理芯片、射頻芯片等。封裝基板將這些不同功能的芯片連接在一起，實現(xiàn)了手機(jī)的各種功能，如通信、計算、拍照、音頻處理等。通過SiP封裝，可以減小手機(jī)內(nèi)部的空間占用，提高信號傳輸速度，并且增強(qiáng)了手機(jī)的整體性能和可靠性。

• 可穿戴設(shè)備：在智能手表、智能手環(huán)等可穿戴設(shè)備中，SiP封裝也得到了廣泛應(yīng)用。由于可穿戴設(shè)備對體積和功耗的要求更為嚴(yán)格，SiP封裝能夠?qū)⒍鄠€必要的芯片集成在一起，如傳感器芯片（加速度計、心率傳感器等）、微控制器芯片、藍(lán)牙芯片等。封裝基板在其中起到了整合這些芯片功能的作用，使得可穿戴設(shè)備能夠在極小的空間內(nèi)實現(xiàn)多種功能，并且能夠有效地降低功耗，延長電池續(xù)航時間。

不同封裝方式對封裝基板的性能要求

• 雙列直插式封裝（DIP）對封裝基板的性能要求

• 機(jī)械強(qiáng)度：DIP封裝的芯片需要插入插座或焊接在PCB板上，在這個過程中，封裝基板需要具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，以防止在插拔或焊接過程中基板破裂或變形。例如，當(dāng)芯片插入插座時，如果基板的機(jī)械強(qiáng)度不足，可能會導(dǎo)致引腳與插座之間的連接不良。

• 電氣絕緣性：由于芯片的引腳通過封裝基板與外部電路連接，基板需要具備良好的電氣絕緣性，防止引腳之間發(fā)生短路。在一些高壓電路應(yīng)用中，如電力電子設(shè)備中的DIP封裝芯片，對封裝基板的電氣絕緣性要求更高。

• 尺寸精度：雖然DIP封裝相對尺寸較大，但仍然需要一定的尺寸精度，以確保芯片能夠準(zhǔn)確地插入插座或與PCB板上的焊接點匹配。如果封裝基板的尺寸精度不夠，可能會導(dǎo)致芯片安裝困難或者電氣連接不良。

• 方形扁平式封裝（QFP）對封裝基板的性能要求

• 高精度布線：QFP封裝的引腳間距較小，通常在0.635mm左右，這就要求封裝基板具有高精度的布線能力。基板上的線路需要精確地與引腳連接，并且線路之間的間距要符合電氣安全標(biāo)準(zhǔn)，防止信號串?dāng)_。例如在一些高速信號傳輸?shù)腝FP封裝芯片中，線路的寬度和間距可能需要精確到幾十微米。

• 良好的熱性能：由于QFP封裝的散熱能力相對有限，封裝基板需要具備一定的熱傳導(dǎo)性能，以便將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去。特別是在一些功率較大的QFP封裝芯片應(yīng)用中，如功率放大器芯片，對封裝基板的熱導(dǎo)率要求較高。

• 低應(yīng)力特性：QFP封裝的引腳較細(xì)且長，容易受到應(yīng)力的影響。封裝基板需要具有低應(yīng)力特性，能夠在溫度變化、機(jī)械振動等情況下，減少對引腳的應(yīng)力作用，防止引腳斷裂。這就要求基板的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮到應(yīng)力的因素，例如采用熱膨脹系數(shù)與芯片和外部電路相匹配的材料。

• 球柵陣列封裝（BGA）對封裝基板的性能要求

• 高密度布線與微孔技術(shù)：BGA封裝的引腳（凸點）數(shù)量眾多且間距小，這就要求封裝基板能夠?qū)崿F(xiàn)高密度布線。為了滿足這一要求，基板需要采用微孔技術(shù)，即在基板內(nèi)部制作微小的導(dǎo)通孔，以實現(xiàn)多層線路之間的連接。例如在一些高端的BGA封裝芯片中，微孔的直徑可能只有幾十微米。

• 高導(dǎo)熱性：BGA封裝的芯片功率較大，產(chǎn)生的熱量較多，因此封裝基板需要具備高導(dǎo)熱性。可以采用高導(dǎo)熱系數(shù)的材料，如陶瓷、金屬基復(fù)合材料等作為基板材料，或者在基板內(nèi)部設(shè)計散熱通道，如散熱孔、散熱層等，以提高散熱效率。

• 良好的平面度：BGA封裝是通過球形凸點與基板連接的，要求基板表面具有良好的平面度。如果基板表面不平整，可能會導(dǎo)致球形凸點與基板之間的接觸不良，影響電氣連接和散熱性能。

• 系統(tǒng)級封裝（SiP）對封裝基板的性能要求

• 多功能集成能力：SiP封裝集成了多個不同功能的芯片，這就要求封裝基板具有多功能集成的能力。基板需要在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)不同芯片之間的電氣連接、信號傳輸、電源分配等功能，并且要滿足不同芯片對電氣性能的要求。例如，在集成處理器和存儲器的SiP封裝中，封裝基板需要同時滿足處理器的高速數(shù)據(jù)傳輸需求和存儲器的穩(wěn)定供電需求。

• 信號完整性保障：由于SiP封裝內(nèi)信號傳輸?shù)膹?fù)雜性，封裝基板需要具備保障信號完整性的能力。這包括采用低介電常數(shù)的材料、合理的布線布局、電磁屏蔽等措施。例如在一些高速數(shù)字信號傳輸?shù)腟iP封裝中，采用特殊的信號屏蔽層來防止外部電磁干擾對內(nèi)部信號的影響。

• 小型化與輕薄化：為了滿足可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)等對小型化和輕薄化的要求，SiP封裝的封裝基板需要具備小型化和輕薄化的性能。這就要求在基板的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝上進(jìn)行優(yōu)化，在保證功能的前提下，盡可能減小基板的厚度和面積。

封裝基板應(yīng)用于不同封裝方式的比較分析

• 電氣性能方面

• 連接密度：BGA封裝方式下，封裝基板的電氣連接密度最高，因為其采用球形凸點陣列，可以在較小的面積上實現(xiàn)大量引腳的連接。例如在計算機(jī)處理器的BGA封裝中，數(shù)百個引腳可以緊密排列。相比之下，DIP封裝的連接密度最低，其引腳從兩側(cè)引出，引腳數(shù)量相對有限，且間距較大。QFP封裝的連接密度介于兩者之間，雖然引腳較多，但由于是扁平式封裝，引腳間距的進(jìn)一步縮小存在一定限制。SiP封裝則更注重多個芯片之間的集成連接，其內(nèi)部的連接密度根據(jù)不同芯片的組合和功能需求而有所不同，但總體上能夠在較小的封裝體積內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的電氣連接。

• 信號傳輸速度：在高速信號傳輸方面，BGA和QFP封裝如果采用合適的封裝基板和設(shè)計，都能夠?qū)崿F(xiàn)較高的信號傳輸速度。例如在通信設(shè)備中的高速信號處理芯片，QFP封裝通過精確的封裝基板布線和信號完整性設(shè)計，可以滿足高速數(shù)據(jù)的傳輸需求。然而，BGA封裝由于其球形凸點連接的低電感特性，在一些高頻應(yīng)用中可能具有更好的信號傳輸性能。SiP封裝由于集成了多個芯片，信號傳輸?shù)穆窂礁鼮閺?fù)雜，需要在封裝基板上采取更多的信號完整性保障措施，如采用低介電常數(shù)的材料、優(yōu)化布線等，以確保信號在不同芯片之間的高速穩(wěn)定傳輸。DIP封裝由于其較大的引腳間距和相對簡單的結(jié)構(gòu)