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便携式应用的高级逻辑封装技术

作者:■ 美国德州仪器公司 Shawn Cohee时间:2005-05-07来源:eaw收藏

随着下一代便携式电子设备朝着更小尺寸的方向发展,许多制造商都针对其逻辑需求提出了高级解决方案。尽管一些人指出,由于支持功能已经包含在核心处理器中,可能不再需要了,但我们仍然需要逻辑功能来提供接口, 将数据传输到相应的设备上。由于大部分PCB板级空间都被核心处理器(DSP及ASIC)所占据,因此逻辑器件应当是透明的。例如, 新一代智能电话有时会既使用通信处理器又使用应用平台处理器,它们占据了板级空间的大部分。上述设计中的逻辑支持功能应当尽可能地节约空间,某些情况下最大只能占用板级空间的5%。目前,许多逻辑器件供应商正在推出新一代技术,可大大节约 PCB 的占用空间。
以目前的标准来看,许多制造商正在设计的逻辑产品已经做到了小尺寸。SC-70 是单门逻辑技术中广泛采用的一种封装,占用的面积仅为4.2mm2。由于其尺寸小、生产方便、可靠性高,因而对当前的许多设计而言都是非常理想的,但新一代设计要求以更小的尺寸实现相同的质量。业界通常认为,在将逻辑设备移植到更小尺寸的过程中,制造方便性、易测性、可靠性乃至价格都是彼此制约、权衡的关系。逻辑器件供应商应以较小的面积满足各种比特宽度产品的封装要求,其中涵盖了从单门到 32 位的器件。同时,他们还应该提供各方面性能都始终如一的新一代封装,并将其作为逻辑封装的业界标准。上述高级封装选项包括球栅阵列 (BGA)、无引线四方扁平封装 (QFN) 以及芯片级封装(WCSP)。

BGA(球栅阵列)
向低截面球栅阵列封装(LFBGA)以及超微细球栅阵列(VFBGA)封装技术的移植在一定程度上已经开始。一些制造商已经把这种封装作为业界标准。许多设计人员都认为芯片尺寸 BGA 封装在降低成本和缩小尺寸方面是理想的解决方案。与基于引线框架的封装相比,上述封装显著节约了板面积,同时又不会显著增加系统成本。
96与114球栅LFBGA封装是一种单芯片解决方案。设计人员不必在两个16位逻辑功能中进行设计,而可以充分利用LFBGA封装的单个32位逻辑功能(见图1)。该封装球栅距离仅为0.8mm,不仅便于路由,而且与 TSSOP 封装相比也改善了散热与电气性能。与TSSOP相比,LFBGA在散热方面的效率高出50%,在电感容量方面减少了48%。一些逻辑供应商在20世纪90年代推出该封装时就在替代供应方面达成了一致,从而进一步推动了LFBGA的普及。TI、Philips及IDT等公司均同意采用相同的逻辑功能与封装引脚技术。这就在LFBGA封装中真正实现了逻辑替代供应,并为客户提供了多种渠道以满足其生产需要。
2000年,超微细球栅阵列 (VFBGA) 封装也具备了逻辑功能,从而填补了小型封装在16位与18位逻辑功能上的空白。当时,采用大型SSOP与TSSOP封装的逻辑器件是针对便携式应用精心设计的,这就占据了核心处理器等更关键功能所需的板级空间。随着"智能"应用嵌入到设计中,要求相似空间、较小尺寸的大比特逻辑功能越来越难以实施。
VFBGA封装占用的面积仅为31.5mm2,与TSSOP(108mm2)相比,节省达 70% 至75%。与LFBGA类似,VFBGA封装较TSSOP封装也实现了更佳的电器和散热性能,成为当前业界标准封装的更好替代者。

无引线四方扁平封装 (QFN)
最新推出的封装方式为QFN封装。许多逻辑供应商的单门与八比特位宽逻辑功能都提供了20、16与14引脚的QFN封装,因为这种封装与TSSOP相比,在相同的比特宽度上存在着较多优势。
就便携式设备而言,QFN 封装是最佳选择。首先,QFN 能够显著节约空间。20 引脚QFN 封装占用的面积仅为 15.75 mm2,比20引脚的 TSSOP 封装节约达62%。QFN在四侧均可提供外围终端板,并在器件中心具有裸露的芯片焊盘,从而改善了机械与散热性能。该封装还可允许顶端与底部引脚在封装下路由其信号,从而支持涌流结构(见图2)。此外,QFN还具备传统的外引脚,可从较早的逻辑封装(TSSOP、SOIC及PDIP等)实现无缝移植。该封装高度为1.00mm,能满足一系列最严格的便携式应用要求。
仅有尺寸上的优势还不足以成为采用全新封装技术的理由。推出新型封装时,还需考虑替换源、可靠性、制造方便性以及技术服务等其他因素。2001年,逻辑供应商开始推出采用QFN封装的器件,当时许多人在对替换源的共识与QFN 封装的差异上提出了异议。一些供应商采用了小型的 DQFN 封装,而其他供应商则采用大型的封装形式。例如,TI 为了在小型封装中支持成熟、先进的逻辑技术就选择了后者。

芯片级封装 (WCSP)
WCSP 的面积仅为1.26mm2,焊球间距仅为 0.5mm,是目前逻辑器件领域最小型的封装。举例来说,该封装基本与美国分币上印制的年份中的一个数字大小相同(图3)。
WCSP 封装与 BGA 封装相似,也以焊球代替传统的引线框架引脚。由于其尺寸极小,因此裸露芯片就作为最终的封装。这也说明了为什么WCSP也称为DSBGA(芯片尺寸球栅阵列)。WCSP 支持小逻辑产品中常见的5、6及 8 引脚封装,包括单、双以及三门功能。
过去十年以来,SC-70与 US-8常采用小逻辑封装。随着WCSP封装技术的推出,对其制造方便性、可靠性和可测性方面提出了许多问题。供应商与用户在相关的领域都进行了广泛的研究。制造商发现,WCSP 封装可用目前的大规模生产设备安装在板上,这使 OEM 厂商不用投入额外的生产成本即能利用该封装实现板级空间的节约。一旦安装在板上,焊球的理想替代就是器件外围。这也方便了使用探测触点进行器件级的测试。
用户使用便携式消费类电子产品时会造成恶劣使用条件,因而可靠性对制造商而言是至关重要的。对TI的NanoStar(采用WCSP封装)的内部可靠性测试表明,该封装可满足便携式应用的严格条件。板级可靠性(BLR)数据显示,NanoStar 封装在-40?25℃之间经过了1286个周期,在0?00℃之间则达到了1900个周期。■ (俊峰译)



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