封装基板常见的封装方式

在芯片封装领域，常见的封装方式有双列直插式封装（DIP）、单列直插式封装（SIP）、方形扁平式封装（QFP）、四侧无引脚扁平封装（QFN）、插针网格阵列封装（PGA）、球栅阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、系统级封装（SiP）、板上芯片封装（COB）等 。

• 双列直插式封装（DIP）：这是一种插装型封装，引脚从封装两侧引出。其封装材料有塑料和陶瓷两种，是最普及的插装型封装。例如，它可应用于标准逻辑IC、存贮器LSI、微机电路等。引脚中心距为2.54mm，引脚数从6到64不等，封装宽度通常为15.2mm。还有宽度为7.52mm和10.16mm的封装，分别称为skinnyDIP和slimDIP，但多数情况下并不特别区分，统一称为DIP 。

• 单列直插式封装（SIP）：也是插装型封装的一种，引脚从封装的一侧引出。

• 方形扁平式封装（QFP）：属于表面贴装型封装。其中包括塑料方形扁平式封装（PQFP）和带缓冲垫的四侧引脚扁平封装（BQFP）等。例如BQFP封装在封装本体的四个角设置突起（缓冲垫），可以防止在运送过程中引脚发生弯曲变形，引脚中心距0.635mm，引脚数从84到196左右 。

• 四侧无引脚扁平封装（QFN）：这种封装的四周没有引脚，而是在封装底部有引脚或焊盘与电路板连接。

• 插针网格阵列封装（PGA）：例如碰焊PGA封装（butt joint pin grid array）是表面贴装型PGA的别称。在这种封装方式中，针脚集中在CPU的PCB身上，主板只需要提供插入针脚的插孔即可。并且由于可能需要多次移动，PGA的针脚相对于一些其他封装方式来说强度会更高，即使出现了弯曲，也能通过相对简单的方法恢复 。

• 球栅阵列封装（BGA）：这是一种表面贴装型封装，在印刷基板的背面按阵列方式制作出球形凸点用以代替引脚，在印刷基板的正面装配LSI芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封。其优点是引脚可以超过200，适用于多引脚LSI，例如引脚中心距为1.5mm的360引脚BGA仅为31mm见方；而引脚中心距为0.5mm的304引脚QFP为40mm见方，并且BGA不用担心QFP那样的引脚变形问题。该封装由美国Motorola公司开发，首先在便携式电话等设备中被采用，目前也有可能在个人计算机中普及 。

• 芯片尺寸封装（CSP）：这种封装方式使得芯片尺寸与封装尺寸非常接近，具有小尺寸、高性能等特点。

• 系统级封装（SiP）：是将多个不同功能的芯片，如处理器、存储器、传感器等集成在一个封装内，实现系统功能的封装方式。

• 板上芯片封装（COB）：是裸芯片贴装技术之一，半导体芯片直接贴装在印刷线路板上，芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现 。

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不同封装方式中封装基板的作用

• 双列直插式封装（DIP）中的作用

• 电气连接：封装基板为芯片与外部电路提供电气连接的通道，通过基板上的线路将芯片的引脚与PCB板上的电路连接起来，使得信号能够在芯片和外部电路之间传输。例如在一些简单的微机电路中，DIP封装的芯片通过封装基板将内部的逻辑信号传输到外部的其他电路元件中。

• 物理保护：保护芯片免受外界物理因素的影响，如灰尘、湿气等。由于DIP封装的芯片是插装在插座或直接焊接在PCB板上的，封装基板可以作为芯片的外壳，防止芯片受到碰撞、挤压等物理损害。

• 尺寸过渡：在一些应用中，芯片的尺寸可能较小，而外部电路的连接点间距较大，封装基板可以起到尺寸过渡的作用，将芯片的小尺寸引脚布局转换为适合与PCB板连接的较大间距引脚布局。

• 方形扁平式封装（QFP）中的作用

• 电气连接与信号传输优化：QFP封装的引脚较多且间距较小，封装基板需要精确地设计线路布局，以确保各个引脚之间的信号传输的准确性和稳定性。例如在计算机的主板电路中，QFP封装的芯片通过封装基板实现高速信号的传输，如数据信号、时钟信号等。

• 应力缓和：由于QFP封装的引脚较细且长，在受到温度变化、机械振动等因素影响时，容易产生应力。封装基板可以通过自身的材料特性和结构设计，缓和这些应力对芯片和引脚的影响，防止引脚断裂或芯片损坏。

• 散热辅助：虽然QFP封装的散热能力相对有限，但封装基板仍然可以在一定程度上帮助芯片散热。通过选择具有一定导热性能的基板材料，将芯片产生的热量传导出去，避免芯片过热。

• 球栅阵列封装（BGA）中的作用

• 高密度电气连接：BGA封装通过球形凸点与印刷基板连接，这种方式可以实现更高密度的电气连接。封装基板在其中起到了关键的承载和连接作用，精确地布局线路以匹配BGA芯片的众多引脚（凸点），确保信号的高效传输。例如在现代高性能的计算机处理器中，BGA封装的芯片利用封装基板实现大量数据和控制信号的快速交换。

• 散热管理：BGA封装的芯片通常功率较大，产生的热量较多。封装基板的材料和结构设计对散热有着重要影响。一些高性能的BGA封装基板采用具有高导热性的材料，如陶瓷或特殊的复合材料，能够有效地将芯片产生的热量传导出去，防止芯片因过热而性能下降或损坏。

• 机械支撑与保护：为BGA芯片提供机械支撑，确保芯片在安装和使用过程中的稳定性。同时，封装基板也保护芯片免受外界环境的影响，如防止湿气、化学物质等对芯片的侵蚀。

• 系统级封装（SiP）中的作用

• 多功能集成连接：在SiP封装中，多个不同功能的芯片集成在一起。封装基板要实现这些不同芯片之间的电气连接，就像一个小型的电路板一样，将处理器、存储器、传感器等芯片按照设计要求进行连接，使它们能够协同工作。例如在智能手机的SiP封装中，封装基板将应用处理器、基带芯片、射频芯片等连接起来，实现手机的通信、计算等多种功能。

• 信号完整性保障：由于SiP封装内集成了多种功能的芯片，信号传输的复杂性增加。封装基板需要通过合理的布线、电磁屏蔽等措施来保障信号的完整性，防止信号干扰和衰减。例如在一些高速数据传输的SiP封装中，采用特殊的线路布局和屏蔽层设计来确保数据信号的准确传输。

• 整体物理保护与小型化：为集成在其中的多个芯片提供整体的物理保护，同时有助于实现整个封装的小型化。通过将多个芯片封装在一起，可以减少整个系统的体积，而封装基板的设计和制造要满足这种小型化的要求，同时保证芯片在封装内的安全性。

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封装基板在各类封装方式中的应用案例

• 双列直插式封装（DIP）应用案例

• 早期计算机电路：在早期的计算机主板设计中，许多标准逻辑IC和微机电路采用DIP封装。例如，Intel的早期微处理器芯片就有DIP封装的形式。这些芯片通过DIP封装方便地插装在主板的插座上，通过封装基板与主板上的其他电路元件如电阻、电容等进行电气连接。由于当时的生产工艺和电路设计水平，DIP封装的较大尺寸和相对简单的结构能够满足计算机电路的需求。

• 工业控制设备：在一些工业控制领域，如自动化生产线的控制器、电机驱动器等设备中，DIP封装的芯片仍然被广泛使用。因为这些设备对可靠性要求较高，DIP封装的芯片在恶劣的工业环境下，其封装基板能够较好地保护芯片免受灰尘、湿气和电磁干扰等影响。同时，DIP封装的芯片便于在设备维护和升级时进行更换，只要将芯片从插座上拔出，插入新的芯片即可。

• 方形扁平式封装（QFP）应用案例

• 消费电子产品中的芯片：在现代消费电子产品，如智能手机、平板电脑等设备中，大量的芯片采用QFP封装。例如，一些音频处理芯片、电源管理芯片等可能采用QFP封装。这些芯片通过封装基板与设备主板上的其他电路组件进行连接，实现音频信号处理、电源分配等功能。由于QFP封装的小尺寸和相对较多的引脚数，能够满足消费电子产品对芯片功能集成度和小型化的要求。

• 通信设备中的信号处理芯片：在通信基站、路由器等通信设备中，许多信号处理芯片采用QFP封装。例如，在数字信号处理（DSP）芯片中，QFP封装可以提供足够的引脚用于输入输出信号的连接，同时封装基板能够保证信号在芯片内部和外部之间的高速稳定传输。在通信设备的高频信号处理中，QFP封装的芯片通过封装基板实现对微弱信号的精确处理和传输，满足通信系统对信号质量的严格要求。

• 球栅阵列封装（BGA）应用案例

• 计算机处理器和图形处理器（GPU）：现代计算机的中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）大多采用BGA封装。例如，Intel和AMD的CPU以及NVIDIA和AMD的GPU都广泛使用BGA封装。这些高性能的芯片通过BGA封装的球形凸点与封装基板连接，封装基板采用多层结构，内部包含复杂的线路布局，以满足芯片与外部设备（如内存、主板芯片组等）之间大量数据的高速传输需求。同时，由于CPU和GPU的功耗较高，BGA封装的封装基板需要具备良好的散热性能，采用铜、铝等散热材料或特殊的散热结构，如散热孔、散热层等，来确保芯片在高负载运行时的稳定性。

• 智能手机中的应用处理器（AP）：在智能手机中，应用处理器（AP）是核心芯片之一，也常采用BGA封装。例如，高通骁龙系列和苹果A系列芯片在智能手机中的应用。这些芯片通过BGA封装与手机主板连接，封装基板在其中起到了连接芯片与主板上其他组件（如内存、射频芯片等）的作用，同时要满足手机对轻薄化、高性能和低功耗的要求。由于手机内部空间有限，BGA封装的小尺寸和高集成度特点能够有效节省空间，而封装基板的设计要在保证电气性能的前提下尽可能地减小厚度和体积。

• 系统级封装（SiP）应用案例

• 智能手机：如前所述，智能手机是SiP封装的典型应用领域。以苹果iPhone为例，其内部的系统级封装集成了多个芯片，包括应用处理器、基带芯片、电源管理芯片、射频芯片等。封装基板将这些不同功能的芯片连接在一起，实现了手机的各种功能，如通信、计算、拍照、音频处理等。通过SiP封装，可以减小手机内部的空间占用，提高信号传输速度，并且增强了手机的整体性能和可靠性。

• 可穿戴设备：在智能手表、智能手环等可穿戴设备中，SiP封装也得到了广泛应用。由于可穿戴设备对体积和功耗的要求更为严格，SiP封装能够将多个必要的芯片集成在一起，如传感器芯片（加速度计、心率传感器等）、微控制器芯片、蓝牙芯片等。封装基板在其中起到了整合这些芯片功能的作用，使得可穿戴设备能够在极小的空间内实现多种功能，并且能够有效地降低功耗，延长电池续航时间。

不同封装方式对封装基板的性能要求

• 双列直插式封装（DIP）对封装基板的性能要求

• 机械强度：DIP封装的芯片需要插入插座或焊接在PCB板上，在这个过程中，封装基板需要具备一定的机械强度，以防止在插拔或焊接过程中基板破裂或变形。例如，当芯片插入插座时，如果基板的机械强度不足，可能会导致引脚与插座之间的连接不良。

• 电气绝缘性：由于芯片的引脚通过封装基板与外部电路连接，基板需要具备良好的电气绝缘性，防止引脚之间发生短路。在一些高压电路应用中，如电力电子设备中的DIP封装芯片，对封装基板的电气绝缘性要求更高。

• 尺寸精度：虽然DIP封装相对尺寸较大，但仍然需要一定的尺寸精度，以确保芯片能够准确地插入插座或与PCB板上的焊接点匹配。如果封装基板的尺寸精度不够，可能会导致芯片安装困难或者电气连接不良。

• 方形扁平式封装（QFP）对封装基板的性能要求

• 高精度布线：QFP封装的引脚间距较小，通常在0.635mm左右，这就要求封装基板具有高精度的布线能力。基板上的线路需要精确地与引脚连接，并且线路之间的间距要符合电气安全标准，防止信号串扰。例如在一些高速信号传输的QFP封装芯片中，线路的宽度和间距可能需要精确到几十微米。

• 良好的热性能：由于QFP封装的散热能力相对有限，封装基板需要具备一定的热传导性能，以便将芯片产生的热量传导出去。特别是在一些功率较大的QFP封装芯片应用中，如功率放大器芯片，对封装基板的热导率要求较高。

• 低应力特性：QFP封装的引脚较细且长，容易受到应力的影响。封装基板需要具有低应力特性，能够在温度变化、机械振动等情况下，减少对引脚的应力作用，防止引脚断裂。这就要求基板的材料选择和结构设计要考虑到应力的因素，例如采用热膨胀系数与芯片和外部电路相匹配的材料。

• 球栅阵列封装（BGA）对封装基板的性能要求

• 高密度布线与微孔技术：BGA封装的引脚（凸点）数量众多且间距小，这就要求封装基板能够实现高密度布线。为了满足这一要求，基板需要采用微孔技术，即在基板内部制作微小的导通孔，以实现多层线路之间的连接。例如在一些高端的BGA封装芯片中，微孔的直径可能只有几十微米。

• 高导热性：BGA封装的芯片功率较大，产生的热量较多，因此封装基板需要具备高导热性。可以采用高导热系数的材料，如陶瓷、金属基复合材料等作为基板材料，或者在基板内部设计散热通道，如散热孔、散热层等，以提高散热效率。

• 良好的平面度：BGA封装是通过球形凸点与基板连接的，要求基板表面具有良好的平面度。如果基板表面不平整，可能会导致球形凸点与基板之间的接触不良，影响电气连接和散热性能。

• 系统级封装（SiP）对封装基板的性能要求

• 多功能集成能力：SiP封装集成了多个不同功能的芯片，这就要求封装基板具有多功能集成的能力。基板需要在有限的空间内实现不同芯片之间的电气连接、信号传输、电源分配等功能，并且要满足不同芯片对电气性能的要求。例如，在集成处理器和存储器的SiP封装中，封装基板需要同时满足处理器的高速数据传输需求和存储器的稳定供电需求。

• 信号完整性保障：由于SiP封装内信号传输的复杂性，封装基板需要具备保障信号完整性的能力。这包括采用低介电常数的材料、合理的布线布局、电磁屏蔽等措施。例如在一些高速数字信号传输的SiP封装中，采用特殊的信号屏蔽层来防止外部电磁干扰对内部信号的影响。

• 小型化与轻薄化：为了满足可穿戴设备、智能手机等对小型化和轻薄化的要求，SiP封装的封装基板需要具备小型化和轻薄化的性能。这就要求在基板的材料选择、结构设计和制造工艺上进行优化，在保证功能的前提下，尽可能减小基板的厚度和面积。

封装基板应用于不同封装方式的比较分析

• 电气性能方面

• 连接密度：BGA封装方式下，封装基板的电气连接密度最高，因为其采用球形凸点阵列，可以在较小的面积上实现大量引脚的连接。例如在计算机处理器的BGA封装中，数百个引脚可以紧密排列。相比之下，DIP封装的连接密度最低，其引脚从两侧引出，引脚数量相对有限，且间距较大。QFP封装的连接密度介于两者之间，虽然引脚较多，但由于是扁平式封装，引脚间距的进一步缩小存在一定限制。SiP封装则更注重多个芯片之间的集成连接，其内部的连接密度根据不同芯片的组合和功能需求而有所不同，但总体上能够在较小的封装体积内实现复杂的电气连接。

• 信号传输速度：在高速信号传输方面，BGA和QFP封装如果采用合适的封装基板和设计，都能够实现较高的信号传输速度。例如在通信设备中的高速信号处理芯片，QFP封装通过精确的封装基板布线和信号完整性设计，可以满足高速数据的传输需求。然而，BGA封装由于其球形凸点连接的低电感特性，在一些高频应用中可能具有更好的信号传输性能。SiP封装由于集成了多个芯片，信号传输的路径更为复杂，需要在封装基板上采取更多的信号完整性保障措施，如采用低介电常数的材料、优化布线等，以确保信号在不同芯片之间的高速稳定传输。DIP封装由于其较大的引脚间距和相对简单的结构