一种高集成的单芯片固态硬盘的制作方法

本实用新型涉及固态硬盘(SSD)的研发、制造技术领域，尤其涉及一种采用系统级封装技术(SiP)、基于BGA封装形式的、高集成、小型化的单芯片固态硬盘(SSD)。

背景技术：

硬盘是计算机系统的主要存储媒介之一，传统的机械硬盘采用磁性碟片作为存储介质。相对于传统的机械硬盘，固态硬盘(SSD)是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，主要由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。因其有快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点，目前已经进入存储市场的主流行列，并有着取代传统机械硬盘的趋势。

封装，是把集成电路装配为芯片最终产品的过程，简单地说，就是把集成电路硅片放在一块起到承载作用的基板或引线框上，把管脚引出来，然后固定包装成为一个整体。封装不仅可以安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。BGA封装是众多封装形式中的一种，其主要结构特点是采用了球栅阵列的外引脚排布方式，相较于普通传统封装，有着体积小、散热和电性能佳的优势。系统级封装(SiP)，相对于传统实现单个功能的产品封装，是将多个具有不同功能的芯片，再结合其他有源或无源电子元器件，封装到一起，从而形成一个系统或者子系统。其主要优点有：高度集成化、小型化、高性能、低功耗以及低成本等。

目前，存储行业2.5寸的固态硬盘(SSD)还是主流，虽然市场上小型化的固态硬盘如mSATA、M.2等也在逐渐增多，但是在面对一些高集成、小型化、高可靠性要求的嵌入式应用场景时，上述类型的固态硬盘仍然无法满足要求。而单芯片固态硬盘是将晶圆级的主控芯片、存储芯片、缓存芯片以及其他一些电子元器件通过系统级封装技术(SiP)加工而成，能够实现高集成、小型化、高可靠性等特征表现。

技术实现要素：

本实用新型提供一种新的固态硬盘(SSD)结构设计，其采用了硅片级的系统级封装技术(SiP)来实现高集成、小型化的要求。具体内容如下：

(1)目前的固态硬盘主要由主控芯片、存储芯片(NAND Flash)、缓存芯片 (DRAM)以及其他电子元器件构成，普通的2.5寸固态硬盘或是其他一些常见的固态硬盘如M.2或mSATA等，其制造流程为先将晶圆级的主控芯片、存储芯片以及缓存芯片等分别进行塑封封装，然后再结合其他的电子元器件一起焊接到印刷线路板(PCB)上，最终加工成成品。而实用新型则是将晶圆级的主控芯片、存储芯片、缓存芯片以及其他一些电子元器件，直接通过系统级的封装技术(SiP) 以及3D堆叠等封装技术，直接封装成一颗独立的、高集成的小尺寸芯片，其内部互联通过封装基板和Wire Bonding工艺实现。实用新型的外形结构为塑封BGA 的封装形式，可实现完整的固态硬盘功能。

(2)普通固态硬盘与其他电子系统的互联是通过行业标准金手指接口，此类接口往往会占据一定的物理空间，而实用新型接口即BGA封装的引脚，因此可以实现产品的进一步小型化。

(3)本实用新型内部集成电源模块，在外部单电源3.3V供电的前提下，即可满足内部不同器件的不同电压的供电需求，是实用新型高度集成的又一体现。

(4)本实用新型使用了低功耗的主控芯片，并对固件进行了功耗的优化，可以降低产品的整体功耗。

具体技术特征为：

首先，从功能上看，本实用新型是固态硬盘，可以存储数据，采用SATAIII 的接口标准，最大容量256GB，最大读取速度大于500MB/s，最大写入速度大于 400MB/s。

其次，从封装外形上看，本实用新型采用BGA的封装形式，共104个引脚，外形尺寸为18ⅹ14ⅹ1.8mm，引脚间距1.0mm，引脚焊球直径0.45mm。

最后，设定高集成的单芯片固态硬盘离高速串行总线差分接收信号引脚距离最近的角为pin1角，将芯片塑封打印面向上，焊球面向下放置，pin1角位于左上方，视角方向为俯视，如图8所示。以高速串行总线差分接收信号引脚为参考，则所述时钟信号引脚位于其同行且右侧相邻的两列上，所述高速串行总线差分发送信号引脚位于其下方相邻一行上且相同的两列上。同时，从上向下看第四行第三列和第四列为高速串行总线差分接收信号引脚，第五行第三列和第四列为高速串行总线差分发送信号引脚，第四行第五列和第六列是时钟信号引脚。

主要保护以下技术方案：

一种高集成的单芯片固态硬盘，包括芯片塑封打印面，焊球面，信号引脚, 其特征在于，包括：采用塑封BGA的封装形式，内部采用晶圆级芯片，引脚间距 1.0mm；信号引脚包含高速串行总线差分接收信号引脚、高速串行总线差分发送信号引脚和时钟信号引脚；将所述芯片塑封打印面向上，所述焊球面向下放置，视角方向为俯视，则pin1角位于左上方，其中pin1角为离所述高速串行总线差分接收信号引脚距离最近的角；以所述高速串行总线差分接收信号引脚为参考，则所述时钟信号引脚位于其同行且右侧相邻的两列上，所述高速串行总线差分发送信号引脚位于其下方相邻一行上且相同的两列上。

进一步，外形为长方形，长边为18.0mm，短边为14.0mm，或为横向短边、纵向长边放置，引脚排布为17行12列，或为横向长边、纵向短边放置，引脚排布为12行17列；共104个引脚。

进一步，从上向下看，第四行第三列和第四列为高速串行总线差分接收信号引脚，第五行第三列和第四列为高速串行总线差分发送信号引脚，第四行第五列和第六列是时钟信号引脚。

本实用新型的有益效果为：

1.通过使用系统级封装、3D堆叠等先进的封装技术，实现了固态硬盘高集成、小型化的目的，使其更适用于一些对空间有要求的嵌入式应用场景。

2.实用新型外形结构为单颗塑封芯片，所有电子元器件外部有塑封胶保护，提升了产品的可靠性，使其可以应用于一些工作环境恶劣的场景。

3.内部集成电源转换模块，可以实现外部3.3V单电源供电，可简化整个系统的电路设计，方便使用。

4.使用低功耗的主控芯片配合低功耗的固件优化，实现实用新型整个系统的低功耗。

附图说明

图1为普通固态硬盘和本实用新型的制造流程对比图；

图2为本实用新型的主要功能模块图；

图3为本实用新型的主控芯片功能模块图；

图4为本实用新型的内部互联示意图；

图5为本实用新型的外形尺寸图1；

图6为本实用新型的外形尺寸图2；

图7为本实用新型的外形尺寸图3；

图8为本实用新型的引脚信号定义图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实例对本实用新型作进一步描述：

第一步，根据市场及客户的需求，规划单芯片固态硬盘的基本性能参数，包括存储接口协议、存储容量、读写速度、产品的封装形式、初步的外形尺寸以及额外的一些附加功能。

第二步，根据规划产品的基本性能参数，进行系统方案设计，包括硬件选型和系统原理图设计。其中硬件选型主要是主控芯片、存储芯片、缓存芯片以及其他的电子元器件。

第三步，根据系统方案设计，进行产品的封装设计，包括具体的外形设计、封装结构设计、封装基板设计、封装BOM的确定和封装仿真。

第四步，根据产品封装设计方案，进行封装工艺的验证和确定，然后安排产品的试生产、样品定型、生产定型和量产。

最后，产品在经过测试验证通过后，成为最终可出货的产品。

参阅附图1，普通的2.5寸固态硬盘或是其他一些常见的固态硬盘如M.2或 mSATA等，其制造流程为先将晶圆级的主控芯片、存储芯片以及缓存芯片等分别进行塑封封装，然后再结合其他的电子元器件一起焊接到印刷线路板(PCB)上，最终加工成成品。而实用新型则是将晶圆级的主控芯片、存储芯片、缓存芯片以及其他一些电子元器件，直接通过系统级的封装技术(SiP)以及3D堆叠等封装技术，直接封装成一颗独立的、高集成的小尺寸芯片，其内部互联通过封装基板和Wire Bonding工艺实现。实用新型的外形结构为塑封BGA的封装形式，可实现完整的固态硬盘功能。

参阅附图2、附图3，实用新型虽然具备小型化的外形，但是具备普通固态硬盘所有重要的组成部分，包括主控芯片、存储芯片、缓存芯片和电源模块等。同时，实用新型的主控芯片能够实现普通固态硬盘几乎全部的功能，并实现同一水平的性能表现。

参阅附图4，这是实用新型的内部结构示意图，晶圆级的主控芯片、存储芯片等，在切割成单片硅片后，粘贴到封装基板上，通过金线实现内部互联，而其他一些电阻、电容等被动元器件则是通过SMT的方式与基板进行互联，最后基板会放入模具中，使用塑封胶进行注塑封装，再经过激光打印、植球、切割成型等步骤后，最终被加工成单颗成品芯片。

参阅附图5至7，实用新型为一个BGA的封装，外形尺寸为14.0ⅹ18.0ⅹ1.8mm，总计104个引脚，按横向短边、纵向长边看，引脚共17行12列；引脚间距为 1.0mm，引脚直径为0.45mm。

参阅附图8，明确了固态硬盘(SSD)各个引脚的信号定义，设定高集成的单芯片固态硬盘离高速串行总线差分接收信号引脚距离最近的角为pin1角，将芯片塑封打印面向上，焊球面向下放置，pin1角位于左上方，视角方向为俯视，如图所示。以高速串行总线差分接收信号引脚为参考，则所述时钟信号引脚位于其同行且右侧相邻的两列上，所述高速串行总线差分发送信号引脚位于其下方相邻一行上且相同的两列上。

参阅附图8，设定高集成的单芯片固态硬盘离高速串行总线差分接收信号引脚距离最近的角为pin1角，将芯片塑封打印面向上，焊球面向下放置，pin1角位于左上方，视角方向为俯视，如图所示。从上向下看，第四行第三列和第四列为高速串行总线差分接收信号引脚，第五行第三列和第四列为高速串行总线差分发送信号引脚，第四行第五列和第六列是时钟信号引脚。

本实用新型的外形尺寸数据图如下：