Процес складання друкованих плат на мікросхемах та їх надійність

Розуміння технології Chip On Board

Що таке чіп на борту

Чіп на платі (Chip on Board) – це метод упаковки, за якого кристали напівпровідників безпосередньо монтуються на друковані плати, а не розміщуються в традиційних корпусах. Кристал кріпиться до підкладки друкованої плати за допомогою клею або припою, а електричні з'єднання встановлюються за допомогою дротяного склеювання або методу перевернення кристала (flip-chip). Такий підхід до прямої інтеграції усуває проміжний етап упаковки, створюючи більш компактну та ефективну збірку.

Еволюція від традиційної упаковки

Перехід від традиційних методів упаковки, таких як QFP та BGA, до технології чіп-он-борд з'явився через потреби у менших розмірах пристроїв та покращених теплових характеристик. Традиційні корпуси збільшують висоту, вагу та тепловий опір між кристалом та друкованою платою. Технологія COB усуває ці обмеження, видаляючи проміжний елемент у корпусі, що дозволяє скоротити шляхи з'єднання та безпосередньо розсіювати тепло через підкладку плати.

Роль COB у виробництві друкованих плат

В операціях зі складання друкованих плат, інтеграція мікросхем на плату вимагає спеціалізованих можливостей, що виходять за рамки стандартної технології поверхневого монтажу. Цей процес вимагає точного обладнання для розміщення кристалів, машин для з'єднання проводів та систем інкапсуляції. Виробники друкованих плат повинні координувати підготовку підкладки, обробку поверхні та конструкцію плати, щоб забезпечити кріплення кристалів без чіпа та забезпечити надійність протягом усього робочого процесу складання.

Процес складання мікросхеми на платі

Підготовка субстрату

Підкладка друкованої плати проходить ретельну обробку поверхні перед кріпленням кристала. Очищення видаляє забруднення, які можуть погіршити адгезію, а вибір обробки поверхні, зазвичай товсте золоте покриття або ENIG, забезпечує надійне з'єднання проводів. Нанесення клею або припою відбувається у визначених місцях на кристалі, при цьому точність розміщення є критично важливою для подальших операцій з'єднання.

Методи кріплення штампа

Голі кристали кріпляться до плати за допомогою струмопровідних або непровідних клеїв, залежно від теплових та електричних вимог. Струмопровідні епоксидні смоли забезпечують шляхи електричного заземлення, тоді як термоклеї оптимізують теплопередачу. Системи розміщення позиціонують кристали з мікронною точністю, після чого виконують цикли затвердіння, які встановлюють механічні зв'язки між кремнієм та підкладкою.

Методи взаємоз'єднання

З'єднання дротів залишається переважним методом з'єднання мікросхем на платі, використовуючи тонкі золоті або алюмінієві дроти для з'єднання контактних майданчиків кристала з доріжками друкованої плати. Ультразвукове або термозвукове з'єднання створює металургійні з'єднання на обох кінцях кожного дроту. Підходи типу "фліп-чіп" перевертають кристал, з'єднуючись через припійні виступи або мідні стовпчики для застосувань з більшою щільністю, що вимагають коротших з'єднань.

Інкапсуляція та захист

Після з'єднання, епоксидна смола або формувальні компаунди глоб-топ інкапсулюють з'єднання кристала та дроту. Цей захисний шар захищає від вологи, механічних навантажень та забруднень навколишнього середовища. Вибір матеріалу збалансовує коефіцієнти теплового розширення між кремнієм, клеєм та підкладкою друкованої плати, щоб мінімізувати напруження під час циклічних змін температури.

Тестування та перевірка

Електричні випробування перевіряють функціональність перед остаточною герметизацією, коли це можливо, хоча деякі збірки на мікросхемах тестуються лише після повної герметизації. Перевірка надійності включає циклічні зміни температури, вплив вологості та механічні навантаження, щоб гарантувати, що збірка відповідає заданим вимогам щодо терміну служби в усіх робочих температурних діапазонах.

Переваги інтеграції мікросхем на платі

Зменшення розміру та вартості

Технологія мікросхем на платі (чип на платі) усуває витрати на корпус та зменшує загальну займану площу складання. Оскільки корпуси корпусів не займають площу плати, розробники досягають вищої щільності компонентів. Така ефективність використання простору виявляється особливо цінною в мініатюрних виробах, де важливий кожен квадратний міліметр.

Покращена електрична продуктивність

Коротші з'єднувальні шляхи в збірках мікросхем на платах зменшують паразитну індуктивність та ємність. Цілісність сигналу покращується завдяки мінімізації довжин доріжок між контактними майданчиками кристала та схемами друкованої плати. Ця перевага в продуктивності вигідна для високочастотних застосувань, де індуктивність виводів корпусу в іншому випадку обмежувала б робочу швидкість.

Покращене управління температурою

Безпосереднє кріплення кристала до підкладок друкованої плати створює ефективні теплові шляхи для розсіювання тепла. Термічний опір зменшується порівняно з корпусними пристроями, де корпус перешкоджає потоку тепла. Ця характеристика робить мікросхему на платі придатною для силової електроніки та високопродуктивних процесорів. Алюмінієві підкладки додатково підвищують теплопровідність, коли це необхідно.

Основні переваги COB

Підхід з використанням мікросхем на платі забезпечує чіткі переваги за кількома параметрами продуктивності:

• Зниження площі – Відсутність корпусів упаковки дозволяє заощадити 40-60% простору порівняно з еквівалентними упакованими компонентами
• Нижчий термічний опір – Прямий контакт між кристалом та платою забезпечує теплові шляхи від переходу до навколишнього середовища до 1–3 °C/Вт
• Ефективність витрат – Зниження витрат на матеріали на 20-30%, досягнуте завдяки відмові від упаковки у великосерійному виробництві
• Цілісність сигналу – Довжина з’єднувальних елементів менше 3 мм мінімізує паразитні ефекти у високочастотних застосуваннях

Разом ці переваги роблять технологію мікросхем на платі привабливим рішенням для інженерів, які шукають компактні, термоефективні та економічно вигідні електронні збірки.

Обмеження та проблеми у виробництві мікросхем на платах

Складність процесу

Збірка мікросхем на платі вимагає контрольованого середовища чистого приміщення та спеціалізованого обладнання. Обробка кристалів вимагає точності, щоб уникнути пошкоджень або забруднення. Консистенція з'єднання дротів впливає на вихід продукції, причому кожне з'єднання вимагає оптимальних параметрів. Ці вимоги до процесу збільшують складність виробництва порівняно зі стандартним поверхневим монтажем.

Обмежені можливості переробки

Після інкапсуляції, збірки мікросхем на платі стають фактично постійними. Несправні кристали неможливо видалити та замінити, не руйнуючи область друкованої плати. Виробники повинні досягати високого виходу продукції першого проходу, оскільки витрати на брак включають як чистий кристал, так і підкладку друкованої плати.

Обмеження щодо проектування та надійності

Пристрої з великою кількістю вводів/виводів можуть зіткнутися з обмеженнями щодо з'єднання проводів через крок контактних майданчиків та складність прокладання проводів. Довгі з'єднання проводів створюють індуктивність, яка може вплинути на цілісність сигналу на високих частотах. Невідповідність коефіцієнтів теплового розширення між кремнієм, клеєм, герметиком та друкованою платою створює механічне напруження під час циклічної зміни температури.

Керівні принципи проектування друкованих плат для мікросхем на платі

Вимоги до обробки поверхні

Надійність з'єднання дротів залежить від якості та товщини поверхні. Хімічне нікелеве занурення в золото (ENIG) забезпечує рівну, придатну для з'єднання поверхню з відмінним терміном зберігання. Тверде золоте покриття забезпечує чудову міцність з'єднання, але збільшує вартість. Під час з'єднання покриття має бути вільним від забруднень та окислення.

Ця сторінка стосується методів складання мікросхем на платі, а не загальної електроніки дронів. Щодо вибору компонентів дронів та контексту їх застосування дивіться посібник із застосування мікросхем дронів ; для підтримки виробництва Highleap оцінює роботу з COB через свої можливості складання друкованих плат.

Через стратегію управління

Розташуйте перехідні отвори поза межами місця розташування кристала та межі герметика, щоб запобігти просочуванню епоксидної смоли через отвори. Якщо перехідні отвори мають бути в цих областях, вкажіть повне закриття міддю або непровідним заповненням з подальшим планаризацією. Незакриті перехідні отвори створюють слабкі місця, де порушується адгезія герметика і може проникати волога.

Макет опорних точок та контактних майданчиків

Обладнання для автоматизованого розміщення кристалів та з'єднання дротів вимагає точних орієнтирів положення. Для оптимального розпізнавання машинним зором розміщуйте опорні позначки у вигляді перехрестя, а не круглі візерунки. Проєктуйте розташування контактних площадок, щоб мінімізувати та вирівняти довжину дротів по периферії кристала, щоб запобігти дисбалансу струмів та коливанням механічних напружень.

Критичні параметри проектування

Успішне впровадження мікросхем на платі залежить від дотримання певних критеріїв проектування:

• Товщина золотого покриття – Мінімум 0.05 мкм блискавкового золота або 0.75-1.25 мкм твердого золота для надійного з'єднання проводів
• Відстань між контактними площадками – Витримуйте мінімальний крок 150-200 мкм, щоб запобігти короткому замиканню дроту під час операцій з'єднання
• Висота дротяної петлі – Виділіть зазор 200-400 мкм над поверхнею кристала для покриття герметиком
• Теплова через щільність – Розташуйте термоперехідні отвори в межах 1 мм від периметра кристала для оптимального розподілу тепла

Інтеграція теплового проектування

Розміщення голих кристалів безпосередньо впливає на теплові характеристики. Розміщуйте потужні кристали поблизу теплових отворів або ділянок зі збільшеною товщиною міді. Враховуйте схеми розподілу тепла в шарах друкованої плати. Для екстремальних теплових навантажень алюмінієві підкладки або вбудовані мідні пластини забезпечують кращі шляхи розсіювання тепла від з'єднання кристала до зовнішніх радіаторів.

Виробничі міркування для друкованої плати на мікросхемі

Вибір матеріалу плати

Для проектів з використанням мікросхем на платах потрібні підкладки для друкованих плат з відповідними тепловими властивостями та обробкою поверхні. FR-4 підходить для загального застосування, тоді як плати з алюмінієвою основою відповідають вимогам високої потужності. Друковані плати з металевим сердечником забезпечують покращений розподіл тепла для застосувань з високим навантаженням на тепло.

Вимоги до виробничої інфраструктури

Для обладнання, що обробляє мікросхеми на платі, потрібні установки для з'єднання штампів, системи з'єднання дротів, дозувальне обладнання для клеїв та герметиків, а також печі для полімеризації. Калібрування та обслуговування обладнання безпосередньо впливають на вихід продукції. Чисте виробниче середовище запобігає забрудненню твердими частинками під час кріплення та склеювання штампів.

Протокол зв'язку з клієнтом

Рання співпраця між виробниками друкованих плат та замовниками є важливою для успіху встановлення мікросхем на платі. Специфікації кристалів, схеми з'єднань, типи герметиків та теплові вимоги повинні бути чітко визначені. Постачальники повинні надавати детальну документацію щодо процесу та, де це доречно, відео виробничого процесу, що демонструють можливості.

Галузеве застосування технології Chip On Board

Світлодіодні системи освітлення

Світлодіодні модулі на платі з мікросхемами домінують у сферах освітлення з високою яскравістю. Кілька світлодіодних кристалів монтуються на алюмінієві підкладки, створюючи рівномірні джерела світла з чудовим терморегулюванням. Така конфігурація максимізує світлову ефективність, мінімізуючи витрати на корпус в автомобільних фарах, комерційному освітленні та спеціальному освітленні.

Носимі пристрої та пристрої Інтернету речей

Вимоги мініатюризації стимулюють впровадження вбудованих мікросхем у носимій електроніці та датчиках Інтернету речей. Розумні годинники, фітнес-трекери та слухові апарати використовують технологію COB для досягнення тонких форм-факторів. Зменшення висоти корпусу дозволяє створювати тонші конструкції продуктів, оскільки підключені пристрої продовжують поширюватися.

Ринкові можливості, що розвиваються

Розвиток інфраструктури 5G та застосування міліметрових хвиль створює можливості для використання вбудованих мікросхем у радіочастотних модулях, де мінімальні паразитні взаємозв'язки мають значення. Силова електроніка все частіше використовує COB для приводів двигунів та перетворення енергії, тоді як автомобільна електроніка застосовує цю технологію для модулів керування з обмеженим простором.

Переваги застосування за секторами

Різні галузі використовують технологію мікросхем на платі для досягнення конкретних вимог до продуктивності:

• Світлодіодне освітлення – Підвищення теплової ефективності на 25-35% завдяки безпосередньому монтажу на алюмінієву підкладку
• предмети одягу – Зменшення товщини пристрою, що дозволяє використовувати форм-фактори з загальною висотою складання менше 5 мм
• РЧ модулі – Мінімізація втрат сигналу завдяки зниженню паразитних впливів на міжз’єднання на 50-70% порівняно з корпусними альтернативами
• Силова електроніка – Зниження температури з'єднання на 15-20°C завдяки покращеному тепловому зчепленню
• автомобільний – Підвищення надійності, що відповідає вимогам AEC-Q100 Grade 1 для роботи при температурі від -40°C до 150°C

Ці переваги, характерні для певного сектору, підкреслюють, як технологія «чіп-на-платі» забезпечує вищу продуктивність, більшу надійність та компактніші конструкції в різноманітних електронних застосуваннях.

Висновок

Технологія «чіп на платі» пропонує переконливі переваги для застосувань, що вимагають компактних розмірів, економічної ефективності та підвищеної продуктивності. Підхід «чіп на платі» усуває традиційні накладні витрати на упаковку, одночасно покращуючи теплові та електричні характеристики. Однак успішне впровадження вимагає спеціалізованих виробничих потужностей, ретельного продумування дизайну та суворого контролю якості.

Для організацій, які оцінюють рішення на основі мікросхем на платах, вибір досвідчених виробничих партнерів є критично важливим. Оцініть можливості постачальників за допомогою аудитів об'єктів, огляду технологічної документації та оцінки зразків. Замовте відео виробничого процесу, що демонструють точність розміщення кристалів, узгодженість склеювання та якість герметизації.

У Highleap Electronics наші можливості з виробництва та складання друкованих плат охоплюють технології встановлення мікросхем на платі (chip on board) із сертифікатами ISO 9001, ISO 13485 та IATF 16949. Ми підтримуємо клієнтів від консультацій з проектування до серійного виробництва, надаючи технічну експертизу та виробничу інфраструктуру, необхідні для успішної інтеграції COB. Зверніться до нашої інженерної команди, щоб обговорити ваші вимоги до встановлення мікросхем на платі.