Chikoo's Blog

　　常常听到各处理器厂商在公开场合提到两个词：架构、封装技术，那么，这两个东东到底是什么东东，都对CPU产生了什么影响呢？
　　CPU架构对于处理器品质的影响，大兵在此勿需多谈，Intel的Core微架构、AMD的直连架构，那都是凭实力打下的江山——如果对于稳定性、能耗比这些关注的焦点把握不住，也不会取得今天这么庞大的市场业绩了。
　　另外那个叫做“封装技术”的东东，到底是什么？它对处理器有什么影响呢？我们一起来看看。
CPU封装的定义
　　所谓的CPU，拆开外壳来看，其实也是一个渗入高技术含量的集成电路板。那么在业内就有按照CPU的实质给出其封装技术的定义：
　　封装技术是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术，而CPU则是使用外壳将CPU核心电路(也有人称为CPU内核或芯片内核)封装后的产品。

CPU封装的意义

　　CPU封装对于芯片来说是必须的，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。

影响CPU封装技术的因素

　　目前采用的CPU封装多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来，能起着密封和提高芯片电热性能的作用。由于现在处理器芯片的内频越来越高，功能越来越强，引脚数越来越多，封装的外形也不断在改变。封装时主要考虑的因素：

　　1)芯片与封装面积

　　芯片内核面积与封装面积之比对于整个CPU工作效率有很大的影响，每个处理器厂商总是想尽办法缩减封装面积的大小，尽量将芯片内核面积与封装面积向接近于1：1的方向推进。

　　2)引脚的长短与数量

　　目前技术市场中CPU处理频率是飞速提升，按照传统的处理器技术惯例，需要大幅增加针脚数量以增加处理传输通道，从而提升处理效率。

　　另外，为了减少处理传输的延迟和因针脚数量的增加产生的干扰，还要尽量缩短阵脚的长度。

　　目前服务器市场上可见的Intel与AMD都具有的触点式CPU设计，就是由此而来。因为触点技术的难度相对较大，Intel直到P4时代末期才出现这种设计，至强系列也是到2006年初才开始推出这种设计；而AMD的皓龙系列处理器则稍有避讳，甚至直到下半年Socket F时代才因市场需要推出采用此技术的产品。

　　3)封装材料与规格的选择

　　封装材料不仅要实现绝缘，还要实现散热，目前市面上主流的硬塑和陶瓷材料，也是加入许多先进的坚固与导热理念——如材质的与钠米技术的选择尽量实现坚固耐用。

　　对于封装材料的规格，从散热这一点考虑，当然也是尽量寻找散热、耐热之间厚度的平衡点，并不是外界一些朋友说的越薄越好。

　　经过许多代芯片封装技术的革新，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，芯片面积与封装面积的比例越来越趋近于1：1，承受的频率越来越高，耐热越来越好，引脚越来增多，引脚间距越来越减小，重量越来越轻，可靠性越来越高，操作便宜性越来越体现出人性化……

封装技术的分类与特性

　　DIP封装  

　　DIP封装也叫双列直插式封装技术(Dual In-line Package)，指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100。DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。DIP封装结构形式有：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（含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式）等。

　　DIP封装的特点是：适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便，芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。

　　QFP封装  

　　QFP封装也叫方型扁平式封装技术（Plastic Quad Flat Pockage），该技术实现的CPU芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在100以上。

　　QFP封装的特点是：封装CPU时操作方便，可靠性高；封装外形尺寸较小，寄生参数减小，适合高频应用；该技术主要适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线。

　　PFP封装

　　PFP封装也叫塑料扁平组件式封装(Plastic Flat Package)。用这种技术封装的芯片同样也必须采用SMD技术将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊盘。将芯片各脚对准相应的焊盘，即可实现与主板的焊接。

　　PFP封装的特点是：焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的；与QFP技术基本相似，只是外观的封装形状不同。

　　PGA封装

　　PGA封装也叫插针网格阵列封装技术(Ceramic Pin Grid Arrau Package)，由这种技术封装的芯片内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，根据管脚数目的多少，可以围成2～5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为了使得CPU能够更方便的安装和拆卸，从486芯片开始，出现了一种ZIF CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。

　　PGA封装的特点是：适合于插拔操作比较频繁的测试或者演示等场合。

　　BGA封装

　　BGA技术（Ball Grid Array Package）即球栅阵列封装技术。该技术的出现便成为CPU、主板南、北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。但BGA封装占用基板的面积比较大。虽然该技术的I/O引脚数增多，但引脚之间的距离远大于QFP，从而提高了组装成品率。而且该技术采用了可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能。另外该技术的组装可用共面焊接，从而能大大提高封装的可靠性；并且由该技术实现的封装CPU信号传输延迟小，适应频率可以提高很大。

　　BGA封装的特点是：I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率；功耗增加，但采用了可控塌陷芯片法焊接，可以改善电热性能；信号传输延迟小，适应频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性大大提高。

　　LGA封装

　　LGA全称是Land Grid Array，直译过来就是栅格阵列封装，这种技术以触点代替针脚，与英特尔处理器之前的封装技术Socket 478相对应，它也被称为Socket T。而如产品线LGA775，就是说此产品线具有775个触点。

　　LGA封装的特点是：用金属触点式封装取代了以往的针状插脚，很大程度上降低了CPU处理传输的延迟；需要在主板上安装CPU扣架来固定，以边CPU可以正确地压在Socket露出来的具有弹性的触须上；原理与BGA封装类似，不过BGA是用锡焊死，而LGA则是可以随时解开扣架更换芯片，维护过程相对方便。

　　OPGA封装    

　　OPGA封装也叫有机管脚阵列(Organic pin grid Array)。这种封装的基底使用的是玻璃纤维，类似印刷电路板上的材料。

　　OPGA封装的特点是：降低阻抗和封装成本，拉近外部电容和芯片内核的距离，可以更好地改善内核供电和过滤电流杂波。

　　MPGA封装

　　MPGA封装也叫微型PGA，即微型插针网格阵列封装，目前AMD公司的Opteron和英特尔公司的Xeon(至强)等服务器CPU都有采用，是一种较为先进的技术，应用在许多高端CPU产品中。

　　MPGA封装的特点是：在PGA封装优势的基础上，利用更加先进的工艺制程将PGA微型化，以更好地控制空间。

　　CPGA封装

　　CPGA封装也叫陶瓷封装(Ceramic PGA)，一种采用陶瓷材料的PGA封装模式。

　　CPGA的特点是：产品使用陶瓷材质，实现更好的绝缘效果，而且散热、耐热性也控制得当。在许多由AMD生产的CPU中可见。

　　PPGA封装    

　　PPGA封装也叫塑针栅格阵列(Plastic Pin Grid Array)。

　　PPGA封装的特点是：处理器的顶部使用了镀镍铜质散热器，提高了热传导；针脚以锯齿形排列，若操作不当，容易造成针脚的折断。

　　FC-PGA封装

　　FC-PGA封装也叫反转芯片针脚栅格阵列封装。FC-PGA封装中，底部的针脚以锯齿形排列，芯片被反转，以至片模或构成计算机芯片的处理器部分被暴露在处理器的上部，在底部的电容区(处理器中心)安有离散电容和电阻。

　　FC-PGA封装的特点是：暴露片模，散热可以直接通过片模实现，这样可以提高芯片冷却的效率；隔绝电源信号和接地信号，提高了封装性能；针脚排列的设计固定了处理器插入的方位，若是未加留意随便插入，容易造成CPU针脚的折断。

　　FC-PGA2封装

　　FC-PGA2也可以看作是FC-PGA二代，是在FC-PGA的基础上添加了集成式散热器 (IHS)，在工厂生产时已经直接安装到CPU上。

　　FC-PGA2封装的特点是：在FC-PGA的基础上，将IHS与片模直接接触，表面积的增加和直接传导的效果大大提升了散热性能。

　　OOI封装

　　OOI封装也叫基板栅格阵列(OLGA)。芯片使用反转芯片设计，其中处理器朝下附在基体上，有一个集成式导热器 (IHS)，能帮助散热器将热量传给正确安装的风扇散热器。

　　OOI封装的特点是：更好的信号完整性、更有效的散热和更低的自感应效果。

编后语：

　　以上介绍并未完全笼括市场中所有的封装技术，许多主流的高性能产品也并不是单一的一种封装方式，而是集合多种封装技术以实现优化组合。

　　按照摩尔定律“每平方英寸芯片的晶体管数目每过18个月就将增加一倍，成本则下降一半”的预测，我们或许可以期待越来越具性价比的处理器诞生。