显卡芯片封装技术图解分析

显卡芯片封装技术图解分析

 作为PC的重要组成部分之一，图形加速卡早已超过CPU，成为PC部件中晶体管数量最多、集成度最高、结构最复杂的部分。所以图形加速卡技术也成为众多DIYer们关注的焦点。本文将为入门级玩家简要介绍一下图形加速卡的封装技术，从而使您更加深入的了解图形加速芯片。

      谈到封装，就要从芯片的生产过程说起，当技术人员成功设计出一款芯片后，会将设计的电路描绘在图纸上，然后通过光蚀刻工艺在一整块单晶硅切片上按照设计的面积蚀刻出一个个方形硅芯片，但是这个硅芯片既没有保护壳层又没有联接电路，显然无法直接安装在显卡上，这就需要封装这个关键的技术。

      所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接。

封装的作用主要有以下几种：

      首先，封装有效的保护了硅芯片。一般来说，封装时要在硅芯片外面包裹一层致密的保护膜，从而隔绝灰尘和空气中的水、氧气、二氧化碳等腐蚀性物质，大大提高了硅芯片的使用寿命。通过封装还可以为硅芯片穿上一层装甲，从而防止芯片上细小的电路被划断。

      其次，封装可以起到固定芯片、连接引线的作用。由于硅芯片表面积很小，所以很难通过常规焊接方式连出大量引线，但通过封装，可以很方便的将芯片和引线固定在一起。

      另外，封装还可以增强芯片的导热性能。由于硅芯片面积很小，同时发热量却很大，这对散热设备是一个极大的考验，通过封装可以一定程度上增大芯片的表面积，从而有利于芯片的散热。

      图形加速卡芯片的封装技术一直在不断前进，由于图形加速芯片是焊接在显卡PCB上的，所以其封装特点与同时代的主板芯片组有着很大程度的相似之处。图形加速芯片的封装方式大致可以划分为三个时代：PQFP时代、BGA时代、FC-BGA时代，随着封装技术的不断发展，图形加速卡的运行频率、显存带宽、集成度、功耗等也逐渐升高。下面我们就一同了解一下图形加速卡芯片封装形式的衍变吧。

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

   作为PC中集成度较高的芯片之一，图形加速卡芯片很早之前就进入了PQFP时代，而且这种封装形式非常成熟，一直使用到1998年为止，持续时间接近10年。

采用PQFP封装的S3 375图形芯片

nVIDIA第一代3D芯片NV1，采用204针PQFP封装

ATI的Rage Pro芯片同样采用204针PQFP封装

       PQFP封装的芯片的四周均有引脚，其引脚总数一般都在100以上，而且引脚之间距离很小，管脚也很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式。用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片边上的引脚与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。PQFP封装适用于SMD表面安装技术在PCB上安装布线，适合高频使用，它具有操作方便、可靠性高、工艺成熟、价格低廉等优点。

最后一代采用PQFP封装的SIS 6326图形芯片

       但是，PQFP封装的缺点也很明显，由于芯片边长有限，使得PQFP封装方式的引脚数量无法增加，从而限制了图形加速芯片的发展。平行针脚也是阻碍PQFP封装继续发展的绊脚石，由于平行针脚在传输高频信号时会产生一定的电容，进而产生高频的噪声信号，再加上长长的针脚很容易吸收这种干扰噪音，就如同收音机的天线一样，几百根“天线”之间互相干扰，使得PQFP封装的芯片很难工作在较高频率下。此外，PQFP封装的芯片面积/封装面积比过小，也限制了PQFP封装的发展。90年代后期，随着BGA技术的不断成熟，PQFP终于被市场淘汰。

·BGA（Ball Grid Array）球状矩阵排列封装

       当看到PQFP封装的种种不足之后，工程师们开始着手对PQFP封装进行改进，将长长的针状引脚改为触点，并且将触点排放在了芯片的底部，通过球型焊锡与PCB连接，这就是我们常见的BGA球状矩阵排列封装。

采用BGA封装的Riva 128图形芯片

早期采用BGA封装的Intel I740图形芯片 

       BGA封装有以下特点：1.输入输出引脚数大大增加，而且引脚间距远大于QFP，加上它有与电路图形的自动对准功能，从而提高了组装成品率；2.虽然它的功耗增加，但能用可控塌陷芯片法焊接，它的电热性能从而得到了改善，对于集成度很高和功耗很大的芯片，采用陶瓷基板，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而可达到电路的稳定可靠工作；3.封装本体厚度比普通QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上；4.寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;5.组装可用共面焊接，可靠性高。

经典产品Geforce 2 GTS同样采用BGA封装

       但是BGA封装也并非完美，BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大；塑料BGA封装的翘曲问题是其主要缺陷，即锡球的共面性问题。共面性的标准是为了减小翘曲，提高BGA封装的特性，应研究塑料、粘片胶和基板材料，并使这些材料最佳化。同时由于基板的成本高，而使其价格很高。

揭下BGA封装芯片后的PCB

BGA封装后芯片的背面

        在图形加速卡芯片行业，从1998年经典的nVIDIA Riva 128和ATi Rage Pro开始就使用了BGA封装方式，此后BGA封装成了图形加速卡芯片的唯一选择，直到Geforce FX系列产品，才开始改用FC-BGA封装方式。

采用Wirebond封装的Geforce 5200U芯片

       这里值得一提的是，随着3D图形加速芯片的发热量逐渐增大，BGA的散热难问题越发严重，这时很多厂家都针对这点对BGA封装进行改进，在BGA封装的顶部加装了一块辅助散热用的金属顶盖，从而延长了BGA封装的生命周期，这就是Wirebond封装。

·FC-BGA（flip-chip ball grid array）翻转芯片球引出端阵列封装

   FC-BGA（Flip Chip Ball Grid Array）这种被称为倒装芯片球栅格阵列的封装格式，也是目前图形加速芯片最主要的封装格式。这种封装技术始于1960年代，当时IBM为了大型计算机的组装，而开发出了所谓的C4(Controlled Collapse Chip Connection)技术，随后进一步发展成可以利用熔融凸块的表面张力来支撑芯片的重量及控制凸块的高度，并成为倒装技术的发展方向。

FC-BGA封装示意图

采用FC-BGA封装的Geforce 6800U图形芯片

        FC-BGA的优势在什么地方呢？首先，它解决了电磁兼容(EMC)与电磁干扰(EMI)问题。一般而言，采用BGA封装技术的芯片，其信号传递是透过具有一定长度的金属线来进行，这种方法在高频的情况下，会产生所谓的阻抗效应，形成信号行进路线上的一个障碍；但FC-BGA用小球代替原先采用的针脚来连接处理器，这种封装共使用了479个球，但直径均为0.78毫米，能提供最短的对外连接距离。采用这一封装不仅提供优异的电性效能，同时可以减少组件互连间的损耗及电感，降低电磁干扰的问题，并承受较高的频率，突破超频极限就变成了可能。

目前最设计最复杂、运行速度最快的Geforce 7900 GTX同样采用FC-BGA封装

        其次，当显示芯片的设计人员在相同的硅晶区域中嵌入越来越密集的电路时，输入输出端子与针脚的数量就会迅速增加，而FC-BGA的另一项优势是可提高I/O的密度。一般而言，采用WireBond技术的I/O引线都是排列在芯片的四周，但采用FC-BGA封装以后，I/O引线可以以阵列的方式排列在芯片的表面，提供更高密度的I/O布局，产生最佳的使用效率，也因为这项优势，倒装技术相较于传统封装形式面积缩小30%至60%。

        最后，在新一代的高速、高整合度的显示芯片中，散热问题将是一大挑战。基于FC-BGA 独特的倒装封装形式，芯片的背面可接触到空气，能直接散热。同时基板亦可透过金属层来提高散热效率，或在芯片背部加装金属散热片，更进一步强化芯片散热的能力，大幅提高芯片在高速运行时的稳定性。

       由于FC-BGA封装的种种优点，目前几乎所有图形加速卡芯片都是用了FC-BGA封装方式。