便攜式應(yīng)用的高級邏輯封裝技術(shù)

隨著下一代便攜式電子設(shè)備朝著更小尺寸的方向發(fā)展，許多制造商都針對其邏輯需求提出了高級封裝解決方案。盡管一些人指出，由于支持功能已經(jīng)包含在核心處理器中，可能不再需要了，但我們?nèi)匀恍枰壿嫻δ軄硖峁┙涌? 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的設(shè)備上。由于大部分PCB板級空間都被核心處理器(DSP及ASIC)所占據(jù)，因此邏輯器件應(yīng)當(dāng)是透明的。例如, 新一代智能電話有時會既使用通信處理器又使用應(yīng)用平臺處理器，它們占據(jù)了板級空間的大部分。上述設(shè)計中的邏輯支持功能應(yīng)當(dāng)盡可能地節(jié)約空間，某些情況下最大只能占用板級空間的5%。目前，許多邏輯器件供應(yīng)商正在推出新一代封裝技術(shù)，可大大節(jié)約 PCB 的占用空間。
以目前的標(biāo)準(zhǔn)來看，許多制造商正在設(shè)計的邏輯產(chǎn)品已經(jīng)做到了小尺寸封裝。SC-70 是單門邏輯技術(shù)中廣泛采用的一種封裝，占用的面積僅為4.2mm2。由于其尺寸小、生產(chǎn)方便、可靠性高，因而對當(dāng)前的許多設(shè)計而言都是非常理想的，但新一代設(shè)計要求以更小的尺寸實現(xiàn)相同的質(zhì)量。業(yè)界通常認(rèn)為，在將邏輯設(shè)備移植到更小尺寸的過程中，制造方便性、易測性、可靠性乃至價格都是彼此制約、權(quán)衡的關(guān)系。邏輯器件供應(yīng)商應(yīng)以較小的面積滿足各種比特寬度產(chǎn)品的封裝要求，其中涵蓋了從單門到 32 位的器件。同時，他們還應(yīng)該提供各方面性能都始終如一的新一代封裝，并將其作為邏輯封裝的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。上述高級封裝選項包括球柵陣列 (BGA)、無引線四方扁平封裝 (QFN) 以及芯片級封裝(WCSP)。

BGA(球柵陣列)
向低截面球柵陣列封裝(LFBGA)以及超微細(xì)球柵陣列(VFBGA)封裝技術(shù)的移植在一定程度上已經(jīng)開始。一些制造商已經(jīng)把這種封裝作為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。許多設(shè)計人員都認(rèn)為芯片尺寸 BGA 封裝在降低成本和縮小尺寸方面是理想的解決方案。與基于引線框架的封裝相比，上述封裝顯著節(jié)約了板面積，同時又不會顯著增加系統(tǒng)成本。
96與114球柵LFBGA封裝是一種單芯片解決方案。設(shè)計人員不必在兩個16位邏輯功能中進(jìn)行設(shè)計，而可以充分利用LFBGA封裝的單個32位邏輯功能(見圖1)。該封裝球柵距離僅為0.8mm，不僅便于路由，而且與 TSSOP 封裝相比也改善了散熱與電氣性能。與TSSOP相比，LFBGA在散熱方面的效率高出50%，在電感容量方面減少了48%。一些邏輯供應(yīng)商在20世紀(jì)90年代推出該封裝時就在替代供應(yīng)方面達(dá)成了一致，從而進(jìn)一步推動了LFBGA的普及。TI、Philips及IDT等公司均同意采用相同的邏輯功能與封裝引腳技術(shù)。這就在LFBGA封裝中真正實現(xiàn)了邏輯替代供應(yīng)，并為客戶提供了多種渠道以滿足其生產(chǎn)需要。
2000年，超微細(xì)球柵陣列 (VFBGA) 封裝也具備了邏輯功能，從而填補了小型封裝在16位與18位邏輯功能上的空白。當(dāng)時，采用大型SSOP與TSSOP封裝的邏輯器件是針對便攜式應(yīng)用精心設(shè)計的，這就占據(jù)了核心處理器等更關(guān)鍵功能所需的板級空間。隨著"智能"應(yīng)用嵌入到設(shè)計中，要求相似空間、較小尺寸的大比特邏輯功能越來越難以實施。
VFBGA封裝占用的面積僅為31.5mm2，與TSSOP(108mm2)相比，節(jié)省達(dá) 70% 至75%。與LFBGA類似，VFBGA封裝較TSSOP封裝也實現(xiàn)了更佳的電器和散熱性能，成為當(dāng)前業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)封裝的更好替代者。

無引線四方扁平封裝 (QFN)
最新推出的封裝方式為QFN封裝。許多邏輯供應(yīng)商的單門與八比特位寬邏輯功能都提供了20、16與14引腳的QFN封裝，因為這種封裝與TSSOP相比，在相同的比特寬度上存在著較多優(yōu)勢。
就便攜式設(shè)備而言，QFN 封裝是最佳選擇。首先，QFN 能夠顯著節(jié)約空間。20 引腳QFN 封裝占用的面積僅為 15.75 mm2，比20引腳的 TSSOP 封裝節(jié)約達(dá)62%。QFN在四側(cè)均可提供外圍終端板，并在器件中心具有裸露的芯片焊盤，從而改善了機械與散熱性能。該封裝還可允許頂端與底部引腳在封裝下路由其信號，從而支持涌流結(jié)構(gòu)(見圖2)。此外，QFN還具備傳統(tǒng)的外引腳，可從較早的邏輯封裝(TSSOP、SOIC及PDIP等)實現(xiàn)無縫移植。該封裝高度為1.00mm，能滿足一系列最嚴(yán)格的便攜式應(yīng)用要求。
僅有尺寸上的優(yōu)勢還不足以成為采用全新封裝技術(shù)的理由。推出新型封裝時，還需考慮替換源、可靠性、制造方便性以及技術(shù)服務(wù)等其他因素。2001年，邏輯供應(yīng)商開始推出采用QFN封裝的器件，當(dāng)時許多人在對替換源的共識與QFN 封裝的差異上提出了異議。一些供應(yīng)商采用了小型的 DQFN 封裝，而其他供應(yīng)商則采用大型的封裝形式。例如，TI 為了在小型封裝中支持成熟、先進(jìn)的邏輯技術(shù)就選擇了后者。

芯片級封裝 (WCSP)
WCSP 的面積僅為1.26mm2，焊球間距僅為 0.5mm，是目前邏輯器件領(lǐng)域最小型的封裝。舉例來說，該封裝基本與美國分幣上印制的年份中的一個數(shù)字大小相同(圖3)。
WCSP 封裝與 BGA 封裝相似，也以焊球代替?zhèn)鹘y(tǒng)的引線框架引腳。由于其尺寸極小，因此裸露芯片就作為最終的封裝。這也說明了為什么WCSP也稱為DSBGA(芯片尺寸球柵陣列)。WCSP 支持小邏輯產(chǎn)品中常見的5、6及 8 引腳封裝，包括單、雙以及三門功能。
過去十年以來，SC-70與 US-8常采用小邏輯封裝。隨著WCSP封裝技術(shù)的推出，對其制造方便性、可靠性和可測性方面提出了許多問題。供應(yīng)商與用戶在相關(guān)的領(lǐng)域都進(jìn)行了廣泛的研究。制造商發(fā)現(xiàn)，WCSP 封裝可用目前的大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備安裝在板上，這使 OEM 廠商不用投入額外的生產(chǎn)成本即能利用該封裝實現(xiàn)板級空間的節(jié)約。一旦安裝在板上，焊球的理想替代就是器件外圍。這也方便了使用探測觸點進(jìn)行器件級的測試。
用戶使用便攜式消費類電子產(chǎn)品時會造成惡劣使用條件，因而可靠性對制造商而言是至關(guān)重要的。對TI的NanoStar(采用WCSP封裝)的內(nèi)部可靠性測試表明，該封裝可滿足便攜式應(yīng)用的嚴(yán)格條件。板級可靠性(BLR)數(shù)據(jù)顯示，NanoStar 封裝在-40?25℃之間經(jīng)過了1286個周期，在0?00℃之間則達(dá)到了1900個周期。■ (俊峰譯)