pp电子大多数80、90后应该都知道小霸王学习机，那是属于那一代孩子们童年的记忆。小的时候不像现在有ipad，打游戏只需要下载一个app，而是需要买一张游戏卡插到爸妈买来“学习”的小霸王上，开始了如痴如醉的拯救世界之旅（bushi)。

　　而每当游戏卡带机器读不出来的时候，小伙伴总会教我把卡拆开，然后就看到里面的绿色小板子。用橡皮擦一下金属的部分，再接到机器上就能使用了。年少的我总是好奇，这么一块简单的绿色的板子，上面除了一块黑黑的像屎一样的玩意儿，啥也没有呀。这个黑色的东西究竟有什么样的魔法，凭啥他就能让我玩到超级玛丽、双截龙这样的游戏？不知道这个问题曾经困扰过多少个小霸王少年。

　　后来在家里捣鼓各种电子设备的时候，才发现，好像很多东西里面都有这么一个“小黑块”，遥控器、万用表、收音机上面好像都是这么个玩意儿。这让我非常的费解。后来念大学之后，学了电子电气专业，开始接触到更多的小黑块。开始使用各种逻辑芯片，74xx系列以及各种运放芯片等，这个时候小黑块已经不是圆圆的了，而是下面所示的这样。

　　其实不管是小时候的小霸王、遥控器也好，还是现在的黑方块也好，都是各种各样的半导体芯片。你可能会问，芯片不都是沙子做的吗？怎么长得像是塑料做的？上面的一个个引脚又是怎么做上去的？黑色的盒子里面又是什么样子的？为什么会有形形的“黑盒子”，他们有什么不同，这就是今天要聊到的话题——封装（Packaging)。

　　在经过芯片设计工程师的设计，并交给晶圆厂加工生产之后，我们看到的就是如下图所示的芯片晶圆。五颜六色亮晶晶的，非常好看。

　　可能你会问，我们看到的芯片不是黑乎乎的一块一块的吗？怎么会是上图一样的，别急，我们把芯片剖开来看看。

　　这是一个芯片的剖面图。晶圆芯片就安安静静地躺在芯片中间的绿色的区域（IC Chip)，然后通过四周一根根的细线连接到外部的框架上（Framework），整体通过黑色的环氧树脂（epoxy）包裹起来。之所以这么做，是为了保护脆弱的芯片免受外部的潮湿、震动等的影响，并且方便用户将引脚焊接到PCB上，从而实现电气互联。这里再给一张功率芯片TO220封装的剖面图，可以看到也是类似的方式。

　　那么，芯片是如何从一个个住进了芯片的黑盒子，又被包裹起来的呢，别着急，不妨往下看。

　　由于芯片很脆弱，就需要找一个坚固的靠山，很多封装中，芯片框架（framework）就承担了靠山这样的角色。如下图所示便是一个框架的栗子。

　　放置的过程需要先使用点胶机在框架上放置胶水，然后将芯片的die放置到框架上。

　　球焊机通过定位，用超声波和热等将金线连接芯片和框架起来，我们又将这种线叫做Bonding线。如此精细的操作一系列过程如同行云流水般，要知道，这可是在芯片这么一块小小几毫米乘几毫米的地方完成，现在的机器速度一般能达到20~30次/s甚至更高，足以让人感叹人类的智慧是多么的伟大。而这一切的实现是各个学科合作发力的结果，包括计算机、控制、机械等等！

　　然后就是塑封阶段了，将环氧树脂（Epoxy)放置在装有芯片且打好bonding线的框架旁边，放入加热炉中，环氧树脂就会熔化并按照沟槽流到芯片周围并降温凝固。

　　最后再经过测试、丝印、包装等就是我们日常使用到的芯片了。那么为何又有各种各样的封装的芯片呢？早期类似于小霸王那样的小黑点芯片（我们也叫牛屎芯片），主要是出于成本的考虑，加工也非常简单，如下图所示。

　　而由于存在可靠性等等问题，现在已经很少见到了。芯片封装发展了这么多年，形形的封装数不胜数，我挑几个具有代表性的芯片封装供大家观赏，首先从比较常见的DIP封装的故事说起~

　　1964年，由美国仙童公司（Fairchild）提出DIP（Dual In-line Package）封装，又被称为双列直插式封装。做过电赛的小伙伴们肯定很喜欢这种芯片，因为他可以焊接到洞洞板上！因此其最大的好处应该就是适合在PCB板上实现穿孔焊接，操作起来比较简单吧，因此在现有半导体业中，DIP仍然占有一席之地，诸如某些BIOS芯片上就能见到它的身影。当然，DIP的缺点还是相当明显的。首先，我们都不喜欢直插的芯片，因为他会穿过PCB，引脚附近就不能走线了，其次芯片封装面积和厚度都相对较大，由此也造成了整个芯片体积的增大。它只适用于引脚数目小于100 的中小规模集成电路，对于发展迅猛的芯片领域来说，100引脚的限制是“致命”的，也正是这个原因，DIP慢慢退出了CPU封装的舞台。

　　20 世纪 80 年代以后（表面贴装时代），用引线替代针脚，并贴装到 PCB 板上，这就给电路设计带来更多的便捷性（因为芯片的安装不需要打穿孔）。而且引脚间距可以更小，以 SOP 和 QFP 为代表。QFP的引脚间距目前已从1.27 mm发展到了0.3 mm。过小的间距也会给可靠性带来问题，如果焊接过类似的芯片的同学应该知道，这种芯片得轻拿轻放，否则引脚歪掉了之后就很难掰回去了！0.3 mm已是QFP引脚间距的上限，这都限制了组装密度的提高。若要容纳更多的引脚，只有寻找更新的封装，种种迹象表明QFP封装已经走到了发展的尽头。此种类型的封装还衍生出TQFP、PQFP、TSOP，感兴趣的同学可以自行查阅~

　　而无引脚式封装（Flat No lead package）就很好地解决了芯片引脚被掰弯的问题，如下图所示。此外，这种封装还提供了多种优势，包括降低引线电感、小尺寸“接近芯片级”的占用空间、薄型和低重量。

　　对于高频或者是MEMS芯片，还会使用空心QFN封装工艺，主要是为了减少高频的介质损耗、以及减少stress对芯片工作的影响，这里不展开了。

　　QFN封装的缺点也很明显，同样无法做到更高密度的pin脚。虽然相对于DIP这种四周都有pin脚，但是芯片pin脚数量随着边长的增大仍然是线性的，无法满足IO密集型的CPU等的需求。

　　PPGA 芯片封装的Die在底部，芯片本体面向PCB，而 FC-PGA 封装的芯片本体在芯片背面，背向主板。因此可以很明显看出，FC-PGA具有更好的散热性能，因为可以直接在上面安装散热器。这种封装的缺点是，由于针脚的存在，本身更加脆弱且可靠性差。

　　为了解决可靠性问题，在原有封装方式的基础上，又增添了新的方式——球栅阵列封装，简称BGA（Ball Grid Array Package）。目前，BGA封装技术已经在GPU（图形处理芯片）、主板芯片组等大规模集成电路的封装领域得到了广泛的应用。比如我们用的手机这种寸土寸金的设备中，绝大多数芯片都是BGA封装，这也使得电子爱好者维修变得更加困难，因为焊点都在芯片的下面，除非用X光扫描，否则是否焊接好根本无从得知。

　　（3）管脚水平面同一性较QFP容易保证，因为焊锡球在溶化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。

　　（4）回流焊时，焊点之间的张力产生良好的自对中效果，允许有50%的贴片精度误差。

　　（5）有较好的电特性，由于引线短，导线的自感和导线间的互感很低，频率特性好。

　　（6）能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容，原有的丝印机、贴片机和回流焊设备都可使用。

　　BGA的兴起和发展尽管解决了QFP面临的困难，但它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、更高可靠性对电路组件的要求，也不能满足硅集成技术发展对进一步提高封装效率和进一步接近芯片本征传输速率的要求，所以更新的封装CSP（Chip Size Package，芯片尺寸封装）又出现了，它的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大。日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于80%。CSP与BGA结构基本一样，只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了，这样在相同封装尺寸时可有更多的 I/O 数，使组装密度进一步提高，可以说CSP是缩小了的BGA。

　　以上内容还只是开胃菜，仅仅讲到了下图所示的各种封装的一小部分。真正牛逼的封装是各种立体的封装形式，如同搭积木一样，在芯片这座房子里搭起了自己的一片天地，而这就是下一期的内容了，等我更新吧！

　　从“裸片”到产品，经历了种种步骤才变成我们工作学习中使用的芯片。而在封装发展几十年，诞生了无数形形的封装形态，其诞生都是为了做到更小的形态。更小的封装一方面可以实现更高的频率和带宽，另一方面也使得电子产品小型化称为可能。

　　我国目前的封装技术虽然能够满足基本的封装需求，但在更高级的3D封装、堆叠封装仍然和国外有比较大的差距，很多设备仍然需要进口，存在被卡脖子的可能。所以诸君，一起努力吧！