方寸知识篇 - 数字集成电路（一）- 封装

       集成电路封装对元器件的工作和性能起着非常重要的作用。除了提供信号以及电源线进出硅芯片的界面之外，它还能起到散热的作用并为芯片提供机械支持。除此之外，封装可以保护芯片内部电路，使集成电路免于外界环境的干扰。

       封装技术对芯片的性能和功耗也有着很重要的影响。现在芯片的延时有50%以上来自于封装的影响，并且这一数字还会持续上升。近年来已经加快了对具有较少寄生电感和电容的高性能封装的开发。在单个芯片上能集成的电路复杂性的增加意味着需要更多的IO引线，因片外引线数与片内电路复杂成都呈正相关。

       IBM公司的E.Rent首先注意了这个问题并总结了一个经验公式，称之为Rent定律：P=K·G^β。

       K是每个门IO的平均数目，G是门的数量，β是Rent指数，P是片内IO引线储量。β在0.1-0.7之间，这个值很大程度取决于该芯片的应用领域、体系结构和组织方式，如下表所示:

       集成电路每年的引线数目增加量在10%左右，传统的双列直插和穿孔封装已经被其他方法所代替。如BGA、多芯片模块技术等。

       所以，一个好的封装必须满足下列要求:

1. 电气要求：引线应当具有低电容（线间和对衬底的）、低电阻和低电感。应当调整大的特征阻抗以优化传输线特性。注意集成电路本身的阻抗较高。
2. 机械特性和热特性：散热率应当越高越好。机械可靠性要求在芯片载体与芯片封装的热特性之间有很好的匹配。长期可靠性要求芯片与封装以及封装与电路板之间的机械性能。
3. 低成本：成本是任何项目都要考虑的比较重要的因素之一。例如：虽然陶瓷比塑料封装的性能好，但他们也昂贵得多。提高封装的散热性能也往往会增加其成本。最便宜的塑料封装散热效率不高，更高的散热要求需要较贵的陶瓷封装。芯片散热超过20w以上的需要散热片、风扇、散热管甚至冷却液。

       以上讨论，我们可以看到，随着集成电路功耗的增加，芯片散热地问题日益凸显。集成电路失效地大部分因素都是因为高低温。为了防止失效，芯片的温度必须保持在一定范围内。民用器件0-70℃，军工产品-55-125℃。

       封装的冷却效率取决于封装材料的导热性、封装的结构以及封装和冷却介质之间热传导的效率。标准的封装方法是采用静态或循环空气作为冷却介质。在封装上增加散热片等方法都可以提高散热效率。