Proces a spolehlivost montáže desek plošných spojů na čipu

Pochopení technologie čipu na palubě

Co je čip na desce

Čip na desce (Chip on board) představuje metodu balení, kdy se holé polovodičové čipy (čipy) montují přímo na desky plošných spojů, místo aby byly umístěny v tradičních pouzdrech. Čip se připevňuje k substrátu desky plošných spojů pomocí lepidla nebo pájky, přičemž elektrická spojení se vytvářejí technikou drátového spojování (wire bonding) nebo flip-chip. Tento přístup k přímé integraci eliminuje mezikrok balení a vytváří kompaktnější a efektivnější sestavu.

Vývoj od tradičního balení

Přechod od konvenčních metod balení, jako jsou QFP a BGA , k technologii čipů na desce (chip on board), vyplynul z požadavků na menší rozměry zařízení a lepší tepelný výkon. Tradiční balení zvyšují výšku, hmotnost a tepelný odpor mezi čipem a deskou plošných spojů. Technologie COB tato omezení řeší odstraněním mezilehlého prvku v balení, což umožňuje kratší propojovací cesty a přímý odvod tepla přes substrát desky.

Role COB ve výrobě desek plošných spojů

V rámci osazování desek plošných spojů (PCB) vyžaduje integrace čipů na desku specializované schopnosti nad rámec standardní technologie povrchové montáže. Tento proces vyžaduje přesné zařízení pro umisťování čipů, stroje na spojování vodičů a systémy zapouzdření. Výrobci desek plošných spojů musí koordinovat přípravu substrátu, povrchové úpravy a návrh desky tak, aby umožňovaly upevnění holých čipů a zajistily spolehlivost v celém pracovním postupu montáže.

Proces montáže čipu na desce

Příprava podkladu

Substrát desky plošných spojů (PCB) prochází před připojením k čipu pečlivou povrchovou úpravou. Čištění odstraňuje nečistoty, které by mohly ohrozit přilnavost, zatímco výběr povrchové úpravy – obvykle silné zlacení nebo ENIG – zajišťuje spolehlivé spojení vodičů. Aplikace lepidla nebo pájení probíhá na určených místech čipu, přičemž přesnost umístění je klíčová pro následné operace spojování.

Metody upevnění matrice

Holé čipy se k desce montují pomocí vodivých nebo nevodivých lepidel v závislosti na tepelných a elektrických požadavcích. Vodivá epoxidová lepidla zajišťují elektrické uzemňovací cesty, zatímco tepelná lepidla optimalizují přenos tepla. Systémy pro umisťování čipů umisťují čipy s přesností na mikrony, po čemž následují cykly vytvrzování, které vytvářejí mechanické vazby mezi křemíkem a substrátem.

Techniky propojení

Spojování vodiči zůstává převládající metodou propojení čipů na desce plošných spojů (chips on board), přičemž se k propojení kontaktních plošek čipu s vodivými stopami na desce plošných spojů používají jemné zlaté nebo hliníkové dráty. Ultrazvukové nebo termosonické spojování vytváří metalurgické spoje na obou koncích každého drátu. Metody flip-chip umožňují obrácení čipu a spojení pomocí pájecích hrbolků nebo měděných sloupků pro aplikace s vyšší hustotou vyžadující kratší délky propojení.

Zapouzdření a ochrana

Po propojení zapouzdří spoje mezi čipem a dráty epoxidové nebo lisovací hmoty. Tato ochranná vrstva chrání před vlhkostí, mechanickým namáháním a znečištěním prostředí. Výběr materiálu vyvažuje koeficienty tepelné roztažnosti mezi křemíkem, lepidlem a substrátem desky plošných spojů, aby se minimalizovalo namáhání během teplotních cyklů.

Testování a ověřování

Elektrické testování ověřuje funkčnost před konečným zapouzdřením, pokud je to možné, ačkoli některé sestavy čipů na desce se testují až po úplném zapouzdření. Ověření spolehlivosti zahrnuje teplotní cykly, vystavení vlhkosti a mechanické namáhání, aby se zajistilo, že sestava splňuje stanovené požadavky na životnost v celém rozsahu provozních teplot.

Výhody integrace čipu na desce

Snížení velikosti a nákladů

Technologie čipů na desce desek eliminuje náklady na pouzdra a snižuje celkovou zastavěnou plochu. Díky tomu, že těla pouzder zabírají plochu desky, dosahují konstruktéři vyšší hustoty součástek. Tato prostorová efektivita se ukazuje jako obzvláště cenná u miniaturizovaných produktů, kde záleží na každém čtverečním milimetru.

Vylepšený elektrický výkon

Kratší propojovací cesty v sestavách čipů na desce plošných spojů (chip-on-board) snižují parazitní indukčnost a kapacitu. Integrita signálu se zlepšuje minimalizací délek tras mezi kontaktními ploškami a obvody na desce plošných spojů. Tato výkonnostní výhoda je přínosem pro vysokofrekvenční aplikace, kde by indukčnost vývodů pouzdra jinak omezovala provozní rychlost.

Vylepšené řízení teploty

Přímé připojení čipu k substrátům desek plošných spojů vytváří efektivní tepelné cesty pro odvod tepla. Tepelný odpor se snižuje ve srovnání s pouzdry v pouzdře, kde tělo pouzdra brání toku tepla. Tato vlastnost činí čip na desce vhodným pro výkonovou elektroniku a vysoce výkonné procesory. Hliníkové substráty dále zvyšují tepelnou vodivost, když je to potřeba.

Klíčové výhody COB

Přístup s čipem na desce přináší zřetelné výhody v několika výkonnostních aspektech:

• Snížená stopa – Eliminace pouzder umožňuje úsporu místa o 40–60 % ve srovnání s ekvivalentními pouzdry
• Nižší tepelný odpor – Přímý kontakt mezi čipem a deskou desky zajišťuje tepelné cesty mezi spojem a okolím až 1–3 °C/W
• Nákladová efektivita – Snížení nákladů na materiál o 20–30 % dosažené eliminací obalů ve velkoobjemové výrobě
• Integrita signálu – Délky propojovacích vodičů pod 3 mm minimalizují parazitní efekty ve vysokofrekvenčních aplikacích

Díky těmto výhodám je technologie čipů na desce atraktivním řešením pro inženýry, kteří hledají kompaktní, tepelně účinné a cenově dostupné elektronické sestavy.

Omezení a výzvy při výrobě čipů na deskách

Složitost procesu

Osazování čipů na desce vyžaduje kontrolované prostředí v čistých prostorách a specializované vybavení. Manipulace s čipy vyžaduje přesnost, aby se zabránilo poškození nebo kontaminaci. Konzistence spojů vodičů ovlivňuje výtěžnost, přičemž každý spoj vyžaduje optimální parametry. Tyto procesní požadavky zvyšují složitost výroby ve srovnání se standardní povrchovou montáží.

Omezená možnost přepracování

Jakmile jsou čipy zapouzdřeny, stanou se v podstatě trvalými. Vadné čipy nelze vyjmout a vyměnit bez zničení oblasti desky plošných spojů. Výrobci musí dosáhnout vysoké výtěžnosti v prvním průchodu, protože náklady na zmetky zahrnují jak holý čip, tak i substrát desky plošných spojů.

Omezení návrhu a spolehlivosti

Zařízení s vysokým počtem I/O se mohou setkat s omezeními v propojování vodičů kvůli rozteči kontaktních plošek a složitosti vedení vodičů. Dlouhé propojování vodičů zavádí indukčnost, která může ovlivnit integritu signálu při vysokých frekvencích. Nesrovnalé koeficienty tepelné roztažnosti mezi křemíkem, lepidlem, zapouzdřovacím materiálem a deskou plošných spojů vytvářejí mechanické namáhání během teplotních cyklů.

Pokyny pro návrh desek plošných spojů (PCB) pro čip na desce

Požadavky na povrchovou úpravu

Spolehlivost spojování drátů závisí na kvalitě a tloušťce povrchové úpravy. Bezproudové niklování ponořovacím zlatem (ENIG) poskytuje plochý, spojitelný povrch s vynikající trvanlivostí. Tvrdé zlacení nabízí vynikající pevnost spoje, ale zvyšuje náklady. Povrchová úprava musí být v době spojování bez kontaminace a oxidace.

Tato stránka se věnuje metodám osazování čipů na desce plošných spojů (COB), nikoli obecné elektronice dronů. Výběr součástek pro drony a kontext aplikace naleznete v příručce pro použití čipů pro drony ; pokud jde o podporu výroby, Highleap hodnotí práci s COB (čipy na desce plošných spojů) prostřednictvím svých schopností osazovat desky plošných spojů (PCB).

Prostřednictvím strategie řízení

Umístěte průchody mimo plochu čipu a hranici zapouzdření, abyste zabránili pronikání epoxidu skrz otvory. Pokud musí být průchody uvnitř těchto oblastí, specifikujte jejich úplné ucpání mědí nebo nevodivou výplní a následné planarizaci. Nezakryté průchody vytvářejí slabá místa, kde selhává přilnavost zapouzdření a může pronikat vlhkost.

Rozložení referenční a vazebné podložky

Automatizované zařízení pro osazování čipů a spojování vodičů vyžaduje přesné reference polohy. Pro optimální rozpoznání strojovým viděním umístěte referenční značky ve tvaru nitkového kříže místo kruhových vzorů. Navrhněte rozvržení spojovacích plošek tak, aby se minimalizovaly a vyrovnaly délky vodičů po obvodu čipu, a zabránilo se tak nerovnoměrnému proudu a kolísání mechanického namáhání.

Kritické parametry návrhu

Úspěšná implementace čipu na desce závisí na dodržování specifických návrhových kritérií:

• Tloušťka zlaté povrchové úpravy – Minimálně 0.05 μm blikajícího zlata nebo 0.75–1.25 μm tvrdého zlata pro spolehlivé spojení vodičů
• Rozteč kontaktních plošek – Dodržujte minimální rozteč 150–200 μm, aby se zabránilo zkratu vodičů během spojování
• Výška drátěné smyčky – Nad povrchem matrice ponechte volný prostor 200–400 μm pro pokrytí zapouzdřovací hmotou
• Tepelné přes hustotu – Pro optimální rozvod tepla umístěte tepelné průchodky do 1 mm od obvodu čipu

Integrace tepelného návrhu

Umístění holých čipů přímo ovlivňuje tepelný výkon. Umístěte vysoce výkonné čipy v blízkosti tepelných průchodů nebo oblastí se zvýšenou tloušťkou mědi. Zvažte vzorce rozložení tepla ve vrstvách desky plošných spojů. Pro extrémní tepelné zatížení poskytují hliníkové substráty nebo zapuštěné měděné mince vynikající cesty odvodu tepla od spoje čipu k externím chladičům.

Výrobní aspekty pro desky plošných spojů s čipem

Výběr materiálu desky

Projekty s čipy na desce vyžadují substráty plošných spojů s vhodnými tepelnými vlastnostmi a povrchovou úpravou. FR-4 slouží pro všeobecné použití, zatímco desky s hliníkovým podkladem vyhovují požadavkům na vysoký výkon. Kovové jádro desek plošných spojů zajišťuje vylepšený rozvod tepla pro tepelně náročné aplikace.

Požadavky na výrobní infrastrukturu

Zařízení manipulující s čipy na desce vyžadují spojovače forem, systémy pro spojování drátů, dávkovací zařízení pro lepidla a zalévací hmoty a vytvrzovací pece. Kalibrace a údržba zařízení má přímý vliv na výtěžnost. Čisté výrobní prostředí zabraňuje kontaminaci částicemi během upevňování a spojování forem.

Protokol komunikace se zákazníkem

Včasná spolupráce mezi výrobci desek plošných spojů a zákazníky se ukazuje jako zásadní pro úspěch instalace čipů na desce. Specifikace čipů, schémata spojů, typy zapouzdřovacích materiálů a tepelné požadavky musí být jasně definovány. Dodavatelé by měli poskytnout podrobnou dokumentaci procesu a v případě potřeby i videa z výrobního procesu demonstrující dané možnosti.

Průmyslové aplikace technologie čipů na desce

LED osvětlovací systémy

LED moduly s čipem na desce dominují v aplikacích s vysokým jasem. Více LED čipů se montuje na hliníkové substráty a vytváří tak jednotné světelné zdroje s vynikajícím tepelným managementem. Tato konfigurace maximalizuje světelnou účinnost a zároveň minimalizuje náklady na pouzdro v automobilových světlometech, komerčním osvětlení a specializovaném osvětlení.

Nositelná a IoT zařízení

Požadavky na miniaturizaci vedou k zavádění integrovaných čipů v nositelné elektronice a senzorech IoT. Chytré hodinky, fitness trackery a naslouchátka využívají technologii COB k dosažení štíhlých rozměrů. Eliminace výšky pouzdra umožňuje tenčí design produktů s tím, jak se stále více propojených zařízení rozmáhá.

Příležitosti na rozvíjejících se trzích

Pokrok v infrastruktuře 5G a aplikacích v milimetrových vlnách vytváří příležitosti pro použití čipů na desce RF modulů, kde záleží na minimálních parazitních propojeních. Výkonová elektronika stále častěji využívá COB pro pohony motorů a převod energie, zatímco automobilová elektronika tuto technologii využívá pro řídicí moduly s omezeným prostorem.

Výhody aplikace podle odvětví

Různá odvětví využívají technologii čipů na desce pro specifické požadavky na výkon:

• LED osvětlení – Zlepšení tepelné účinnosti o 25–35 % díky přímé montáži hliníkového substrátu
• wearables – Snížení tloušťky zařízení umožňuje dosáhnout celkové výšky sestavy pod 5 mm
• RF moduly – Minimalizace ztráty signálu díky snížení parazitních vlastností propojení o 50–70 % oproti alternativním pouzdrům
• Výkonová elektronika – Snížení teploty spoje o 15–20 °C díky vylepšené tepelné vazbě
• Automobilový průmysl – Zvýšená spolehlivost splňující požadavky AEC-Q100 Grade 1 pro provoz v teplotách od -40 °C do 150 °C

Tyto výhody specifické pro daný sektor zdůrazňují, jak technologie čipů na desce umožňuje vyšší výkon, větší spolehlivost a kompaktnější konstrukce v různých elektronických aplikacích.

Závěr

Technologie čipů na desce desek (chips on board) nabízí přesvědčivé výhody pro aplikace vyžadující kompaktní rozměry, cenovou efektivitu a vyšší výkon. Přístup „direct die-to-board“ eliminuje tradiční režijní náklady na balení a zároveň zlepšuje tepelné a elektrické vlastnosti. Úspěšná implementace však vyžaduje specializované výrobní kapacity, pečlivé zvážení návrhu a přísnou kontrolu kvality.

Pro organizace, které hodnotí řešení s čipy na deskách, je výběr zkušených výrobních partnerů klíčový. Posuďte schopnosti dodavatelů prostřednictvím auditů zařízení, kontroly procesní dokumentace a vyhodnocení vzorků. Vyžádejte si videa z výrobního procesu demonstrující přesnost umístění čipů, konzistenci spojů a kvalitu zapouzdření.

Ve společnosti Highleap Electronics zahrnují naše výrobní a montážní kapacity desek plošných spojů (PCB) technologie čipů na desce s certifikacemi ISO 9001, ISO 13485 a IATF 16949. Podporujeme zákazníky od konzultací ohledně návrhu až po hromadnou výrobu a poskytujeme technické znalosti a výrobní infrastrukturu nezbytnou pro úspěšnou integraci COB. Kontaktujte náš technický tým a proberte s námi vaše požadavky na čipy na desce.