顯卡芯片封裝技術(shù)圖解分析

顯卡芯片封裝技術(shù)圖解分析

?作為PC的重要組成部分之一，圖形加速卡早已超過CPU，成為PC部件中晶體管數(shù)量最多、集成度最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部分。所以圖形加速卡技術(shù)也成為眾多DIYer們關(guān)注的焦點。本文將為入門級玩家簡要介紹一下圖形加速卡的封裝技術(shù)，從而使您更加深入的了解圖形加速芯片。

??????談到封裝，就要從芯片的生產(chǎn)過程說起，當(dāng)技術(shù)人員成功設(shè)計出一款芯片后，會將設(shè)計的電路描繪在圖紙上，然后通過光蝕刻工藝在一整塊單晶硅切片上按照設(shè)計的面積蝕刻出一個個方形硅芯片，但是這個硅芯片既沒有保護(hù)殼層又沒有聯(lián)接電路，顯然無法直接安裝在顯卡上，這就需要封裝這個關(guān)鍵的技術(shù)。

??????所謂封裝是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，通過芯片上的接點用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件相連接。

封裝的作用主要有以下幾種：

??????首先，封裝有效的保護(hù)了硅芯片。一般來說，封裝時要在硅芯片外面包裹一層致密的保護(hù)膜，從而隔絕灰塵和空氣中的水、氧氣、二氧化碳等腐蝕性物質(zhì)，大大提高了硅芯片的使用壽命。通過封裝還可以為硅芯片穿上一層裝甲，從而防止芯片上細(xì)小的電路被劃斷。

??????其次，封裝可以起到固定芯片、連接引線的作用。由于硅芯片表面積很小，所以很難通過常規(guī)焊接方式連出大量引線，但通過封裝，可以很方便的將芯片和引線固定在一起。

??????另外，封裝還可以增強(qiáng)芯片的導(dǎo)熱性能。由于硅芯片面積很小，同時發(fā)熱量卻很大，這對散熱設(shè)備是一個極大的考驗，通過封裝可以一定程度上增大芯片的表面積，從而有利于芯片的散熱。

??????圖形加速卡芯片的封裝技術(shù)一直在不斷前進(jìn)，由于圖形加速芯片是焊接在顯卡PCB上的，所以其封裝特點與同時代的主板芯片組有著很大程度的相似之處。圖形加速芯片的封裝方式大致可以劃分為三個時代：PQFP時代、BGA時代、FC-BGA時代，隨著封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形加速卡的運行頻率、顯存帶寬、集成度、功耗等也逐漸升高。下面我們就一同了解一下圖形加速卡芯片封裝形式的衍變吧。

·PQFP（Plastic Quad Flat Package）塑料方型扁平式封裝

?? 作為PC中集成度較高的芯片之一，圖形加速卡芯片很早之前就進(jìn)入了PQFP時代，而且這種封裝形式非常成熟，一直使用到1998年為止，持續(xù)時間接近10年。

采用PQFP封裝的S3 375圖形芯片

nVIDIA第一代3D芯片NV1，采用204針PQFP封裝

ATI的Rage Pro芯片同樣采用204針PQFP封裝

?????? PQFP封裝的芯片的四周均有引腳，其引腳總數(shù)一般都在100以上，而且引腳之間距離很小，管腳也很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路采用這種封裝形式。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝設(shè)備技術(shù)）將芯片邊上的引腳與主板焊接起來。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設(shè)計好的相應(yīng)管腳的焊點。將芯片各腳對準(zhǔn)相應(yīng)的焊點，即可實現(xiàn)與主板的焊接。PQFP封裝適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線，適合高頻使用，它具有操作方便、可靠性高、工藝成熟、價格低廉等優(yōu)點。

最后一代采用PQFP封裝的SIS 6326圖形芯片

?????? 但是，PQFP封裝的缺點也很明顯，由于芯片邊長有限，使得PQFP封裝方式的引腳數(shù)量無法增加，從而限制了圖形加速芯片的發(fā)展。平行針腳也是阻礙PQFP封裝繼續(xù)發(fā)展的絆腳石，由于平行針腳在傳輸高頻信號時會產(chǎn)生一定的電容，進(jìn)而產(chǎn)生高頻的噪聲信號，再加上長長的針腳很容易吸收這種干擾噪音，就如同收音機(jī)的天線一樣，幾百根“天線”之間互相干擾，使得PQFP封裝的芯片很難工作在較高頻率下。此外，PQFP封裝的芯片面積/封裝面積比過小，也限制了PQFP封裝的發(fā)展。90年代后期，隨著BGA技術(shù)的不斷成熟，PQFP終于被市場淘汰。

·BGA（Ball Grid Array）球狀矩陣排列封裝

?????? 當(dāng)看到PQFP封裝的種種不足之后，工程師們開始著手對PQFP封裝進(jìn)行改進(jìn)，將長長的針狀引腳改為觸點，并且將觸點排放在了芯片的底部，通過球型焊錫與PCB連接，這就是我們常見的BGA球狀矩陣排列封裝。

采用BGA封裝的Riva 128圖形芯片

早期采用BGA封裝的Intel I740圖形芯片?

?????? BGA封裝有以下特點：1.輸入輸出引腳數(shù)大大增加，而且引腳間距遠(yuǎn)大于QFP，加上它有與電路圖形的自動對準(zhǔn)功能，從而提高了組裝成品率；2.雖然它的功耗增加，但能用可控塌陷芯片法焊接，它的電熱性能從而得到了改善，對于集成度很高和功耗很大的芯片，采用陶瓷基板，并在外殼上安裝微型排風(fēng)扇散熱，從而可達(dá)到電路的穩(wěn)定可靠工作；3.封裝本體厚度比普通QFP減少1/2以上，重量減輕3/4以上；4.寄生參數(shù)減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高;5.組裝可用共面焊接，可靠性高。

經(jīng)典產(chǎn)品Geforce 2 GTS同樣采用BGA封裝

?????? 但是BGA封裝也并非完美，BGA封裝仍與QFP、PGA一樣，占用基板面積過大；塑料BGA封裝的翹曲問題是其主要缺陷，即錫球的共面性問題。共面性的標(biāo)準(zhǔn)是為了減小翹曲，提高BGA封裝的特性，應(yīng)研究塑料、粘片膠和基板材料，并使這些材料最佳化。同時由于基板的成本高，而使其價格很高。

揭下BGA封裝芯片后的PCB

BGA封裝后芯片的背面

??????? 在圖形加速卡芯片行業(yè)，從1998年經(jīng)典的nVIDIA Riva 128和ATi Rage Pro開始就使用了BGA封裝方式，此后BGA封裝成了圖形加速卡芯片的唯一選擇，直到Geforce FX系列產(chǎn)品，才開始改用FC-BGA封裝方式。

采用Wirebond封裝的Geforce 5200U芯片

?????? 這里值得一提的是，隨著3D圖形加速芯片的發(fā)熱量逐漸增大，BGA的散熱難問題越發(fā)嚴(yán)重，這時很多廠家都針對這點對BGA封裝進(jìn)行改進(jìn)，在BGA封裝的頂部加裝了一塊輔助散熱用的金屬頂蓋，從而延長了BGA封裝的生命周期，這就是Wirebond封裝。

·FC-BGA（flip-chip ball grid array）翻轉(zhuǎn)芯片球引出端陣列封裝

?? FC-BGA（Flip Chip Ball Grid Array）這種被稱為倒裝芯片球柵格陣列的封裝格式，也是目前圖形加速芯片最主要的封裝格式。這種封裝技術(shù)始于1960年代，當(dāng)時IBM為了大型計算機(jī)的組裝，而開發(fā)出了所謂的C4(Controlled Collapse Chip Connection)技術(shù)，隨后進(jìn)一步發(fā)展成可以利用熔融凸塊的表面張力來支撐芯片的重量及控制凸塊的高度，并成為倒裝技術(shù)的發(fā)展方向。

FC-BGA封裝示意圖

采用FC-BGA封裝的Geforce 6800U圖形芯片

??????? FC-BGA的優(yōu)勢在什么地方呢？首先，它解決了電磁兼容(EMC)與電磁干擾(EMI)問題。一般而言，采用BGA封裝技術(shù)的芯片，其信號傳遞是透過具有一定長度的金屬線來進(jìn)行，這種方法在高頻的情況下，會產(chǎn)生所謂的阻抗效應(yīng)，形成信號行進(jìn)路線上的一個障礙；但FC-BGA用小球代替原先采用的針腳來連接處理器，這種封裝共使用了479個球，但直徑均為0.78毫米，能提供最短的對外連接距離。采用這一封裝不僅提供優(yōu)異的電性效能，同時可以減少組件互連間的損耗及電感，降低電磁干擾的問題，并承受較高的頻率，突破超頻極限就變成了可能。

目前最設(shè)計最復(fù)雜、運行速度最快的Geforce 7900 GTX同樣采用FC-BGA封裝

??????? 其次，當(dāng)顯示芯片的設(shè)計人員在相同的硅晶區(qū)域中嵌入越來越密集的電路時，輸入輸出端子與針腳的數(shù)量就會迅速增加，而FC-BGA的另一項優(yōu)勢是可提高I/O的密度。一般而言，采用WireBond技術(shù)的I/O引線都是排列在芯片的四周，但采用FC-BGA封裝以后，I/O引線可以以陣列的方式排列在芯片的表面，提供更高密度的I/O布局，產(chǎn)生最佳的使用效率，也因為這項優(yōu)勢，倒裝技術(shù)相較于傳統(tǒng)封裝形式面積縮小30%至60%。

??????? 最后，在新一代的高速、高整合度的顯示芯片中，散熱問題將是一大挑戰(zhàn)?；贔C-BGA 獨特的倒裝封裝形式，芯片的背面可接觸到空氣，能直接散熱。同時基板亦可透過金屬層來提高散熱效率，或在芯片背部加裝金屬散熱片，更進(jìn)一步強(qiáng)化芯片散熱的能力，大幅提高芯片在高速運行時的穩(wěn)定性。

?????? 由于FC-BGA封裝的種種優(yōu)點，目前幾乎所有圖形加速卡芯片都是用了FC-BGA封裝方式。