Chip-Verpackungen

Überblick

Kein Licht an die Vitamine

In den Chips befinden sich die Schaltkreise, die den eigentlichen Arbeitsspeicher des Moduls bilden. Diese müssen sehr gut vor unmittelbar physischem Eindringen geschützt werden, beispielsweise, dass ein Mensch sie aus Versehen mit dem Finger zerdrückt. Aber es gibt auch andere Faktoren, wie z.B. kosmische Strahlungen, die die häufigste Fehlerquelle in den Chips sind. Dabei handelt es sich um Strahlen unterschiedlichen Typs, vergleichbar mit UV-Strahlen von der Sonne, die zu Ladungswandlungen führen. Gut isolierende Gehäuse minimieren die Strahlen, die bis zu den Schaltkreisen durchdringen können.

Es soll jedoch nicht der fälschliche Eindruck entstehen, dass die Chips jeden beliebigen Druck aushalten. Wenn man mit dem Finger zu fest auf einen Chip drückt, dann nützt auch das Package nicht mehr viel. Besonders sensibel sind die neuesten BGA-Chips, die in DDR2-Modulen verwendet werden. Versuchen Sie daher – speziell beim Einbau eines Moduls – die Chips gar nicht, oder so wenig wie möglich zu belasten.

Chip-Stacking

Für Module mit sehr hohen Kapazitäten erfordert die Architektur teilweise ein Komprimieren der Schaltkreise. Da dies nicht möglich ist, werden an der Stelle, wo sonst nur ein Chip sitzt, einfach ein zweiter Chip aufgestockt. Dieses Verfahren wird Chip-Stacking genannt, weil zwei Chips aufeinander gesteckt werden. Chip Stacking geschieht entweder als „Interally Stacking“ oder als „Externally Stacking“. Internes Stacking lässt sich optisch nicht feststellen, da zwei Chips innerhalb einer einzigen Verpackung gestackt sind. Beim externen Stacking werden Verpackungen gestackt, was sich bei genauem Hinsehen auch optisch feststellen lässt.

Falls Sie einmal den Ausdruck „Sandwich“ im Zusammenhang mit Speicherchips hören, dann handelt es sich hierbei um Chip-Stacking. Diese Formulierung rührt aus den beiden Hälften, die wie zwei Toasts zu einer Einheit zusammengepappt werden.

Die Verpackungstypen

Früher eingesetzte Verpackungen waren Stecktypen wie DIP und ZIP, sowie PGA. Alle anderen hier vorgestellten Verpackungen sind sogenannte „Surface mounting“-Typen, die direkt auf der Platine integriert sind. Heute sind Verpackungen vom TSOP Type 2 am meisten verbreitet, was sich allerdings auch als ein Auslaufmodell abzeichnet. Abgelöst wird TSOP durch eine Verpackungen namens CSP, die das BGA als Übertragungsmodell nutzt und bei Rambus bereits seit Jahren verwendet wird. Wir möchten Ihnen die relevanten Verpackungstypen nun im Detail vorstellen.

Was ist DIP?

DIP steht für Dual Inline Package und war der erste DRAM, den es überhaupt gab. Er wird heute nur noch in einigen Sensoren und UVEPROMs eingesetzt, hat sonst aber keine Bedeutung mehr. Einige Bastler nutzen die Steine heute noch für Experimente, weil sie die günstigsten Chips sind, die auf dem Markt erhältlich sind. Die Gehäuseshöhe wird bei DIP in der Regel nicht spezifiziert und variiert recht stark. Im Allgemeinen liegen die Werte aber rund um 8mm, wobei es auch DIPs gibt, die lediglich 3mm hoch sind. Ihr Gewicht liegt zwischen 0,48 Gramm und 8,3 Gramm.

Sechs Klassen differenzieren die unterschiedlichen Pinzahlen

• < 10 mit 8 Pins
• 10 mit 14, 16 und 18 Pins
• 20 mit 20, 22, 24 und 28 Pins
• 30 mit 30, 32 und 36 Pins
• 40 mit 40, 42 und 48 Pins
• 60 mit 64 Pins

Als DIP das erste Mal verwendet wurde, gab es noch keine eigenen Platinen für Speicher, sondern die Chips wurden noch direkt auf dem Board eingesteckt, oder mussten eigenhändig angelötet werden. Der Platzbedarf war allerdings so gigantisch, dass etwa die Hälfte der Mainboards nur mit Arbeitsspeicher belegt war. Schon bald wurde nach einer Alternative gesucht wurde, die dann bei SIP endete.

Was ist SIP?

SIP wurde im Gegenzug dazu als Single Inline Package eingeführt. Ihren Namen gab dem SIP-Arbeitsspeicher die neuartige “Kontaktleiste”, mit der die Platine mit dem Board verbunden wurde. Davon gab es bei DIP noch zwei, eben auf jeder Seite des Chips eine Reihe. Präzise gesehen gibt es aber weder bei DIP, noch bei SIP eine echte Kontaktleiste, wie man an dem Gehäusebild schon erkennen kann. Es handelt sich dabei lediglich um eine Reihe von Kontaktpins, die durch viele einzelne Kontakte gebildet wird. Eine Kontaktleiste, wie wir sie heute verstehen, ist ein einziges Element mit elektronisch voneinander getrennten Kontaktbeschichtungen.

Auch die Anzahl der Pins in der Kontaktleiste bei SIP-Speichern wird in drei Klassen unterteilt, wobei PC für PinCount steht

• PC < 4 mit 2, 3 und 4 Pins
• 4 < PC > 10 mit 5 ,7 ,8 und 9 Pins
• PC >= 10 mit 10 und 12 Pins

Ihr Gewicht liegt zwischen 0,29 Gramm und 7,5 Gramm. Was man auf dem Bild nicht erkennen kann ist, dass es zum ersten mal seperate Platinen gab, die mit Chips bestückt wurden. Man könnte daher sagen, dass SIPs die Väter aller Speichermodule waren. Die SIP-Arbeitsspeicher wurden jedoch Opfer Ihrer Herstellkosten, die zu entsprechend hohen Marktpreisen und derart niedriegen Absätzen führten, dass die Produktion eingestellt werden musste.

Was ist PGA?

Pin Grid Array ist ein besonderer Chiptyp, der für besondere DRAMs und SRAMs relevant ist. Eine Vielzahl von Pins steht hier senkrecht von der Rückseite des Gehäuses ab. Bevor BGA eingeführt wurde, war PGA die erste Wahl für den Einsatz in PC-Prozessoren, ist aber trotzdem noch weit verbreitet. Es gibt zwei verschiedene Materialarten für PGAs, nämlich Plastik und Keramik. Heutzutage wird überwiegend Keramik als Material für die PGAs bevorzugt.

PGAs werden in fünf Klassen unterteilt

• 70 mit 72 Pins
• 80 mit 84 Pins
• 100 mit 120, 132, 175 und 176 Pins
• 200 mit 208 und 280 Pins
• 400 mit 447 Pins

Was ist SOP?

SOP ist die am weitesten verbreitete Version von sogenannten “surface mounting” Chips. Sie werden vor allem in Mikrocomputern eingesetzt, finden sich aber auch auf vielen DRAM-Speichern wieder. Die Kontakte verlaufen aus dem Chip wellen- oder flügelförmig zur Platine. Sie sind zwischen 1,44mm und 2,7mm hoch und wiegen 0,08 bis 2,1 Gramm. Im Gegensatz zu den dünneren TSOP-Packages, verlaufen die Kontakte hier immer an den Längsseiten und niemals an den Kopf- und Fußseiten.

Die Pinzahlen sind hierbei in fünf Klassen unterteilt

• < 10 mit 8 Pins
• 10 mit 14 und 16 Pins
• 20 mit 20, 24 und 28 Pins
• 30 mit 32 Pins
• 40 mit 40 und 44 Pins

Was ist TSOP?

TSOP ist der schlanke Nachfolger von SOP und wird, weil der Chip eben sehr viel dünner ist als der von den SOP-Packungen, Thin Small Outline Package genannt. TSOP-Packages wurden ursprünglich für den Einsatz in Notebooks entwickelt, um dem Platzproblem entgegenzukommen. Nach und nach hat sich die Technologie aber auch für die Standard-DRAMs durchgesetzt und wird heute auf praktisch jedem SDRAM verwendet, der nicht schon auf den Nachfolger CSP umgestiegen ist.

Anders als bei SOP-Verpackungen, gibt es für TSOPs keine Sockel, in die der Chip eingsteckt wird. TSOPs werden daher grundsätzlich direkt auf der Platine aufgelötet. Es gibt zwei unterschiedliche Typen von TSOP, Type 1 und Type 2. Der Unterschied besteht darin, dass die Kontaktpins bei Chips von Type 1 an der Kopf- und Fussseite angebracht sind. Dies können Sie auch auf der Abbildung erkennen. Bei Chips vom Type 2 sind die Kontaktpins, wie bei SOP, an den beiden Seiten angebracht.

Type 1

Diesen Typ gibt es in den drei Pin-Klassen

• 20 mit 24 und 28 Pins
• 30 mit 32 Pins
• 40 mit 40 und 48 Pins

Das Gewicht der Chips beträgt 0,21 Gramm bei den kleinsten Verpackungen (24 Pins) und 0,5 Gramm bei 48-Pin-Verpackungen. Ein TSOP-1-Gehäuse ist zwischen 0,97 und 1,05 mm hoch und verbraucht damit nur 33% – 50% des Platzes, den ein SOP-Gehäuse einnimmt.

Type 2

Weil Type 2 wesentlich verbreiteter ist als Type 1, sind hier sieben Klassen spezifiziert.

• 20 mit 26 und 28 Pins
• 30 mit 32 und 34 Pins
• 40 mit 44 und 48 Pins
• 50 mit 50 und 54 Pins
• 60 mit 66 Pins
• 70 mit 70 Pins
• 80 mit 86 Pins

TSOPs vom Type 2 sind grundsätzlich maximal 1mm hoch, allerdings wird auch die Minimalhöhe von 0,97mm, die es auch bei Type 1 gibt, nicht unterschritten. Weil die Gehäuse wesentlich mehr Kontakte haben als die vom Type 1, sind sie auch etwas schwerer. Die Werte liegen hier zwischen 0,33 und 0,66 Gramm.

Was ist QFP?

QFP steht für Quad Flat Package und ist in der Entwicklung momentan das populärste Gehäuse überhaupt. Das kommt daher, dass dieses Gehäuse an allen vier Seiten Kontakteingänge hat, die es gestatten, die Anzahl der Pins für geringer Mehrkosten zu erhöhen. Der Ordnung halber muss aber ergänzt werden, dass das besondere hierbei nicht die Form ist, sondern die Tatsache, dass an allen vier Seiten des Gehäuses Kontakte verlaufen. Es gibt nämlich auch hier einige wenige Gehäuse, die nicht exakt quadratisch sind. Die meisten erstrecken sich jedoch über eine quadratische Fläche von 9,5 x 9,5 mm bis 40 x 40 mm. Die nichtquadratische Ausnahmen weisen Grundflächen von 10 x 14 mm oder 14 x 20 mm auf.

Mit der Fläche steigt hier auch die Höhe. Die kleinsten Gehäuse sind hier 1,45 mm hoch und wiegen 0,35 Gramm. Die größten Gehäuse sind 4,2 mm hoch und wiegen 12,8 Gramm.

Für das QFP sind sogar acht Klassen spezifiziert.

• 40 mit 40, 44 und 48 Pins
• 50 mit 52, 54, 56 und 58 Pins
• 60 mit 64 und 68 Pins
• 70 mit 74 Pins
• 80 mit 80 Pins
• 90 mit 94 Pins
• 100 mit 100, 120, 136, 160 und 184 Pins
• 200 mit 208 Pins

Was ist SOJ?

SOJ ist die Abkürzung für Small Outline J-Lead und bezieht den Namen von den seitlich montierten Kontakten, die die Form eines J aufweisen. SOJ-Chips werden vor allem in FPM- und EDO-Speichern eingesetzt, weshalb sie bei den neueren Technologien überhaupt nicht mehr auftauchen.

Die Einbauart für die Chips kann bei den unterschiedlichen Platinen variieren. Die meisten Chips sind direkt auf der Platine aufgelötet, wie es der Standard für die SOPs vorsieht. Es gibt allerdings auch Ausnahmen, die in einem, auf der Platine befestigten Sockel, eingesteckt werden.

Da der Bedarf für SOJ-Verpackungen nach SIMM-Arbeitsspeicher nicht mehr gegeben war, sind auch lediglich drei Klassen spezifiziert.

• 20 mit 24, 26 und 28 Pins
• 30 mit 32, 34 und 36 Pins
• 40 mit 40, 42 und 44 Pins

Was ist QFN?

QFN steht für Quad Flat Non-Leaded Package. Das Bild deutet schon die Architektur der Verpackung an, die dem Gehäuse auch den Namen gab. Die Kontaktpins stehen hier nicht mehr außen ab, sondern deuten sich nur noch an der Außenseite an. Tatsächlich verlaufen die Pins unter den Chip, wo sich dann die Kontakte zur Platine befinden.

Während der Entwurfsphase wurde deutlich, dass die wahre Innovation eigentlich in der Abschaffung der Pins liegen würde. Deshalb ist das QFN auch die Vorstufe zum BGA, bei dem gar keine Kontaktpins mehr auftauchen. Darauf werden wir aber in einem seperaten Abschnitt weiter unten noch zu sprechen kommen. Jedenfalls ist diese Tatsache dafür ausschlaggebend, dass die Technik von QFN nicht perfektioniert, sondern die Konzentration auf BGA gelenkt wurde.

Die Grundfläche der Chips beträgt zwischen zwischen 6 x 6 mm und 9 x 9 mm. Das Gewicht liegt dementsprechend niedrig zwischen 0,08 Gramm und 0,15 Gramm.

Das QFN ist in drei Klassen eingeteilt

• 40 mit 48 Pins
• 50 mit 52 und 56 Pins
• 60 mit 64 Pins

Was ist BGA?

BGA bedeutet Ball Grid Array und ist momentan der populärste Chipsatz, den es gibt. Eine ganze Reihe von Vorteilen spricht für die Architektur, während es nur wenige Nachteile gibt. Der Unterschied zu allen herkömmlichen Kontaktarten liegt darin, dass alle vorherigen Methoden in irgendeiner Weise mit Drähten bzw. Pins gearbeitet haben. Im BGA wird stattdessen mit Lötkugeln, den Balls, gearbeitet, die auf der Unterseite der Verpackung in Matrixform angebracht sind. Dadurch wird es erstmals möglich mit weit mehr als 1.000 Kontakten pro Chip zu arbeiten. Die besten BGAs weisen mehr als vier mal so viele Kontakte wie die größten PGAs auf.

Die Probleme sind dabei wartungstechnischer Natur. Zum einen kann man nicht einfach zu Hause einen Prozessor mit entsprechender Technologie austauschen, weil hier eine professionelle Lötvorrichtung von Nöten ist. Außerdem erschwert die versperrte Sicht eine Inspektion der Kontakte unter dem Chip. Im Regelfall bedeutet das, dass die Komponenten zur Reperatur zwingend in eine Werkstatt gebracht werden müssen. Bei einem normalen PGA hat es bislang gereicht einfach einen neuen Chip zu bestellen, der dann eigenhändig montiert werden konnte.

Nun wäre diese Technik nicht das absolute Novum, wenn sie nicht auch ihre Vorzüge hätte. Zum einen wird durch das BGA nur noch sehr wenig Platz für den Chip benötigt. Kurze Kontakte, die für geringe Wechselstromwiderstände sorgen, sowie verbesserte Wärmeabführung stellen sich hier als weitere Vorteile heraus. Außerdem ist festzuhalten, dass der Chip, trotz Verlötung, schadlos von der Platine entfernt werden kann. Dazu sind selbstverständlich komplexe Werkzeuge nötig, weshalb es ratsam ist, defekte Teile unbedingt einzuschicken, oder in eine Werkstatt zu bringen, und nicht selbst zu reparieren.

Was den Zukunftstrend angeht, so sprechen die Ballzahlklassifizierungen schon für sich:

• 40 mit 48 Balls
• 100 mit 117, 119, 144 und 165 Balls
• 200 mit 225, 240, 256, 272 und 292 Balls
• 300-349 mit 313, 316, 320, 324 und 345 Balls
• 350-399 mit 352, 388 und 396 Balls
• 400-449 mit 400, 404, 416, 420, 432 und 449 Balls
• 450-499 mit 456, 480 und 484 Balls
• 500 mit 500, 544, 576 und 580 Balls
• 600 mit 609, 624, 629, 641, 672 und 676 Balls
• 700 mit 729 und 756 Balls
• 800 mit 824, 840, 888 und 899 Balls
• 900 mit 955 Balls
• 1000-1499 mit 1088, 1153, 1155 und 1296 Balls
• 1500-1999 mit 1521, 1675, 1752 und 1849 Balls

In der Stammversion sind die BGAs zwischen 1,1 mm und 3,3 mm hoch und wiegen zwischen 0,26 Gramm und 26,5 Gramm. Dieses Spitzengewicht erreichen natürlich nur Verpackungen mit einem Kontaktvolumen von über 1.500 Balls. Die Mini-Version und bekannteste Bauart von BGA ist die sogenannte CSP-Verpackung. Diese Chips sind trotz Kontaktvolumina von über 400 Pins gerade einmal 1mm hoch und wiegen unter 0,25 Gramm.