封裝,即隱藏對(duì)象的屬性和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),僅對(duì)外公開(kāi)接口,控制在程序中屬性的讀和修改的訪問(wèn)級(jí)別;將抽象得到的數(shù)據(jù)和行為(或功能)相結(jié)合,形成一個(gè)有機(jī)的整體,也就是將數(shù)據(jù)與操作數(shù)據(jù)的源代碼進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合,形成“類(lèi)”,其中數(shù)據(jù)和函數(shù)都是類(lèi)的成員。在電子方面,封裝是指把硅片上的電路管腳,用導(dǎo)線接引到外部接頭處,以便與其它器件連接。
在面向?qū)ο缶幊讨校庋b(encapsulation)是將對(duì)象運(yùn)行所需的資源封裝在程序?qū)ο笾?mdash;—基本上,是方法和數(shù)據(jù)。對(duì)象是“公布其接口”。其他附加到這些接口上的對(duì)象不需要關(guān)心對(duì)象實(shí)現(xiàn)的方法即可使用這個(gè)對(duì)象。這個(gè)概念就是“不要告訴我你是怎么做的,只要做就可以了。”對(duì)象可以看作是一個(gè)自我包含的原子。對(duì)象接口包括了公共的方法和初始化數(shù)據(jù)。
分封裝如何制成
目前常見(jiàn)的封裝有兩種,一種是電動(dòng)玩具內(nèi)常見(jiàn)的,黑色長(zhǎng)得像蜈蚣的 DIP 封裝,另一為購(gòu)買(mǎi)盒裝 CPU 時(shí)常見(jiàn)的 BGA 封裝。至于其他的封裝法,還有早期 CPU 使用的 PGA(Pin Grid Array;Pin Grid Array)或是 DIP 的改良版 QFP(塑料方形扁平封裝)等。因?yàn)橛刑喾N封裝法,以下將對(duì) DIP 以及 BGA 封裝做介紹。
首先要介紹的是雙排直立式封裝(Dual Inline Package;DIP),從下圖可以看到采用此封裝的 IC芯片在雙排接腳下,看起來(lái)會(huì)像條黑色蜈蚣,讓人印象深刻,此封裝法為最早采用的 IC 封裝 技術(shù),具有成本低廉的優(yōu)勢(shì),適合小型且不需接太多線的芯片。但是,因?yàn)榇蠖嗖捎玫氖撬芰希嵝Ч^差,無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)行高速芯片的要求。因此,使用此封裝的,大多是歷久不衰的芯片,如下圖中的 OP741,或是對(duì)運(yùn)作速度沒(méi)那么要求且芯片較小、接孔較少的 IC 芯片。
左圖的 IC 芯片為 OP741,是常見(jiàn)的電壓放大器。右圖為它的剖面圖,這個(gè)封裝是以金線將芯片接到金屬接腳(Leadframe)。(Source :左圖 Wikipedia、右圖 Wikipedia)
至于球格陣列(Ball Grid Array,BGA)封裝,和 DIP 相比封裝體積較小,可輕易的放入體積較小的裝置中。此外,因?yàn)榻幽_位在芯片下方,和 DIP 相比,可容納更多的金屬接腳。
相當(dāng)適合需要較多接點(diǎn)的芯片。然而,采用這種封裝法成本較高且連接的方法較復(fù)雜,因此大多用在高單價(jià)的產(chǎn)品上。
左圖為采用 BGA 封裝的芯片。右圖為使用覆晶封裝的 BGA 示意圖。(Source: 左圖 Wikipedia)行動(dòng)裝置興起,新技術(shù)躍上舞臺(tái)
然而,使用以上這些封裝法,會(huì)耗費(fèi)掉相當(dāng)大的體積。像現(xiàn)在的行動(dòng)裝置、穿戴裝置等,需要相當(dāng)多種元件,如果各個(gè)元件都獨(dú)立封裝,組合起來(lái)將耗費(fèi)非常大的空間,因此目前有兩種方法,可滿(mǎn)足縮小體積的要求,分別為 SoC(System On Chip)以及 SiP(System In Packet)。
在智慧型手機(jī)剛興起時(shí),在各大財(cái)經(jīng)雜誌上皆可發(fā)現(xiàn) SoC 這個(gè)名詞,然而 SoC 究竟是什么東西?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是將原本不同功能的 IC,整合在一顆芯片中。藉由這個(gè)方法,不單可以縮小體積,還可以縮小不同 IC 間的距離,提升芯片的計(jì)算速度。至于制作方法,便是在 IC 設(shè)計(jì)階段時(shí),將各個(gè)不同的 IC 放在一起,再透過(guò)先前介紹的設(shè)計(jì)流程,制作成一張光罩。
然而,SoC 并非只有優(yōu)點(diǎn),要設(shè)計(jì)一顆 SoC 需要相當(dāng)多的技術(shù)配合。IC 芯片各自封裝時(shí),各有封裝外部保護(hù),且 IC 與 IC 間的距離較遠(yuǎn),比較不會(huì)發(fā)生交互干擾的情形。但是,當(dāng)將所有 IC 都包裝在一起時(shí),就是噩夢(mèng)的開(kāi)始。IC 設(shè)計(jì)廠要從原先的單純?cè)O(shè)計(jì) IC,變成了解并整合各個(gè)功能的 IC,增加工程師的工作量。此外,也會(huì)遇到很多的狀況,像是通訊芯片的高頻訊號(hào)可能會(huì)影響其他功能的 IC 等情形。
此外,SoC 還需要獲得其他廠商的 IP(intellectual property)授權(quán),才能將別人設(shè)計(jì)好的元件放到 SoC 中。因?yàn)橹谱?SoC 需要獲得整顆 IC 的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),才能做成完整的光罩,這同時(shí)也增加了 SoC 的設(shè)計(jì)成本?;蛟S會(huì)有人質(zhì)疑何不自己設(shè)計(jì)一顆就好了呢?因?yàn)樵O(shè)計(jì)各種 IC 需要大量和該 IC 相關(guān)的知識(shí),只有像 Apple 這樣多金的企業(yè),才有預(yù)算能從各知名企業(yè)挖角頂尖工程師,以設(shè)計(jì)一顆全新的 IC,透過(guò)合作授權(quán)還是比自行研發(fā)劃算多了。
折衷方案,SiP 現(xiàn)身
作為替代方案,SiP 躍上整合芯片的舞臺(tái)。和 SoC 不同,它是購(gòu)買(mǎi)各家的 IC,在最后一次封裝這些 IC,如此便少了 IP 授權(quán)這一步,大幅減少設(shè)計(jì)成本。此外,因?yàn)樗鼈兪歉髯元?dú)立的 IC,彼此的干擾程度大幅下降。
Apple Watch 采用 SiP 技術(shù)將整個(gè)電腦架構(gòu)封裝成一顆芯片,不單滿(mǎn)足期望的效能還縮小體積,讓手錶有更多的空間放電池。(Source:Apple 官網(wǎng))
采用 SiP 技術(shù)的產(chǎn)品,最著名的非 Apple Watch 莫屬。因?yàn)?Watch 的內(nèi)部空間太小,它無(wú)法采用傳統(tǒng)的技術(shù),SoC 的設(shè)計(jì)成本又太高,SiP 成了首要之選。藉由 SiP 技術(shù),不單可縮小體積,還可拉近各個(gè) IC 間的距離,成為可行的折衷方案。下圖便是 Apple Watch 芯片的結(jié)構(gòu)圖,可以看到相當(dāng)多的 IC 包含在其中。
Apple Watch 中采用 SiP 封裝的 S1 芯片內(nèi)部配置圖。(Source:chipworks)
完成封裝后,便要進(jìn)入測(cè)試的階段,在這個(gè)階段便要確認(rèn)封裝完的 IC 是否有正常的運(yùn)作,正確無(wú)誤之后便可出貨給組裝廠,做成我們所見(jiàn)的電子產(chǎn)品。至此,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)便完成了整個(gè)生產(chǎn)的任務(wù)。
其他封裝
標(biāo)準(zhǔn)封裝規(guī)格TO封裝
TO(Transistor Out-line)的中文意思是“晶體管外形”。這是早期的封裝規(guī)格,例如TO-92,TO-92L,TO-220,TO-252等等都是插入式封裝設(shè)計(jì)。近年來(lái)表面貼裝市場(chǎng)需求量增大,TO封裝也進(jìn)展到表面貼裝式封裝。
TO252和TO263就是表面貼裝封裝。其中TO-252又稱(chēng)之為D-PAK,TO-263又稱(chēng)之為D2PAK。
D-PAK封裝的MOSFET有3個(gè)電極,柵極(G)、漏極(D)、源極(S)。其中漏極(D)的引腳被剪斷不用,而是使用背面的散熱板作漏極(D),直接焊接在PCB上,一方面用于輸出大電流,一方面通過(guò)PCB散熱。所以PCB的D-PAK焊盤(pán)有三處,漏極(D)焊盤(pán)較大。
封裝TO-252引腳圖
芯片封裝流行的還是雙列直插封裝,簡(jiǎn)稱(chēng)DIP(Dual ln-line Package)。DIP封裝在當(dāng)時(shí)具有適合PCB(印刷電路板)的穿孔安裝,具有比TO型封裝易于對(duì)PCB布線以及操作較為方便等一些特點(diǎn),其封裝的結(jié)構(gòu)形式也很多,包括多層陶瓷雙列直插式DIP,單層陶瓷雙列直插式DIP,引線框架式DIP等等。常用于功率晶體管、穩(wěn)壓芯片的封裝。
SOT封裝
SOT(Small Out-Line Transistor)小外形晶體管封裝。這種封裝就是貼片型小功率晶體管封裝,比TO封裝體積小,一般用于小功率MOSFET。常見(jiàn)的規(guī)格如上。
主板上常用四端引腳的SOT-89 MOSFET。
SOP封裝
SOP(Small Out-Line Package)的中文意思是“小外形封裝”。SOP是表面貼裝型封裝之一,引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀(L 字形)。材料有塑料和陶瓷兩種。SOP也叫SOL 和DFP。SOP封裝標(biāo)準(zhǔn)有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等等,SOP后面的數(shù)字表示引腳數(shù)。MOSFET的SOP封裝多數(shù)采用SOP-8規(guī)格,業(yè)界往往把“P”省略,叫SO(Small Out-Line )。
SO-8采用塑料封裝,沒(méi)有散熱底板,散熱不良,一般用于小功率MOSFET。
SO-8是PHILIP公司首先開(kāi)發(fā)的,以后逐漸派生出TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、SSOP(縮小型SOP)、TSSOP(薄的縮小型SOP)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。
這些派生的幾種封裝規(guī)格中,TSOP和TSSOP常用于MOSFET封裝。
QFN(Quad Flat Non-leaded package)是表面貼裝型封裝之一,中文叫做四邊無(wú)引線扁平封裝,是一種焊盤(pán)尺寸小、體積小、以塑料作為密封材料的新興表面貼裝芯片封裝技術(shù)?,F(xiàn)在多稱(chēng)為L(zhǎng)CC。QFN是日本電子機(jī)械工業(yè)會(huì)規(guī)定的名稱(chēng)。封裝四邊配置有電極接點(diǎn),由于無(wú)引線,貼裝占有面積比QFP小,高度比QFP低。這種封裝也稱(chēng)為L(zhǎng)CC、PCLC、P-LCC等。QFN本來(lái)用于集成電路的封裝,MOSFET不會(huì)采用的。Intel提出的整合驅(qū)動(dòng)與MOSFET的DrMOS采用QFN-56封裝,56是指在芯片背面有56個(gè)連接Pin。
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