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            IC封装产业介绍及常用封装方式简述(图文版)


            现在的世界 就是一颗一颗芯片 芯片需要封装 所以 世界正在被一颗一颗的封装

            请随我走入封装世界 成为封装高手
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            封装在IC制造产业链中之位置
            Wafer Manufacturing Front End 氧化 长 晶 切 片 倒 角 抛 光 扩散 硅片检测 Wafer Test 探针台测试 Back End 背磨 划片 封装 成品测试
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            光 刻

            沉 积

            刻 蚀

            植 入

            C M P

            封装作业之一般流程(QFP为例)
            Wafer back grinding Marking Wafer mount Post mold cure Wafer saw & clean Deflash & Trim Die attach Solder plating Epoxy cure Forming&singulation Plasma clean FVI Wire bond Packing Molding
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            封装用原材料以及所需零组件
            塑胶材料: 塑胶材料 焊
            BT 树脂、Epoxy、PTFE、Polyimide、compound、 树脂、 、 、 、 、 UBM、PSV、APPE、Solder mask、P.R… 、 、 、 、 易熔,183℃ )、No Lead 、37 Pb/63 Sn (易熔 易熔 ℃ 、 Ally(Sn 3.9/Ag 0.6/Cu 5.5 ,235℃ )、 ( ℃ )、Low- α Ally… Au bond、Ally bond… 、

            料:95 Pb/5 Sn 线:



            Lead Frame: 由冲压模具制成 Substrate: 柔性基片 柔性基片(tape)、迭层基片、复合基片、陶瓷基片、 、迭层基片、复合基片、陶瓷基片、
            HiTCETM 陶瓷基片、带有 陶瓷基片、带有BCBTM介质层的玻璃基片 介质层的玻璃基片… 介质层的玻璃基片

            TAPE: Blue Tape、UV Tape… 、 Heat Sink : 散热片
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            封装用机台以及所涉及模具
            Polishing machine & CMP UV tape attach machine Dicing machine UV irradiation machine Tape remover machine Pick & Place machine Package machine 锡炉 冲切模具(F/T):trim & form 塑封模具

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            封装趋势演进图
            封装类型 全称 Dual in-line package DIP Small outline package SOP Quad Flat Package QFP Tape Automated bonding TAB Chip on board COB Chip scale package CSP Flip-chip Fc Multi chip model MCM Wafer level CSP WLCSP 盛行时期 80年代以前 80年代 1995~1997 1995~1997 1996~1998 1998~2000 1999-2001 2000~now 2000~now
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            封装类型分类 ? IC封装的主要功能
            ? 保护IC,提供chip和system之间讯息传递的界面.所以 IC制程发展、系统产品的功能性都是影响IC封装技术发展的 主要原因。比如:近日电子产品的要求是轻薄短小,就要有 降低chip size的技术;IC制程微细化,造成chip内包含的逻 辑线路增加,就要使chip引脚数增加等等。

            ? IC封装的主要分类以及各自特点:
            ? 一、DIP双列直插式封装
            ? DIP(DualIn-line Package)是指采用双列直插形 式封装的集成电路芯片,绝大多数中小规模集成电路(IC)均 采用这种封装形式,其引脚数一般不超过100个。采用DIP封 装的CPU芯片有两排引脚,需要插入到具有DIP结构的芯片插 座上。当然,也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电 路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应7 特别小心,以免损坏引脚。

            DIP封装之特点
            ?

            1.适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。 2.芯片面积与封装面积之间的比值较大,故体积也较大。

            DIP封装图示
            ? body PKG Lead Lead thickness:155mil thickness: 350mil width: 18.1mil pitch: 100mil

            ? DIP系列封装其他形式 ? PDIP(Plastic DIP)、CDIP(Ceramic DIP) ? SPDIP(Shrink plastic DIP)

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            二、SOP/SOJ小尺寸封装
            ? 1980年代,SMT(Surface Mounting Technology)技 术发起后,在SMT的生产形态中,SOP(Small Out-Line Package)/SOJ( Small Out-Line J-Lead package)随之出 现,引脚在IC两侧。

            SOP/SOJ封装形态之特点
            1. SOP/SOJ is a lead frame based package with "Gull wing "form lead suitable for low pin count devices. 2. Body width ranges from 330 to 496 mils with pitch 50 mils available. 3. Markets include consumer ( audio/ video/ entertainment ), telecom (pagers/ cordless phones), RF, CATV, telemetry, office appliances (fax/copiers/printers/PC peripherals) and automotive industries.
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            SOP (Small Out-Line Package)封装形态之图 示
            body PKG Lead Lead thickness:87~106mil thickness:104~118mil width: 16 mil pitch: 50 mil

            SOJ ( Small Out-Line J-Lead package)封装形态 之图示
            body PKG Lead Lead thickness:100 mil thickness:130~150mil width: 17~20 mil pitch: 50 mil
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            SOP封装系列之其他形式 1.SSOP(Shrink SOP)
            body PKG Lead Lead thickness:70~90 mil thickness: 80~110mil width: 10~15 mil pitch: 25 mil

            2.TSOP(Thin SOP)
            body PKG Lead Lead thickness:1.0 mm thickness: 1.2mm width: 0.38~0.52 mm pitch: 0.5 mm

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            ? 3.TSSOP(Thin Shrink SOP)
            body thickness:0.90 mm PKG thickness: 1.0mm Lead width:0.1~0.2mm Lead pitch: 0.4~0.65mm 4.TSOP(Ⅰ) : Thin SOP Ⅰ 5.TSOP(Ⅱ ) : Thin SOP Ⅱ 6.QSOP : Quarter Size Outline Package 7.QVSOP : Quarter Size Very Small Outline Package
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            三、QFP方型扁平式封装和PFP扁平封装
            ?
            QFP(Plastic Quad Flat Package)封装的芯片引脚之间距离 很小,管脚很细,一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式, 其引脚数一般在100 – 256 100 256。用这种形式封装的芯片必须采用SMD(表面 安装设备技术)将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板 上打孔,一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对 准相应的焊点,即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片,如 果不用专用工具是很难拆卸下来的。 ? PFP(Plastic Flat Package)方式封装的芯片与QFP方式基本相 同。唯一的区别是QFP一般为正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是 长方形。 QFP/PFP封装具有以下特点 特点: 特点 1.适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。 2.适合高频使用。 3.操作方便,可靠性高。 4.芯片面积与封装面积之间的比值较小
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            QFP方型扁平式封装和PFP扁平封装图示
            body thickness:>2.8 mm PKG thickness: >3.3 mm Lead width: 0.18~0.35mm Lead pitch: 0.40~1.0 mm

            QFP封装系列之其他形式 1.LQFP(Low profile QFP):
            body PKG Lead Lead thickness:1.4mm thickness: 1.6mm width: 0.22~0.37mm pitch: 0.40~0.80mm

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            ? 2.TQFP(Thin QFP):
            ? body PKG Lead Lead thickness:1.0 mm thickness: 1.2 mm width: 0.18~0.37 mm pitch: 0.40~0.80 mm

            3.DPH-QFP(Die Pad Heat Sink QFP)
            ? body PKG Lead Lead thickness:2.8 mm thickness: 3.3 mm width: 0.2~0.3 mm pitch: 0.5 mm
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            ? 4.DPH-LQFP(Die-pad Heat Sink Lowprofile QFP)
            ? body PKG Lead Lead thickness:1.4 mm thickness: 1.6 mm width: 0.22 mm pitch: 0.5 mm

            5.DHS-QFP(Drop-in Heat sink QFP)
            ? body PKG Lead Lead thickness:1.4 mm thickness: 1.6 mm width: 0.22 mm pitch: 0.5 mm

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            ? 6.EDHS-QFP(Exposed Drop-in Heat sink QFP)
            ? body PKG Lead Lead thickness:>3.2 thickness: >3.6 width: 0.18~0.3 pitch: 0.4~0.65 mm mm mm mm

            ? 7.E-Pad TQFP(Exposed-Pad TQFP)
            ? body PKG Lead Lead thickness:1.0 mm thickness: 1.2 mm width: 0.22 mm pitch: 0.50 mm

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            ? 8.VFPQFP(Very Fine Pitch QFP) ? 9.S2QFP(Spacer Stacked QFP) ? 11.Stacked E-PAD LQFP

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            ? 10.MCM-LQFP(Multi-chip module Lowprofile QFP) ? 12.PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier Package )

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            PGA插针网格阵列封装
            ? PGA(Pin Grid Array Package)芯片封装形式在 芯片的内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯 片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少,可 以围成2-5圈。安装时,将芯片插入专门的PGA插座。为 使CPU能够更方便地安装和拆卸,从486芯片开始,出现 一种名为ZIF(Zero Insertion Force Socket) 的CPU插 座,专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。 PGA插针网格阵列封装之特点 1.插拔操作更方便,可靠性高。 2.可适应更高的频率Intel系列CPU中,80486和 Pentium、Pentium Pro均采用这种封装形式
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            ? PGA插针网格阵列封装之图示

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            BGA球栅阵列封装
            ?
            随着集成电路技术的发展,对集成电路的封装要求 更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性,当IC的 频率超过100MHz时,传统封装方式可能会产生所谓的 “Cross Talk”现象,而且当IC的管脚数大于208 Pin时,传统 的封装方式有其困难度。因此,除使用QFP封装方式外,现 。 今大多数的高脚数芯片(如图形芯片与芯片组等)皆转而使 用BGA(Ball Grid Array Package)封装技术。 BGA封装具有以下特点: 1.I/O引脚数虽然增多,但引脚之间的距离远大于QFP封装 方式,提高了成品率。 2.虽然BGA的功耗增加,但由于采用的是可控塌陷芯片 法焊接,从而可以改善电热性能。 3.信号传输延迟小,适应频率大大提高。 4.组装可用共面焊接,可靠性大大提高。
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            BGA封装之基板:Substrate
            ?
            BGA是IC封装的一种方式,是单一晶片或多晶片以打 是 封装的一种方式,是单一晶片或多晶片以打 封装的一 接合(Wire Bonding)、卷带式接合 式接合(Tape Automated)或覆 线接合 、卷带式接合 或 晶式接合(Flip Chip)的方式和基板上之导路相連接;而基板本 的方式和基板上之导路相連接; 晶式接合 的方式和基板上之导路相連接 身以Area Array陣列式分布的锡凸块作为IC元件向外连接之端 陣列式分布的锡 元件向外连 身以 陣列式分布的 元件向外 然而要完成BGA封装中晶片与各球的连接,須先安置连接 封装中晶片 的连接, 置连接 点,然而要完成 封装中晶片与各球的连接 須先安置连 者的小型薄片,这个小型薄片就是 小型薄片就是BGA基板,BGA基板占封 基板, 基板占封 两者的小型薄片,这个小型薄片就是 基板 基板 材料成本2/3, 基板在整个 的封裝中占 装材料成本 ,BGA基板在整个BGA的封裝中占有举足轻重 基板在整 的封裝中 的地位。 的地位。 BGA基板因使用材料不同可分为四大类 基板因使用材料不同可分为四大类: 基板因使用材料不同可分为四大类 1.CBGA (Ceramic BGA) 2.PBGA (Plastic BGA) 3.TBGA (Tape BGA) 4.MBGA (Metal BGA) 23

            ? ? ? ? ?

            BGA依据基板使用材料不同可分为五大类:
            1. PBGA(Plastic基板) :一般为2-4层有机材料构 成的多层板。 2. CBGA(Ceramic基板) :即陶瓷基板,芯片与基 板间的电气连接通常采用倒装芯片(FlipChip,简 称FC)的安装方式。 3. FCBGA(Rigid基板) :硬质多层基板。 4. TBGA(Tape 基板) :基板为带状软质的1-2层PCB 电路板。 5. CDPBGA(Cavity Down Plastic基板) :指封装中 央有方型低陷的芯片区(又称空腔区)。
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            ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

            ball ? :0.55~0.75mm ball count:100~1000 ball pitch: 1.0~1.7mm substrate Thk:0.56mm body Thk:1.56~1.73mm PKG Thk:2.16~2.33mm ball ? :0.30~0.60mm ball count:100~1000 ball pitch: 0.8~1.0mm substrate Thk:0.36mm body Thk:0.90mm PKG Thk:1.30~1.60mm

            1. PBGA(Pastic BGA)

            ? 2. LBGA(Low-profile BGA)

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            3. LTBGA(Low-profile Tape BGA)
            ? ? ? ? ? ? ball ? :0.45mm ball count:100~1000 ball pitch: 0.80mm substrate Thk:0.1mm body Thk:0.80mm PKG Thk:1.20mm

            ? 4. TFBGA(Thin & Fine pitch BGA)
            ? ? ? ? ? ? ball ? :0.30~0.60mm ball count:100~1000 ball pitch: 0.50~1.0mm substrate Thk:0.36mm body Thk:0.89mm PKG Thk:1.20~1.60mm

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            5. TFTBGA(Thin & Fine-pitch Tape BGA)
            ? ? ? ? ? ? ball ? :0.40mm ball count:100~1000 ball pitch: 0.75mm substrate Thk:0.10mm body Thk:0.75mm PKG Thk:1.10mm

            ? 6. EDHSBGA(Exposed Drop-in Heat Sink BGA)
            ? ? ? ? ? ? ball ? :0.75mm ball count:100~1000 ball pitch: 1.27mm substrate Thk:0.56mm body Thk:1.73mm PKG Thk:2.33mm

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            6. STFBGA(Stacked Thin & Fine-pitch BGA)
            ? ? ? ? ? ? ball ? :0.80~1.0mm ball count:100~1000 ball pitch: 0.40mm substrate Thk:0.26mm body Thk:0.96mm PKG Thk:1.40mm

            ? 7. CDTBGA(Cavity Down Tape BGA)
            ? ? ? ? ? ? ball ? :0.60~0.75mm ball count:100~1000 ball pitch: 1.0~1.27mm substrate Thk:1.0~1.2mm body Thk: 1.0~1.2mm PKG Thk:1.60mm

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            8. L2BGA/EBGA
            (Laser laminate BGA/Enhanced BGA)
            ? Laser laminate BGA/Enhanced BGA are cavity down,thermally enhanced BGA with laminated substrate .They are suitable for solutions for high power dissipation applications(>6w). L2BGA with laser drilled via enhances circuitry EBGA uses BTlaminated with multiple layers at a very competitive cost. Superior electrical performance is achieved by multiple metal layer laminate based construction.
            ball ? :0.60~0.75mm ball count:100~1000 ball pitch: 1.0~1.27mm substrate Thk:1.0~1.2mm body Thk:1.0~1.2mm PKG Thk:1.60mm

            ? ? ? ? ? ?

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            9. MCMBGA(Multi-chip Module BGA)
            ? ? ? ? ? ? ball ? :0.60~0.75mm ball count:100~1000 ball pitch: 1.27mm substrate Thk:0.56mm body Thk:1.56~1.73mm PKG Thk:2.16~2.33mm

            ?
            ? ? ? ? ? ?

            10. FCBGA(Flip Chip BGA)
            ball ? :0.60~0.75mm ball count:100~2000 ball pitch: 1.0~1.27mm substrate Thk:1.0~2.0mm body Thk:3.0mm PKG Thk:3.5mm

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            BGA封装的其他常见形式

            ? HPBGA(High Performance BGA)

            chip array BGA

            ? Tape Array BGA Tape super BGA ? 以及其他的如:Micro BGA、Viper BGA…

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            BGA封装系列形式

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            以上各封装形态之主要运用产品
            封裝方式
            DIP SOP/SOJ PLCC QFP BGA

            主要產品
            Flash(Bios)、ROM、滑鼠 、 、滑鼠IC DRAM、監視器IC、消費性電 、監視器 、 子IC Flash、EPROM 、 繪圖晶片、 繪圖晶片、SRAM、網路卡 、網路卡IC 晶片組、 繪圖晶片 繪圖晶片、 晶片組、3D繪圖晶片、MCU 、MPU、RF、Portable Pro. 、 、
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            MCM(Multi Chip Module)多晶片模組
            ?
            多晶片模組是將多個未封裝的裸晶片一起封裝於同一個 封裝體內,如此可縮小系統的體積,並縮短晶片間的連接線路, 因而成為改善系統效能的一大捷徑,多晶片模組的基本構想是盡 量減少系統中晶元的間隙,其目的是縮短晶片間信號的延滯,縮 小系統尺寸及減少外接的連線,而造就出高性能的元件。

            具有下列特性:
            ? 1.封装延迟时间缩小,易于实现模块高速化。 2.缩小整机/模块的封装尺寸和重量。 3.系统可靠性大大提高。

            ?

            綜合上述特性,多晶片模組將成為未來攜帶式無線 通訊系統的主流,隨著多媒體的發展,多晶片模組也將 大量出現於工作站及筆記型電腦中。 34

            MCM多晶片模組图示:

            35

            MCM多晶片模組系列图示:

            36

            SiP ( System in Package )
            ? Semiconductor industry demands for higher levels of integration, lower costs, and a growing awareness of complete system configuration hav econtinued to drive System in Package (SiP) solutions.

            SiP封装图示:

            37

            CSP(Chip Scale Package)芯片级封装
            ? 随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮,封装技术已进步 到CSP(Chip Size Package)。它减小了芯片封装外形的尺寸,做到裸芯片尺 寸有多大,封装尺寸就有多大。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍, IC面积只比晶粒(Die)大不超过1.4倍。

            CSP封装具有以下特点:
            1.满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。 2.芯片面积与封装面积之间的比值很小。 3.极大地缩短延迟时间。

            CSP封装又可分为四类:
            1.Lead Type(传统导线架形式 传统导线架形式) 1.Lead Frame Type(传统导线架形式) Type(硬质内插板型 硬质内插板型) 2. Rigid Interposer Type(硬质内插板型) Type(软质内插板型 软质内插板型) 3. Flexible Interposer Type(软质内插板型), 4. Wafer Level Package(晶圆尺寸封装): Package(晶圆尺寸封装 晶圆尺寸封装)

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            CSP封装所涉及之精密技术:Flip Chip
            ?
            Flip Chip(覆晶 ):覆晶技術起源於1960年代,當時IBM 開發出所謂之C4 (Controlled Collapse Chip Connection)技術, 在I/O pad上沈積錫鉛球,而後將晶片翻轉、加熱,利用熔融的 錫鉛球與基板相結合,並以此技術取代傳統打線接合(wire bonding)而應用於大型電腦組裝上。 ? 廣義的覆晶技術泛指將晶片翻轉後,以面朝下的方式透 過金屬導體與基板進行接合。一般而言,金屬導體包含有金屬凸 塊(metal bump)、捲帶接合(tape-automated bonding) 等,這其 中以金屬凸塊技術最為成熟,亦被廣泛應用於量產之產品上。 ? 一般而言,由於成本與製程因素,使用覆晶接合之產品通 可分為兩種形式,分別為較常使用於低I/O數 IC之覆晶式組裝(flip chip on board,FCOB)及主要使用於高I/O數IC的覆晶式構裝(flip chip in package,FCIP),其中FCOB為直接晶片接合(direct chip attachment;DCA)技術之一。
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            CSP封装所涉及之精密技术:bumping

            40

            CSP封装所涉及之精密技术之
            Area array bumping & Peripheral bumping

            ? 1、 Peripheral bumping(周边长bump):如 上页流程所示,是指在裸芯片pad原位置上长 bump,形成一矩形。此种长 bump法一般比较 容易实现。 ? 2、 Area array bumping (阵列长bump):如 下图所示,是通过导线将原裸芯片之pad位置 重新分布,形成一个阵列,此种长bump法要求 工艺相对较高。
            41

            CSP封装所涉及精密技术之Redistribution
            Process Result

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            ETCSP( Extremely Thin CSP)

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            FCCSP(Chip Scale CSP)
            ? ? ? ? ? ? ball ? :0.30mm ball count:100~200 ball pitch: 0.75mm substrate Thk:0.5mm body Thk:1.0mm PKG Thk:1.2mm

            ? QFN(Quad Flat No-lead)
            ? ? ? ? ? Lead width :0.18~0.30mm Lead count:10~200 Lead pitch: 0.4~0.8mm body Thk:0.65mm PKG Thk:0.85mm

            44

            WLCSP(Wafer Level CSP)
            ? WLCSP(晶圆级封装):指大部分封装工作在芯片处 于晶圆状态时完成.流程如下:
            WAFER WAFER Backgrind WAFER Probe WAFER monut/Saw Laser Mark Visual Inspect Pick & Place to tray Pack & Ship Die SiP/Lead frame/laminate pack ship WAFER Bumping

            45

            CSP封装系列形态

            46

            后记:出货前须经历之试验
            ? 1、121℃ /100%相对湿度条件下168小时高压汽 锅试验(PCT) ? 2、150℃ 温度条件下1000小时高温存储试验 (HTSL) ? 3、85℃ /85%相对湿度条件下1000小时的温度 湿度偏差试验(RHTHBT) ? 4、1000次-55℃ 到+125℃ 温度循环试验 ? 5、130℃ /85%相对湿度条件下168小时的加速 度应力试验 47

            总结
            ?
            隨著半導體製程技術和設計技術的精進, 以及低成本、低耗電量、多功能和輕薄短小等市 場需求興起,於網路晶片、PC晶片組或嵌入式記 憶體晶片均已經開始看到整合晶片的雛形,SOC 晶片將成為未來的趨勢,為因應腳數增加及散熱 的需求,預期BGA封裝方式的需求將逐漸增加。 ? 雖然目前整個半導體產業成長趨緩,封裝 廠的產能利用率僅有60-70%,對BGA載板的需 求有一定程度上的影響,然而就長期趨勢而言, 我們仍相當看好BGA或是覆晶的封裝方式。
            48


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