CT扫描仪揭示386处理器陶瓷封装内部的神奇结构

# CT扫描揭示386处理器陶瓷封装内部的秘密 来源：http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html 1985年，英特尔发布了386处理器，这是x86系列中首款32位芯片。它采用方形陶瓷封装，底部伸出132根镀金引脚，插入主板上的插座。虽然这个封装看似平淡无奇，但其内部结构远比想象中复杂。 Lumafield（https://www.lumafield.com/）为我进行了芯片的3D CT扫描，揭示了陶瓷封装内部隐藏的六层复杂布线。此外，芯片还有几乎不可见的金属线连接到封装*侧面*——即那些尖刺状凸起下方。扫描还显示，386拥有两套独立的电源和接地网络：一套用于I/O，一套用于CPU逻辑。 386封装的CT扫描图。陶瓷封装在此图像中未显示，但它包裹着这些尖刺状导线。（https://static.righto.com/images/386-package/scan-top.jpg） 386封装的CT扫描图。陶瓷封装在此图像中未显示，但它包裹着这些尖刺状导线。 下方的封装外观并未透露出内部嵌入的复杂布线。硅芯片通常不可见，但我拆下了覆盖芯片的方形金属盖。(^1)（http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html#fn:chisel）因此，你还能看到围绕硅芯片的两层金触点。 拆下芯片盖后的386封装。（https://static.righto.com/images/386-package/package-opened.jpg） 拆下芯片盖后的386封装。 英特尔选择132引脚陶瓷封装是为了满足高引脚数、良好热特性以及为芯片提供低噪声电源的要求。(^2)（http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html#fn:requirements）然而，标准封装无法提供足够的电源，因此英特尔设计了一种定制封装，采用“单排双层键合，连接两个信号层和四个电源/地平面”。换句话说，芯片的键合线连接到围绕芯片的两层（或两层）焊盘。封装内部就像一块由陶瓷制成的6层印刷电路板。 封装截面图。根据《高性能技术、电路与80386封装》重绘。（https://static.righto.com/images/386-package/package-cross-section.jpg） 封装截面图。根据《高性能技术、电路与80386封装》重绘。 下方照片显示了两层焊盘及其连接的微小金键合线：我测得键合线直径为35微米，比典型的人发还细。有些焊盘连接了多达五条线，以支持电源和地焊盘所需的更大电流。可以将封装视为一个层级接口，从芯片上的微小电路连接到计算机主板上更庞大的特征。具体来说，芯片的特征尺寸为1微米，而芯片顶部金属布线的间距为6微米。芯片布线连接到芯片的键合焊盘，其间距为0.01英寸（0.25毫米）。键合线连接到封装的焊盘，其间距为0.02英寸（0.5毫米），因为有两层，所以间距加倍。封装将这些焊盘连接到间距为0.1英寸（2.54毫米）的引脚阵列。因此，从芯片的微观电路到芯片引脚，尺寸大约放大了2500倍。 键合线特写。（https://static.righto.com/images/386-package/bonding.jpg） 键合线特写。 陶瓷封装通过复杂的工艺制造。(^4)（http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html#fn:manufacturing）工艺始于柔性陶瓷“生坯片”，由陶瓷粉末与粘合剂混合而成。在片上打出过孔后，用丝网印刷将钨浆料印到片上形成布线。将这些片堆叠、加压层压，然后在高温（1500°C至1600°C）下烧结，形成刚性陶瓷。引脚被钎焊到芯片底部。接着，引脚和芯片内部触点被电镀上金。(^3)（http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html#fn:gold）然后安装芯片，连接金键合线，并在芯片上焊接金属盖以封装。最后，对封装芯片进行测试，贴上标签，芯片便准备出售。 下图显示了封装内信号层的特写。引脚通过金属走线连接到封装的层架焊盘，在CT扫描中色彩斑斓。（这些走线出奇地宽且形状自由；我原本预期更窄的走线以减少电容。）键合线将层架焊盘连接到硅芯片上的键合焊盘。（芯片图像是后期添加的，并非CT扫描的一部分。）大的红色圆点是来自引脚的通孔。一些通孔连接到该信号层，其他通孔则穿过到其他层。较小的红色圆点是连接到电源层的连接；因为层架焊盘仅位于两个信号层上，六个电源平面需要连接到信号层以进行键合。由于键合线只连接在信号层上，电源层需要连接到信号层上的焊盘。 信号层特写。芯片图像是后期粘贴的。（https://static.righto.com/images/386-package/signal-layer-diagram.jpg） 信号层特写。芯片图像是后期粘贴的。 下图显示了对应部分的电源层。电源层与信号层完全不同；它是一个带有孔洞的单一导电平面上。较小的孔洞网格允许该层上下方的陶瓷结合，形成一整块陶瓷。较大的孔洞包围引脚通孔（红点），允许引脚连接穿过到另一层。接触该层的红点是电源引脚连接到该层的位置。由于与芯片的唯一连接来自信号层，电源层与信号层之间有连接；这些是键合线附近较小的点，要么是穿过的电源通孔，要么是连接到该层的通孔。 电源层特写，具体是I/O Vss。波浪状蓝色区域是相邻层的伪影。芯片图像是后期粘贴的。（https://static.righto.com/images/386-package/power-layer-diagram.jpg） 电源层特写，具体是I/O Vss。波浪状蓝色区域是相邻层的伪影。芯片图像是后期粘贴的。 通过下面的JavaScript工具，您可以逐层查看封装。单击单选按钮选择一层。通过观察引脚在各层的路径，可以看到它最终到达的位置。例如，左上角的引脚穿过多个层，直到上信号层将其连接到芯片。它右侧的引脚穿过所有层，直到到达顶部的逻辑Vcc平面。（Vcc是5伏电源，用于为芯片供电，因历史原因称为Vcc。） 引脚 | I/O Vcc | 信号 | I/O gnd | 信号 | 逻辑gnd | 逻辑Vcc 如果选择上方的逻辑Vcc平面，您会看到中心有一个明亮的斑驳方块。这不是芯片本身，我认为，而是将芯片连接到封装上的粘合剂——填充银的环氧树脂，以提供导热和导电性。由于银阻挡X射线，它在图像中非常显眼。 ## 用于电镀的侧面触点 扫描中最让我惊讶的是看到突出到封装侧面的导线。这些导线在制造过程中用于引脚的电镀金。(^5)（http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html#fn:electroplating）为了电镀引脚，每个引脚必须连接到负电压以便作为阴极。这是通过为每个引脚提供一根单独导线到封装边缘来实现的。 下图将CT扫描（上方）与封装侧面视觉图（下方）进行了比较。导线几乎不可见，但可以作为较暗的点看到。箭头显示了其中三个点如何与CT扫描匹配；您可以匹配其他点。(^6)（http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html#fn:multimeter） 封装侧面特写与CT扫描的比较，显示边缘触点。我轻微打磨了封装边缘以使触点更可见。即便如此，它们也几乎看不见。（https://static.righto.com/images/386-package/edge-contacts.jpg） 封装侧面特写与CT扫描的比较，显示边缘触点。我轻微打磨了封装边缘以使触点更可见。即便如此，它们也几乎看不见。 ## 两个电源网络 根据数据手册，386有20个引脚连接到+5V电源（Vcc），21个引脚连接到地（Vss）。研究芯片时，我注意到386中的I/O电路与逻辑电路有独立的电源和接地连接。原因是输出引脚需要高电流驱动电路。当引脚从0切换到1或反之，可能会在电源和地线上引起尖峰。如果尖峰太大，可能会干扰处理器的逻辑，导致故障。解决方案是在芯片内部为I/O电路和逻辑电路使用独立的电源布线，连接到不同的引脚。在主板上，这些引脚都连接到相同的电源和地，但去耦电容在尖峰流入芯片逻辑之前将其吸收。 下图显示了芯片上两个电源和接地网络的样子，带有独立的焊盘和布线。方形的键合焊盘位于顶部，连接着暗色的键合线。白色线条是两层金属布线，较暗区域是电路。每个I/O引脚下方都有一个驱动电路，由相对较大的晶体管组成，用于将引脚拉高或拉低。该电路由I/O Vcc（浅红）和I/O地（Vss，浅蓝）的水平线供电。每个I/O驱动器下方是一个小的逻辑电路，由较细的Vcc（深红）和Vss（深蓝）供电。更粗的Vss和Vcc布线通往芯片其余部分的逻辑。因此，如果I/O电路引起电源波动，逻辑电路通过其独立的电源布线得到保护，不受干扰。 芯片顶部特写，显示了电源布线以及七个数据引脚的电路。（https://static.righto.com/images/386-package/power-wiring.jpg） 芯片顶部特写，显示了电源布线以及七个数据引脚的电路。 数据手册没有提到独立的I/O和逻辑电源网络，但通过使用CT扫描，我确定了哪些引脚为I/O供电，哪些为逻辑供电。在下面的图中，浅红和浅蓝引脚是I/O的电源和地，而深红和深蓝引脚是逻辑的电源和地。引脚散布在整个封装上，允许电源供应到芯片的所有四个边。 来自Intel386DX微处理器数据手册的引脚图。这是从引脚侧观察的视图。（https://static.righto.com/images/386-package/pinmap.jpg） ## “无连接”引脚 如上图所示，386有八个标记为“NC”（无连接）的引脚——当芯片安装在计算机中时，主板必须让这些引脚悬空。您可能会认为132引脚封装只是多了八个不需要的引脚，但实际情况更复杂。下方照片显示了386芯片底部的五个键合焊盘。其中三个焊盘有键合线连接，但两个没有键合线：这些对应于无连接引脚。请注意焊盘中间的黑色标记：这些标记是测试过程中探针接触芯片留下的。(^7)（http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html#fn:testing）无连接焊盘可能在此测试过程中具有功能，提供对重要内部信号的访问。 芯片特写显示三个带有键合线的键合焊盘和两个没有键合线的键合焊盘。（https://static.righto.com/images/386-package/nc-pins.jpg） 芯片特写显示三个带有键合线的键合焊盘和两个没有键合线的键合焊盘。 八个无连接焊盘中有七个*几乎*连接了：封装在芯片腔体中有一个键合线的位置，并且封装内部有布线到一个无连接引脚。唯一缺少的是两者之间的键合线。因此，通过添加键合线，英特尔可以轻松创建这些引脚连接的特殊芯片，或许用于测试过程本身的调试。 令人惊讶的是，其中一个无连接焊盘*确实*存在键合线，完成了与外部引脚的连接。（我在之前的引脚图中用绿色标记了这个引脚。）从芯片上的电路来看，这个引脚似乎是一个输出。如果有人用一个386芯片将此引脚连接到示波器，也许他们会看到一些有趣的东西。 ## 标记芯片上的焊盘 例如，早期的8086处理器采用双列直插式封装（DIP），有两排引脚。这使得确定哪个引脚（以及哪个功能）连接到芯片上的哪个焊盘变得简单。然而，由于386有一个二维引脚网格，到焊盘的映射并不明确。你可以猜测引脚连接到附近的焊盘，但仍存在歧义。不知道每个焊盘的功能，我对芯片进行逆向工程就更困难了。 事实上，我扫描386封装的主要动机就是确定引脚到焊盘的映射，从而确定每个焊盘的功能。(^8)（http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html#fn:beep）一旦获得CT数据，我就可以追踪出焊盘和外部引脚之间的每个隐藏连接。下图显示了一些标签；点击此处（https://static.righto.com/images/386-package/die-pin-labels.jpg）可查看完整带标签的图像。据我所知，这些信息此前在英特尔外部是无法获得的。 386芯片特写显示了部分引脚的标签。（https://static.righto.com/images/386-package/die-labeled-closeup.jpg） 386芯片特写显示了部分引脚的标签。 ## 结论 英特尔的早期处理器因较差的封装而受限，但到了386时代，英特尔已经认识到封装的重要性。在英特尔早期，管理层持有一种奇怪的观点，认为芯片永远不应有超过16个引脚，即使其他公司已经使用40引脚封装。因此，英特尔的第一款微处理器4004（1971年）被塞进16引脚封装，限制了其性能。到1972年，更大的存储芯片迫使英特尔极不情愿地转向18引脚封装。(^9)（http://www.righto.com/2025/08/intel-386-package-ct-scan.html#fn:faggin）八位8008处理器（1972年）利用了这个稍大的封装，但性能仍受影响，因为信号被迫共享引脚。最终，英特尔为8080处理器（1974年）转向标准40引脚封装，这有助于该芯片的成功。在1980年代，随着芯片需要越来越多的引脚，引脚网格阵列（https://doi.org/10.1109/MSPEC.1985.6370492）在业界变得流行。英特尔为186和286处理器（1982年）使用了68引脚的陶瓷引脚网格阵列（PGA），随后为386（1985年）使用了132引脚封装。 陶瓷封装的主要缺点是成本。根据386口述历史（https://archive.computerhistory.org/resources/access/text/2015/06/102702019-05-01-acc.pdf#pa