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封裝是什么?簡述一下發(fā)展歷程
我國在半導體封裝測試領(lǐng)域具有國際先進水平,體量進入世界前三,技術(shù)與世界一流水平不存在代差,是集成電路三大環(huán)節(jié)中發(fā)展最好的一個,且發(fā)展速度明顯高于其他競爭對手。
封裝,IC 芯片的最終防護與統(tǒng)整
經(jīng)過漫長的流程,從設(shè)計到制造,終于獲得一顆 IC 芯片了。然而一顆芯片相當小且薄,如果不在外施加保護,會被輕易的刮傷損壞。此外,因為芯片的尺寸微小,如果不用一個較大尺寸的外殼,將不易以人工安置在電路板上。因此,本文接下來要針對封裝加以描述介紹。
目前常見的封裝有兩種,一種是電動玩具內(nèi)常見的,黑色長得像蜈蚣的 DIP 封裝,另一為購買盒裝 CPU 時常見的 BGA 封裝。至于其他的封裝法,還有早期 CPU 使用的 PGA(Pin Grid Array;Pin Grid Array)或是 DIP 的改良版 QFP(塑料方形扁平封裝)等。因為有太多種封裝法,以下將對 DIP 以及 BGA 封裝做介紹。
傳統(tǒng)封裝,歷久不衰
首先要介紹的是雙排直立式封裝(Dual Inline Package;DIP),從下圖可以看到采用此封裝的 IC 芯片在雙排接腳下,看起來會像條黑色蜈蚣,讓人印象深刻,此封裝法為最早采用的 IC 封裝技術(shù),具有成本低廉的優(yōu)勢,適合小型且不需接太多線的芯片。但是,因為大多采用的是塑料,散熱效果較差,無法滿足現(xiàn)行高速芯片的要求。因此,使用此 封裝的,大多是歷久不衰的芯片,如下圖中的 OP741,或是對運作速度沒那么要求且芯片較小、接孔較少的 IC 芯片。
▲左圖的 IC 芯片為 OP741,是常見的電壓放大器。右圖為它的剖面圖,這個封裝是以金線將芯片接到金屬接腳(Leadframe)(Source :左圖 Wikipedia、右圖 Wikipedia)
至于球格陣列(Ball Grid Array,BGA)封裝,和 DIP 相比封裝體積較小,可輕易的放入體積較小的裝置中。此外,因為接腳位在芯片下方,和 DIP 相比,可容納更多的金屬接腳相當適合需要較多接點的芯片。然而,采用這種封裝法成本較高且連接的方法較復雜,因此大多用在高單價的產(chǎn)品上。
▲左圖為采用 BGA 封裝的芯片。右圖為使用覆晶封裝的 BGA 示意圖(Source: 左圖 Wikipedia)
行動裝置興起,新技術(shù)躍上舞臺
然而,使用以上這些封裝法,會耗費掉相當大的體積。像現(xiàn)在的行動裝置、穿戴裝置等,需要相當多種元件,如果各個元件都獨立封裝,組合起來將耗費非常大的 空間,因此目前有兩種方法,可滿足縮小體積的要求,分別為 SoC(System On Chip)以及 SiP(System In Packet)。
在智慧型手機剛興 起時,在各大財經(jīng)雜志上皆可發(fā)現(xiàn) SoC 這個名詞,然而 SoC 究竟是什么東西?簡單來說,就是將原本不同功能的 IC,整合在一顆芯片中。藉由這個方法,不單可以縮小體積,還可以縮小不同 IC 間的距離,提升芯片的計算速度。至于制作方法,便是在 IC 設(shè)計階段時,將各個不同的 IC 放在一起,再透過先前介紹的設(shè)計流程,制作成一張光罩。
然而,SoC 并非只有優(yōu)點,要設(shè)計一顆 SoC 需要相當多的技術(shù)配合。IC 芯片各自封裝時,各有封裝外部保護,且 IC 與 IC 間的距離較遠,比較不會發(fā)生交互干擾的情形。但是,當將所有 IC 都包裝在一起時,就是噩夢的開始。IC 設(shè)計廠要從原先的單純設(shè)計 IC,變成了解并整合各個功能的 IC,增加工程師的工作量。此外,也會遇到很多的狀況,像是通訊芯片的高頻訊號可能會影響其他功能的 IC 等情形。
此外,SoC 還需要獲得其他廠商的 IP(intellectual property)授權(quán),才能將別人設(shè)計好的元件放到 SoC 中。因為制作 SoC 需要獲得整顆 IC 的設(shè)計細節(jié),才能做成完整的光罩,這同時也增加了 SoC 的設(shè)計成本?;蛟S會有人質(zhì)疑何不自己設(shè)計一顆就好了呢?因為設(shè)計各種 IC 需要大量和該 IC 相關(guān)的知識,只有像 Apple 這樣多金的企業(yè),才有預(yù)算能從各知名企業(yè)挖角頂尖工程師,以設(shè)計一顆全新的 IC,透過合作授權(quán)還是比自行研發(fā)劃算多了。
代替方案,SiP 現(xiàn)身
作為替代方案,SiP 躍上整合芯片的舞臺。和 SoC 不同,它是購買各家的 IC,在最后一次封裝這些 IC,如此便少了 IP 授權(quán)這一步,大幅減少設(shè)計成本。此外,因為它們是各自獨立的 IC,彼此的干擾程度大幅下降。
▲Apple Watch 采用 SiP 技術(shù)將整個電腦架構(gòu)封裝成一顆芯片,不單滿足期望的效能還縮小體積,讓手表有更多的空間放電池(Source:Apple 官網(wǎng))
采用 SiP 技術(shù)的產(chǎn)品,最著名的非 Apple Watch 莫屬。因為 Watch 的內(nèi)部空間太小,它無法采用傳統(tǒng)的技術(shù),SoC 的設(shè)計成本又太高,SiP 成了首要之選。藉由 SiP 技術(shù),不單可縮小體積,還可拉近各個 IC 間的距離,成為可行的折衷方案。下圖便是 Apple Watch 芯片的結(jié)構(gòu)圖,可以看到相當多的 IC 包含在其中。
▲Apple Watch 中采用 SiP 封裝的 S1 芯片內(nèi)部配置圖(Source:chipworks)
完成封裝后,便要進入測試的階段,在這個階段便要確認封裝完的IC是否有正常的運作,正確無誤之后便可出貨給組裝廠,做成我們所見的電子產(chǎn)品。至此,半導體產(chǎn)業(yè)便完成了整個生產(chǎn)的任務(wù)。