内存封装

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内存封装是将内存芯片包裹起来,以避免芯片与外界接触,防止外界对芯片的损害。空气中的杂质和不良气体,乃至水蒸气都会腐蚀芯片上的精密电路,进而造成电学性能下降。不同的封装技术在制造工序和工艺方面差异很大,封装后对内存芯片自身性能的发挥也起到至关重要的作用。
中文名
内存封装
类    别
包装
作    用
避免芯片与外界接触
解    释
内存芯片包裹起来

内存封装发展历程

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随着光电、微电制造工艺技术的飞速发展,电子产品始终在朝着更小、更轻、更便宜的方向发展,因此芯片元件的封装形式也不断得到改进。芯片的封装技术多种多样,有DIP、POFP、TSOP、BGA、QFP、CSP等等,种类不下三十种,经历了从DIP、TSOP到BGA的发展历程。芯片的封装技术已经历了几代的变革,性能日益先进,芯片面积与封装面积之比越来越接近,适用频率越来越高,耐温性能越来越好,以及引脚数增多,引脚间距减小,重量减小,可靠性提高,使用更加方便。

内存封装类型

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内存封装DIP封装

内存封装 内存封装
个世纪的70年代,芯片封装基本都采用DIP(Dual ln-line Package,双列直插式封装)封装,此封装形式在当时具有适合PCB(印刷电路板)穿孔安装,布线和操作较为方便等特点。DIP封装的结构形式多种多样,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。但DIP封装形式封装效率是很低的,其芯片面积和封装面积之比为1:1.86,这样封装产品的面积较大,内存条PCB板的面积是固定的,封装面积越大在内存上安装芯片的数量就越少,内存条容量也就越小。同时较大的封装面积对内存频率、传输速率、电器性能的提升都有影响。理想状态下芯片面积和封装面积之比为1:1将是最好的,但这是无法实现的,除非不进行封装,但随着封装技术的发展,这个比值日益接近,现在已经有了1:1.14的内存封装技术。

内存封装TSOP封装

内存封装 内存封装
了上个世纪80年代,内存第二代的封装技术TSOP出现,得到了业界广泛的认可,时至今日仍旧是内存封装的主流技术。TSOP是“Thin Small Outline Package”的缩写,意思是薄型小尺寸封装。TSOP内存是在芯片的周围做出引脚,采用SMT技术(表面安装技术)直接附着在PCB板的表面。TSOP封装外形尺寸时,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,操作比较方便,可靠性也比较高。同时TSOP封装具有成品率高,价格便宜等优点,因此得到了极为广泛的应用。
TSOP封装方式中,内存芯片是通过芯片引脚焊接在PCB板上的,焊点和PCB板的接触面积较小,使得芯片向PCB办传热就相对困难。而且TSOP封装方式的内存在超过150MHz后,会产生较大的信号干扰和电磁干扰。[1] 

内存封装BGA封装

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内存封装 内存封装
0世纪90年代随着技术的进步,芯片集成度不断提高,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。为了满足发展的需要,BGA封装开始被应用于生产。BGA是英文Ball Grid Array Package的缩写,即球栅阵列封装。
采用BGA技术封装的内存,可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三倍,BGA与TSOP相比,具有更小的体积,更好的散热性能和电性能。BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升,采用BGA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封装方式相比,BGA封装方式有更加快速和有效的散热途径。
BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面,BGA技术的优点是I/O引脚数虽然增加了,但引脚间距并没有减小反而增加了,从而提高了组装成品率;虽然它的功耗增加,但BGA能用可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善它的电热性能;厚度和重量都较以前的封装技术有所减少;寄生参数减小,信号传输延迟小,使用频率大大提高;组装可用共面焊接,可靠性高。[2] 
说到BGA封装就不能不提Kingmax公司的专利TinyBGA技术,TinyBGA英文全称为Tiny Ball Grid Array(小型球栅阵列封装),属于是BGA封装技术的一个分支,是Kingmax公司于1998年8月开发成功的,其芯片面积与封装面积之比不小于1:1.14,可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高2~3倍,与TSOP封装产品相比,其具有更小的体积、更好的散热性能和电性能。
采用TinyBGA封装技术的内存产品在相同容量情况下体积只有TSOP封装的1/3。TSOP封装内存的引脚是由芯片四周引出的,而TinyBGA则是由芯片中心方向引出。这种方式有效地缩短了信号的传导距离,信号传输线的长度仅是传统的TSOP技术的1/4,因此信号的衰减也随之减少。这样不仅大幅提升了芯片的抗干扰、抗噪性能,而且提高了电性能。采用TinyBGA封装芯片可抗高达300MHz的外频,而采用传统TSOP封装技术最高只可抗150MHz的外频。
TinyBGA封装的内存其厚度也更薄(封装高度小于0.8mm),从金属基板到散热体的有效散热路径仅有0.36mm。因此,TinyBGA内存拥有更高的热传导效率,非常适用于长时间运行的系统,稳定性极佳。

内存封装CSP封装

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内存封装 内存封装
SP(Chip Scale Package),是芯片级封装的意思。CSP封装最新一代的内存芯片封装技术,其技术性能又有了新的提升。CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14,已经相当接近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,仅仅相当于TSOP内存芯片面积的1/6。与BGA封装相比,同等空间下CSP封装可以将存储容量提高三倍。
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0.2毫米,大大提高了内存芯片在长时间运行后的可靠性,线路阻抗显著减小,芯片速度也随之得到大幅度提高。[3] 
CSP封装内存芯片的中心引脚形式有效地缩短了信号的传导距离,其衰减随之减少,芯片的抗干扰、抗噪性能也能得到大幅提升,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,由于焊点和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容易地传导到PCB板上并散发出去。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。

内存封装WLCSP

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内存封装 内存封装
LCSP(Wafer Level Chip Scale Package,晶圆级芯片封装),这种技术不同于传统的先切割晶圆,再封装测试的做法,而是先在整片晶圆上进行封装和测试,然后再切割。WLCSP有着更明显的优势。首先是工艺工序大大优化,晶圆直接进入封装工序,而传统工艺在封装之前还要对晶圆进行切割、分类。所有集成电路一次封装,刻印工作直接在晶圆上进行,设备测试一次完成,这在传统工艺中都是不可想象的。其次,生产周期和成本大幅下降,WLCSP的生产周期已经缩短到1天半。而且,新工艺带来优异的性能,采用WLCSP封装技术使芯片所需针脚数减少,提高了集成度。WLCSP带来的另一优点是电气性能的提升,引脚产生的电磁干扰几乎被消除。采用WLCSP封装的内存可以支持到800MHz的频率,最大容量可达1GB![4] 

内存封装特点

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在不同的内存条上,都分布了不同数量的块状颗粒,它就是我们所说的内存颗粒。同时我们也注意
内存封装 内存封装
到,不同规格的内存,内存颗粒的外形和体积不太一样,这是因为内存颗粒“包装”技术的不同导致的。一般来说,DDR内存采用了TSOP(Thin Small Outline Package,薄型小尺寸封装)封装技术,又长又大。而DDR2和DDR3内存均采用FBGA(底部球形引脚封装)封装技术,与TSOP相比,内存颗粒就小巧很多,FBGA封装形式在抗干扰、散热等方面优势明显。
TSOP是内存颗粒通过引脚焊接在内存PCB上的,引脚由颗粒向四周引出,所以肉眼可以看到颗粒与内存PCB接口处有很多金属柱状触点,并且颗粒封装的外形尺寸较大,呈长方形,其优点是成本低、工艺要求不高,但焊点和PCB的接触面积较小,使得DDR内存的传导效果较差,容易受干扰,散热也不够理想。FBGA封装把DDR2和DDR3内存的颗粒做成了正方形,而且体积大约只有DDR内存颗粒的三分之一,内存PCB上也看不到DDR内存芯片上的柱状金属触点,因为其柱状焊点按阵列形式分布在封装下面,所有的触点就被“包裹”起来了,外面自然看不到。其优点是有效地缩短了信号的传导距离。
速度与容量:成倍提升
选择内存和CPU搭配的时候就是看内存带宽是否大于或者等于CPU的带宽,这样才可以满足CPU的数据传输要求。从带宽公式(带宽=位宽×频率÷8)可以得知,和带宽关
内存封装 内存封装
系最紧密的就是频率。这也是为什么三代内存等效频率一升再升的原因之一,其目的就是为了满足CPU的带宽。
不仅速度上有所提升,而且随着我们应用的提高,我们也需要更大容量的单根内存,DDR时代卖得最火的是512MB和1GB的内存,而到了DDR2时代,两根1GB内存就只是标准配置了,内存容量为4GB的电脑也逐渐多了起来。甚至在今后还会有单根8GB的内存出现。这说明了人们的对内存容量的要求在不断提高。
延迟值:一代比一代高
任何内存都有一个CAS延迟值,这就好像甲命令乙做事情,乙需要思考的时间一样。一般而言,内存的延迟值越小,传输速度越快。从DDR、DDR2、DDR3内存身上看到,虽然它们的传输速度越来越快,频率越来越高,容量也越来越大,但延迟值却提高了,譬如DDR内存的延迟值(第一位数值大小最重要,普
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通用户关注第一位延迟值就可以了)为1.5、2、2.5、3;而到了DDR2时代,延迟值提升到了3、4、5、6;到了DDR3时代,延迟值也继续提升到了5、6、7、8或更高。
功耗:一次又一次降低
电子产品要正常工作,肯定要有电。有电,就需要工作电压,该电压是通过金手指从主板上的内存插槽获取的,内存电压的高低,也反映了内存工作的实际功耗。一般而言,内存功耗越低,发热量也越低,工作也更稳定。DDR内存的工作电压为2.5V,其工作功耗在10W左右;而到了DDR2时代,工作电压从2.5V降至1.8V;到了DDR3内存时代,工作电压从1.8V降至1.5V,相比DDR2可以节省30%~40%的功
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耗。为此我们也看到,从DDR内存发展到DDR3内存,尽管内存带宽大幅提升,但功耗反而降低,此时内存的超频性、稳定性等都得到进一步提高。
制造工艺:不断提高
从DDR到DDR2再到DDR3内存,其制造工艺都在不断改善,更高的工艺水平会使内存电气性能更好,成本更低。譬如DDR内存颗粒广泛采用0.13微米制造工艺,而DDR2颗粒采用了0.09微米制造工艺,DDR3颗粒则采用了全新65nm制造工艺(1微米=1000纳米)。
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参考资料
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计算机术语 计算机学 科技