由封装技术谈移动CPU的升级

daturayew · 发表于 2004-5-19 19:51:00

CPU是一台笔记本电脑的心脏，掌握着速度的命脉。尤其是对那些型号较老
的笔记本电脑来说，CPU的更换能够让其“容光焕发”、继续发挥它们应有的余热。然而令人困惑的是，CPU的升级不像硬盘、内存那样的简单，通常要把握好
型号、拆机、散热等方面的因素方可进行，此次，笔者从CPU的封装谈起，将升级的原理和注意事项“暴露”的一览无余，供有兴趣升级CPU的朋友参考。
　　传统意义上的封装形式对于芯片仅仅是一个外壳，是机械结构性的保护；
然而现阶段芯片的封装除了结构特性外，还包含了散热机制，并成为了电性能上芯片与主板连接的平台。进一步说，封装的复杂性很大程度上取决于芯片的结构特性
和设计方法。对CPU这种复杂的芯片而言，其封装的技术更加复杂。由于封装的意义在于最大限度地保障CPU发挥它的最佳性能和提供一个与主板的连接平台，
因此封装的性能和结构，是实现笔记本电脑专用CPU体积小，散热快，功耗低等各项特性的保证。

　　与台式电脑一样，笔记本电脑专用CPU的封装形式也因各代CPU的不同而不同。下面列举几种常见
的笔记本电脑专用CPU的封装形式，以供升级时参考。（介绍将从Pentium MMX开始，在此之前的386和486级别的Mobile
CPU时至今日已经没有升级的意义，所以不再介绍。部分使用AMD和TM移动式CPU的产品数量少，因此也不在本文讨论范围之内）

TCP（Tape Carrier Package）：

　　薄膜封装TCP技术，主要用于Intel Mobile
Pentium
MMX上。采用TCP封装技术的CPU的发热量相对于当时的普通PGA针脚阵列型CPU要小得多，运用在笔记本电脑上可以减小附加散热装置的体积，提高主
机的空间利用率，因此多见于一些超轻薄笔记本电脑中。但由于TCP封装是将CPU直接焊接在主板上，因此普通用户是无法更换的。

MMC（Mobile Module Connector）：

　　MMX中后期的笔记本电脑专用CPU。采用这种封装的CPU实际上是一个包括CPU在内的电路
板，它由CPU内核，芯片组的北桥芯片，电压转换部分和系统维护总线温度检测器组成。采用MMC封装的优点是由于它集成了主板上的北桥，从而使主板的设计
得到简化，降低了成本。

MMC1：

　　从MMX时代到Pentium
Ⅱ时代的过渡产品，与MMC类似，MMC1也是一个包含CPU在内的电路板，不同的是MMC1的电路板中还包含了Pentium
Ⅱ的二级缓存（L2-Cache），并且模块中集成的北桥芯片组改成了440BX芯片组的北桥。根据内部440BX芯片组北桥的不同，MMC1又分为
AGP SET 和PCI
SET两种。后者不支持AGP显卡而只能使用PCI显卡。另外值得一提的是，MMC1封装的CPU也是通过两条插槽与主板连接，共280针。

MMC2：

　　Intel于1998年后期推出了增加AGP功能的笔记本电脑用CPU。这种CPU仍是模块化
的，封装形式为MMC2。MMC2的结构与MMC1类似，只是MMC2与主板的接口为一片共计400脚的插针，不同于MMC1
共计280针的两根插槽。这种封装形式的CPU最大特点是增加了对AGP的支持，使笔记本电脑的3D功能有了阶段性的飞跃。然而正是因为具备了这种功能，
这种CPU的发热量相对较多，因此需要通过散热片、风扇等一整套散热装置并通过严格的散热设计才能够达到散热的要求。采用MMC2封装的CPU多见于一些
注重性能的全内置笔记本电脑中。

MMC2封装正面，与MMC1类似，散热器下面分别为CPU和北桥
MMC2封装背面，左侧为与主板连接的插槽，共400针脚

daturayew · 发表于 2004-5-19 19:52:00

Mini－cartridge：

　　一种非常“短命”的封装形式，仅在Mobile Pentium Ⅱ
CPU部分型号中出现过。和MMC封装不同的是，它没有集成芯片组的北桥，外部被金属外壳包围着，只露出了Mobile
CPU的核心部分供厂商装散热器，背面与MMC2封装类似，有一片与主板连接的插针，针脚数为240。

BGA（Ball Grid Array）：球状网格阵列

μPGA（Micro Pin Grid Array）：针状网格阵列

　　我们通常把BGA和μPGA结合在一起讨论，这是因为μPGA的内部从实质上来说还是BGA。μPGA形式的处理器可以说是结合BGA与
Socket型处理器的优点而产生的)。只不过μPGA封装在BGA封装的基础上增加了一个转接板（interposer）。注意：此转接板不同于MMC
封装中的电路板，它的作用是将BGA封装底部直接从CPU内核中引出的锡球脚转换成可以直接插入主板ZIF插座的针脚，从而就转换成了μPGA封装。通
常，BGA封装的CPU被一次性焊接在主板上，不可升级。而μPGA封装的CPU由于采用了和台式机CPU类似的拔插方式，因此升级的潜力非常大（在后面
的介绍中笔者将会详细说明）。

采用BGA-1或μPGA-1封装的CPU，具体是哪种区别在于其背面是锡球脚还是针脚

BGA－1和μPGA－1（Micro－PGA－1）

　　从某种意义上来说，BGA-1和μPGA-1封装类型的Mobile
CPU才是我们认识中的CPU，这两种封装让CPU又回到了单独芯片的封装方式。这两种封装方式中，整个CPU的核心部分（Die）被直接焊在了基板上，
从图中我们可以看出，CPU的核心部分位于基板的正中央。这种封装方式同样是技术进步的体现，代表着另一种封装技术的开始。相对于MMC封装方式的CPU
而言，BGA-1和μPGA-1的巨大优势就是它的超薄特性，从图中可以看出，采用这两种封装方式的CPU体积非常的小，并且前者还可直接焊在主板上，因
此可以满足许多超薄笔记本电脑的设计需求，对减小笔记本电脑机身厚度起了很大的作用。尤其是从Mobile Pentium
III开始，随着笔记本电脑的轻、薄之风盛行，这两种封装的CPU无疑提供了一个极好的解决方案。

BGA-1封装CPU背面，图中为锡球脚

daturayew · 发表于 2004-5-19 19:52:00

BGA-2和μPGA-2（Micro-PGA-2）

　　BGA2和μPGA2是Pentium Ⅲ时代的产物，换句话说，BGA-2和μPGA-2只在Mobile Pentium
Ⅲ之后的CPU中应用，因此我们很容易就可以判断一块CPU所采用的封装形式是BGA-1或μPGA-1的，还是BGA-2或μPGA-2的。区分它们的
则是“裸露”在基板上的Die，Die是PentiumⅢ的，则这块CPU所采用的封装形式为BGA-2或μPGA-2。另外，由于BGA-2封装的
Mobile Pentium Ⅲ
CPU采用的是0.18微米的制造工艺，因此相对BGA-1封装而言，BGA-2封装的内核较小，呈正方形。而BGA-1封装的内核较大，呈长方形。

μPGA-2封装CPU正面，Die为正方形且体积较μPGA-1小
μPGA-2封装CPU背面，注意图中所示为针脚而非BGA-2的锡球脚

Micro-FCPGA(micro Flip Chip Plastic Grid Array)和Micro-FCBGA (Micro Flip Chip Ball Grid Array)

　　从结构设计的角度而言，这两种封装形式都是隶属于BGA和μPGA封装的，与上述BGA-1和μPGA-1，以及BGA-2和μPGA-2十分类似。

　　Micro-FCPGA中文名为“微型倒晶片塑胶栅格阵列”，这种封装方式的处理器在基板上包含一个朝下安装、由环氧材料封装的芯片，使用
2.03 mm长，直径为0.32
mm的478根插针与主板处理器插座接触。它与Micro-PGA封装的区别在于，micro-FCPGA没有内插式基板，而在底部却安装了电容用于抗干
扰。

Micro-FCPGA封装图，处理器背面为针脚，并安装了抗干扰用的电容
Micro-FCBGA封装图，处理器背面为锡球脚，正面安装了用于抗干扰的电容

　　Micro-FCBGA中文名为“微型倒装晶片球状栅格阵列”，封装的表面板上包含一个面朝下、由环氧材料封装的芯片。与Micro-
FCPGA不同的是，它的底部采用的是479个直径为0.78 mm的锡球脚与主板连接，另外用于抗干扰的电容安装在CPU的正面而不是背面。

　　Micro-FCPGA和Micro-FCBGA是目前最成熟，使用最广泛的封装方式之一，在 Pentium Ⅲ-M，Pentium
Ⅳ-M，以及Intel最新的迅驰平台Pentium-M中均可见到它的身影。代表着目前笔记本电脑专用CPU封装技术的最高水准。

daturayew · 发表于 2004-5-19 19:52:00

　下面列出各个时代笔记本电脑专用CPU主要应用的封装形式，以便升级时参考。
　　1. Pentium及Pentium-MMX：TCP，MMC1。

　　2. Pentium Ⅱ：MMC1，MMC2，BGA-1，μPGA-1，Mini-cartridge。

　　3. Pentium Ⅲ：MMC2，BGA-2，μPGA-2。

　　4. Pentium Ⅲ-M，Pentium Ⅳ-M，Pentium-M：Micro-FCPGA，Micro-FCBGA。

CPU

主要封装形式

处理器速度（Hz）

L2

总线

AGP支持

北桥

Pentium
MMC1
166/200/233/266
256/512KB
66
-
430TX

P II
MMC1
233/266/300
512KB
66
-
82443BX

MMC2
233/266/300
512KB
66
是
82443BX

MMC1(On-Die Cache)
266/300/333/366/400
256KB
66
-
82443BX

MMC2(On-Die Cache)
266/300/333/366/400
256KB
66
是
82443BX

Celeron
MMC1
433/466
128KB
66
-
82443DX

MMC2
300/333/366/400
128KB
66
是
82443BX

MMC2(0.18)
450/500/550/600/650/700
128KB
100
是
82443BX

P III
MMC2
450/500
256KB
100
是
82443BX

MMC2(SpeedStep)
600/650/700/750/800/850/600*/700*
256KB
100
是
82443BX

P III-M
Micro-FCPGAMicro-FCBGA
866/933/1000/1060/1133/1200733*/800*/866*/933*/1000*
512KB
133
是
830M

P IV-M
Micro-FCPGAMicro-FCBGA
1600/1800/1900/2000/2200/2400
512KB
400
是
845MZ/852系列

P-M
Micro-FCPGAMicro-FCBGA
1300/1400/1500/1600/1700900**/1000**/1100**/1200**
1MB
400
是
855系列

　　通过对CPU封装的分析可以看到，早期TCP封装的CPU是焊接在主板上的，因此不可升级（也没有升级的意义）；MMC1、MMC2、Mini
-cartridge封装的CPU从理论上来说是可更换的；BGA（包括BGA-1和BGA-2）、Micro-FCBGA封装的CPU由于是直接焊接在
主板上，因此一般的个人用户无法升级；μPGA（包括μPGA-1和μPGA-2）、Micro-FCPGA封装的CPU由于采用了和台式电脑CPU相似
的ZIP（零拔插力）插座，因此升级是可行的，也是所有封装中升级最为方便的。大部分情况下，用户只需一把螺丝刀即可完成对CPU的更换。

　　然而，并不是相同的封装类型就代表着升级可行性，同时要考虑的还有散热、电路以及芯片组的搭配问题。其中尤为重要的是散热和芯片组的搭配。我们可以从以下两方面来分析。

　　同级别升级

　　同级别升级即同类型CPU的升级。升级后提高的仅仅是CPU的主频，一些名牌笔记本电脑厂商对于其产品的CPU散热部件及供电电路的设计都富有
一定的余地（实际上厂商为了减少因重新设计而增加的成本，同一型号的产品均采用同一类型的散热器和供电电路。这种情况多见于同一型号的笔记本电脑装载了不
同频率CPU以区分其市场定位）这就为升级CPU后笔记本电脑的稳定工作提供了有力保障。

daturayew · 发表于 2004-5-19 19:53:00

　跨级别升级
　　表1列出了从Pentium到Pentium
Ⅲ各种笔记本电脑专用CPU所采用的封装和其所搭配的芯片组。从表中可以看出，早期的Pentium（包括带MMX和不带MMX）搭配的是INTEL
430TX芯片组，而Pentium
Ⅱ搭配的是北桥为82443BX的440BX芯片组，芯片组的不同，导致了从Pentium无法升级到Pentium Ⅱ。

　　PⅡ级别的CPU是最具升级潜力的笔记本电脑专用CPU，也是跨平台升级的代表（其之前的Pentium由于无法跨平台到PⅡ，其后的PⅢ、P
Ⅲ-M、PIV-M、P-M的设计架构和搭配的芯片组均不同，无法跨平台升级），从表1中可以看到，采用MMC2封装的PⅡ可以直接升级到PⅢ和高主频的
Celeron。系统性能提升巨大。然而遗憾的是，采用μPGA-1封装的PⅡ无法升级到μPGA-2封装的PⅢ，原因在于μPGA-1和μPGA-2这
两种封装形式的接口完全不同，看了表2，想必大家就清楚了。

　　0.13微米铜连接工艺Pentium Ⅲ-M使用的是全新的Tualatin核心，采用Micro-FCPGA和Micro-FCBGA封装技术，外频从PⅢ的100Hz提升到133Hz，与其搭配的芯片组也升级到了830M。因此，PⅢ无法升级到PⅢ-M。

　　同理，目前市场上主流笔记本电脑所装配的Pentium IV-M和Pentium-M CPU，尽管封装技术一样，但由于采用了不同的系统架构和芯片组，所以它们均不能跨级别升级(见表3）。

　　以IBM THINKPAD 600系列笔记本电脑为例。IBM 600系列是PⅡ时期的经典机型（其中也有低主频P
Ⅲ的型号），至今仍在许多朋友的手中发挥着余热，同时它也是二手市场中最常见的笔记本电脑之一。IBM
600系列共有三种，分别是600、600E、600X。

　　600用的是MMC1封装的Pentium Ⅱ CPU。不带AGP功能，66的外频，CPU最高可以升级到Pentium Ⅱ 400。

　　600E采用的是MMC2封装的PⅡ CPU，升级空间比较大，由于采用了440BX芯片组，通常情况下，只要散热系统良好即可升级到Pentium Ⅲ。理论上最高可支持到100外频的PⅢ 850及Celeron 700（需改造散热系统）

　　600X用的是MMC2封装的Pentium Ⅲ CPU，支持100外频，AGP，理论上最高也可支持到Pentium Ⅲ 850及Celeron 700。

　　再以一台配备了Pentium Ⅲ-M 866 CPU的IBM T23为例，由于CPU采用的是Micro-FCPGA封装，因此只需将ZIF插座旁的螺丝旋转180°，将CPU卸下并换上高主频的P3-M即可（最高可达1.2GHz）。

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