适用于便携式应用的高级逻辑封装解决方案

    随着新一代便携式电子设备不断朝着尺寸更小的方向发展，许多制造商都针对其逻辑需求提出了高级封装解决方案的要求。有人指出，由于支持功能已经包含在了核心处理器中，因此可能不再需要了，但我们仍然需要逻辑功能来提供接口功能，并将数据传输到相应的设备上。由于大部分板级空间都为核心处理器（如DSP及ASIC）所占据，因此逻辑器件应当是透明的。举例来说，新一代智能电话有时会既使用通信处理器又使用应用平台处理器，它们占据了板级空间的大部分。上述设计中的逻辑支持功能应当尽可能高效地节约空间占用，某些情况下最大只能占用板级空间的 5%。目前，许多逻辑供应商正在推出新一代封装选项，其可大大节约 PCB 的占用空间。
    以今天的标准来看，目前许多制造商正在设计的逻辑功能已经做到了小尺寸封装。SC－70 是单门小逻辑技术广泛采用的一种封装，此类封装占用的面积仅为4.20 mm2。由于其尺寸较小、生产方便、可靠性高，因而对当前的许多设计而言都是相当理想的，但新一代设计将
    要求以更小的尺寸实现相同的质量。业界通常的说法都认为，在将逻辑设备移植到更小尺寸的过程中，制造方便性、测试方便性、可靠性乃至价格都是此消彼长的关系。逻辑器件供应商可以较小的占地面积满足各种比特宽度产品的封装要求，其中涵盖了从单门到 32 位的器件。同时，他们还可提供各方面性能都始终如一的新一代封装，并将其作为逻辑封装的业界标准。上述高级封装选项包括球栅阵列 （BGA）、无引线四方扁平封装 （QFN） 以及芯片级封装（WCSP）。
    BGA（球栅阵列）
    向低截面球栅阵列封装 （LFBGA） 以及超微细球栅阵列 （VFBGA） 封装进行的移植在一定程度上已经开始。数家制造商已经欣然接受了这种封装作为业界标准。许多设计人员都认为芯片尺寸 BGA 封装在降低成本和缩小尺寸方面是非常理想的解决方案。与基于引线框架的封装相比，上述封装显著节约了板上面积，同时又不会显著增加系统级成本。
    96与114球栅LFBGA封装是一种单芯片、而非双芯片的解决方案。设计人员不必在两个16位逻辑功能中进行设计，而可以充分利用LFBGA封装的单个 32 位逻辑功能（见图1）。该封装球栅距离仅为0.8mm，不仅便于路由，而且与 TSSOP 封装相比也改善了散热与电气性能。较之于TSSOP，LFBGA在散热方面的效率高出50%，在电感方面减少了48%。数家逻辑供应商在20世纪90年代推出该封装时就替代供应 （alternate source） 方面达成了一致，这进一步推动了LFBGA的普及率。TI、Philips以及IDT等公司均同意采用相同的逻辑功能与封装引脚方案。这就在LFBGA封装中实现了真正的逻辑替代供应，并为客户提供了多种渠道以满足其生产需要。
    2000年，超微细球栅阵列 （VFBGA） 封装也具备了逻辑功能，从而填补了小型封装在16位与18位逻辑功能上的空白。当时，采用较大型SSOP与TSSOP封装的逻辑器件是针对便携式应用而精心设计的，这就占据了核心处理器等更关键功能所需的板级空间。随着“智能”应用嵌入到设计中，要求相似空间、较小外形尺寸的大比特逻辑功能而言越来越难以实施。VFBGA封装占用的面积仅为31.5mm2，与TSSOP所占用空间相比，节省达 70% 至75%，保持在108mm2，从而有助于实现所需的面积。与LFBGA类似，VFBGA封装较TSSOP封装也实现了更佳的电器和散热性能，成为当前业界标准封装的更好的替代。
    无引线四方扁平封装 （QFN）
    在逻辑空间方面，最新推出的封装方式为QFN封装。pcb抄板许多逻辑供应商以20、16与14引脚的QFN封装来提供其门与八进制位宽逻辑功能，因为这种封装与TSSOP相比，在相同的比特宽度上存在着诸多优势。
    就便携式设备而言，QFN 封装属最佳选择。首先，QFN 能够显著节约空间。20 引脚QFN 封装占用的面积仅为 15.75 mm2，其比 20 引脚的 TSSOP 封装相比节约达 62%。QFN在四侧均可提供外围终端板 （terminal pad），并在器件中心具有外露的芯片焊盘，从而改善了机械与散热性能。根据设计，该封装还可允许顶端与底部引脚在封装下路由其信号，从而支持涌流 （Flow-through） 架构（见图2）。此外，QFN还具备传统的外引脚，可从较早的逻辑封装（如TSSOP、SOIC及PDIP等）实现无缝转移。该封装高度为1.00mm，能满足一系列最严格的便携式应用高度要求。显然，仅有尺寸上的优势还不足以成为转而采用全新封装的理由。
    推出新型封装时，还需将替换源、可靠性、制造方便性以及技术服务等其他因素纳入考虑范围。2001年，逻辑供应商开始推出采用QFN封装的器件，当时许多人都对替换源的共识与新发布 QFN 封装的差异提出了顾虑。一些供应商采用了较小型的 DQFN 封装，而其他供应商则决定采用较大型的封装形式，从而可在先进的封装中提供成熟的逻辑器件。例如，TI 为了在较小型封装中支持成熟、先进的逻辑技术就选择了后者。
    芯片级封装 （WCSP）
    WCSP 的面积仅为1.26mm2，而焊球间距仅为 0.5 mm，属目前逻辑器件领域最小型的封装。我们不妨举一个例子来说明它到底有多小，看看美国分币上印制的年份，该封装基本与其中的一个数字大小相同（见图3）。
    WCSP 封装与 BGA 封装的构造相似，也以焊球代替传统的引线框架引脚。由于其尺寸极小，因此外露芯片就作为最终的封装。这也说明了为什么WCSP也称为DSBGA（芯片尺寸球栅阵列）。WCSP 支持Little Logic产品所常见的5、6及 8 引脚封装，包括单、双以及三门功能。
    过去十年来，SC-70与 US-8常采用Little Logic封装。随着WCSP封装技术的推出，就其制造方便性、可靠性和测试方便性提出了许多问题。供应商与目前的用户在每个领域都进行了广泛的研究。制造商往往会发现，WCSP 封装可用目前的大规模生产设备安装在板上，这使 OEM 厂商毋需投入额外的生产成本即能利用该封装实现板级空间的节约。一旦安装在板上，焊球的理想替代就是器件外围。这也方便了探测触点对设备级测试的访问。
    由于用户使用便携式消费类电子产品造成的恶劣条件，因而可靠性对制造商而言是至关重要的。对 TI 的 WCSP 封装 NanoSTar? 的内部可靠性测试证实，该封装可满足便携式应用的严格条件。板级可靠性 （BLR） 数据显示，NanoStar 封装在 -40 到 125℃ 之间经过了1,286个周期，在0 到 100℃之间则达到了 1,900个周期的标准。