Czym jest technologia chip-on-board?

Czym jest technologia chip-on-board?

Technologia Chip on Board (COB): opakowanie, proces i zalety

Wprowadzenie  

Chip aboard (COB) należy do jednej z najważniejszych Płytka krążkowa opakowanie nowoczesnych technologii w współczesnych urządzeniach cyfrowych, co wynika z faktu, że ułatwia programistom tworzenie mniejszych, szybszych i bardziej odpornych termicznie produktów. W swojej istocie technologia COB polega na bezpośrednim montowaniu nieuszczelnionego krzemowego układu scalonego (die) na płytce PCB lub innej powierzchni montażowej, zamiast umieszczania układu w osobnym plastikowym lub ceramicznym obudowaniu. To właśnie bezpośrednie mocowanie układu scalonego sprawia, że opakowanie COB jest tak atrakcyjne w przenośnych urządzeniach cyfrowych, lampach LED, płytkach PCB do urządzeń elektronicznych użytkowych oraz wielu rodzajach wysokowydajnych Zestawów PCB . W świecie, w którym urządzenia są coraz cieńsze, lżejsze i znacznie bardziej wydajne, technologia COB stała się wartościowym rozwiązaniem umożliwiającym miniaturyzację urządzeń cyfrowych oraz optymalizację wydajności płytek PCB.

Powodem, dla którego technologia COB jest tak powszechnie stosowana, jest jej podstawowa zaleta: rozwiązuje ona jednocześnie wiele problemów. Po pierwsze, zmniejsza wymiary poprzez eliminację konieczności dodatkowego opakowania produktu wokół układu scalonego. Po drugie, zwiększa stabilność sygnału, ponieważ ścieżki elektryczne między układem półprzewodnikowym a płytą główną są znacznie krótsze. Po trzecie, zapewnia lepszą skuteczność odprowadzania ciepła przez płytę obwodów drukowanych (PCB), ponieważ ciepło może być przekazywane bardziej bezpośrednio do podłoża i dalej od aktywnego elementu. Po czwarte, może obniżyć koszty produkcji w przypadku masowej produkcji dzięki redukcji operacji pakowania oraz uproszczeniu struktury komponentów. Dla wielu inżynierów i producentów ta kombinacja oszczędzającej miejsce elektroniki, zmniejszenia utraty sygnału oraz nowoczesnej technologii odprowadzania ciepła czyni COB niezwykle korzystną alternatywą dla zaawansowanych rozwiązań montażu PCB oraz pakowania urządzeń cyfrowych.

COB jest szczególnie ważne w branżach, gdzie kluczowe znaczenie mają zarówno integralność, jak i niewielkie wymiary. W systemach PCB oświetlenia LED konstrukcje LED typu COB zapewniają wysoką gęstość strumienia świetlnego oraz skuteczną cyrkulację ciepła. W złożeniach PCB do zastosowań motocyklowych i samochodowych technologia COB może wspierać elementy czujników pomiarowych, elementy sterujące oraz systemy oświetleniowe, które muszą wytrzymać wibracje, zmiany temperatury oraz bezpośrednie oddziaływanie wilgoci. W projektowaniu PCB do zastosowań medycznych i lotniczo-kosmicznych COB może być wykorzystywane w przypadku, gdy projektanci dążą do zaawansowanego upakowania produktu przy jednoczesnym zapewnieniu doskonałej wydajności elektrycznej oraz bardziej zwartej integracji płytki. W aplikacjach PCB

Do zastosowań RF zmniejszone wpływy pasożytnicze wynikające z umieszczania nieopakowanych układów scalonych mogą poprawić działanie na wysokich częstotliwościach. Dlatego też technologia pakowania układów scalonych bezpośrednio na płytce (Chip on Board) nie jest jedynie specjalistyczną metodą – stanowi istotne podejście produkcyjne stosowane w wielu obszarach przemysłu produkcji urządzeń elektronicznych.

Czym jest technologia Chip on Board (COB)?

Montaż chipa na płytce (COB) to metoda pakowania elementów półprzewodnikowych, przy której surowy krzemowy układ scalony (die) jest bezpośrednio montowany na podłożu płytki obwodów drukowanych (PCB) lub innym podłożu. Zamiast umieszczać układ w gotowym plastikowym obudowaniu, producent łączy sam układ z płytką, a następnie utrwalają go metodą wiązania przewodami (wire bonding), techniką flip-chip lub innymi metodami montażu PCB. Dlatego też COB określa się zwykle jako bezpośredni montaż układu scalonego lub umieszczanie surowego układu (bare die). Eliminuje ono dodatkowe warstwy obudowy, co może poprawić przewodność elektryczną, zaoszczędzić miejsce oraz zwiększyć niezawodność końcowego produktu.

Podstawową ideą technologii COB jest bardzo przydatne umieszczanie układu jak najbliżej obwodu, który go obsługuje. Im krótsza jest ta ścieżka połączeniowa, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo utraty sygnału, pojemności pasożytniczej, niekorzystnej indukcyjności lub nadmiernego nagrzewania się. W projektach o wysokiej szybkości działania i dużej gęstości upakowania te niewielkie ulepszenia mają ogromne znaczenie. Technologia COB jest jednym z powodów, dla których wiele przenośnych urządzeń elektronicznych może być mniejszych, bez rezygnacji z wysokiej wydajności. Pomaga ona również producentom opracowywać rozwiązania opakowaniowe o wysokiej gęstości dla urządzeń, które muszą wykonywać więcej funkcji w znacznie mniejszej przestrzeni.

COB różni się od tradycyjnych metod pakowania układów scalonych, ponieważ eliminuje ochronną obudowę wokół krzemowego układu (die) na początku procesu montażu. Oznacza to, że układ jest narażony na działanie czynników zewnętrznych w trakcie całej produkcji, dlatego procedura wymaga wysokiej jakości płytek PCB, precyzyjnego wyposażenia oraz skutecznej kontroli warunków środowiskowych po montażu. W wielu wariantach układ jest chroniony warstwą epoksydową, hermetyzacją silikonową lub powłoką konformalną, aby zapobiec wpływowi wilgoci, brudu, wibracji oraz uszkodzeń mechanicznych. Jest to jednym z powodów, dla których technologię COB stosuje się zwykle w produktach, w których ważna jest stałość wymiarów przy jednoczesnym zachowaniu niewielkiej grubości.

Co czyni COB wyjątkowym?

Do czego stosuje się technologię COB?

Współczesna innowacja COB jest wykorzystywana wtedy, gdy projektanci chcą zastosować mniejsze, bardziej wydajne i często lepiej chłodzone rozwiązanie do pakowania półprzewodników. Jej zastosowanie jest szczególnie powszechne w produktach, w których przecinają się wymagania dotyczące oszczędzania miejsca przez urządzenia cyfrowe oraz wysokiej wydajności płytek PCB. Ponieważ układ jest montowany bezpośrednio na płytce, technologia COB pozwala zmniejszyć wpływ zakłóceń, zwiększyć stabilność sygnału oraz obniżyć niektóre rodzaje zakłóceń elektrycznych. Daje to mocne uzasadnienie do jej wyboru w produktach wymagających zarówno miniaturyzacji, jak i wysokiej wydajności.

Jednym z najważniejszych powodów, dla których technologia COB jest tak powszechnie stosowana, jest jej dobra adaptacja do różnych rynków. W projektowaniu płytek drukowanych (PCB) przeznaczonych na potrzeby urządzeń elektronicznych konsumenckich technologia COB pozwala producentom tworzyć mniejsze i lżejsze telefony komórkowe, urządzenia noszone oraz inteligentne gadżety. W urządzeniach elektronicznych przemysłowych umożliwia realizację modułów sterujących i systemów czujnikowych wymagających stabilnej pracy w trudnych warunkach środowiskowych. W produktach PCB stosowanych w motocyklach i samochodach technologia COB wspiera miniaturyzację elementów czujnikowych, systemów oświetleniowych oraz urządzeń sterujących. W projektach PCB przeznaczonych do zastosowań w zakresie częstotliwości radiowych (RF) technologia COB poprawia zachowanie układu w wysokich częstotliwościach poprzez ograniczanie efektów pasożytniczych oraz zmniejszanie szerokości ścieżek.

COB odgrywa ponadto istotną rolę w zastosowaniach płytek PCB do oświetlenia LED. Konstrukcje LED typu COB umieszczają kilka chipów emitujących światło bezpośrednio na podłożu, co pozwala osiągnąć wysoką gęstość strumienia świetlnego oraz skuteczną odprowadzanie ciepła. Dlatego właśnie elementy LED typu COB stosuje się często w reflektorach, oświetleniu komercyjnym, oświetleniu budynków oraz w elementach o wysokiej mocy wyjściowej. Nowoczesne innowacje umożliwiają znacznie lepsze odprowadzanie ciepła i pozwalają na utrzymanie stałej jasności. Innymi słowy, COB to nie tylko technologia elektroniczna – jest to również istotna strategia pakowania elementów w nowoczesnym oświetleniu.

Typowe zastosowania technologii COB

Płytki PCB do urządzeń elektronicznych dla konsumentów

Inteligentne Narzędzia

Urządzenia noszone

Urządzenia do inteligentnych domów

Płytki IoT

Płyta PCB do oświetlenia LED

Oświetlenie o wysokiej mocy wyjściowej

Oświetlenie komercyjne

Oświetlenie przemysłowe

Płyta PCB samochodowa

Elementy czujników

Moduły sterujące

Systemy oświetlenia LED

Płytki PCB do zastosowań medycznych

Urządzenia diagnostyczne

Kompaktowy radar

PCB lotniczych i kosmicznych

Elektronika lotnicza

Komponenty o wysokiej niezawodności

Rf pcb

Obwody wysokiej częstotliwości

Moduły wrażliwe na sygnał

Dlaczego inżynierowie wybierają technologię COB

Wpływ mniejszych rozmiarów płytki

Lepsze zarządzanie ciepłem na płytce PCB

Mniejszy spadek tłumienia sygnału

Mniejsza liczba etapów pakowania w niektórych układach

Wyróżniające się – idealne do produktów o wysokiej gęstości połączeń.

Praktyczne do innowacyjnej montażu płytek PCB.

Cechy i zalety technologii Chip on Board (COB)

Największą zaletą pakowania typu Chip on Board (COB) jest połączenie w jednej strategii korzyści związanych z gęstością, wydajnością oraz szybkością. Umieszczanie krzemowego układu scalonego bezpośrednio na płytce powoduje zwykle zmniejszenie jej rozmiarów oraz poprawę czystości elektrycznej projektu. Może to zwiększyć wydajność urządzeń elektronicznych pracujących w wysokiej częstotliwości, ograniczyć niektóre rodzaje zakłóceń sygnałowych oraz poprawić odprowadzanie ciepła. Te korzyści czynią technologię COB szczególnie atrakcyjną dla projektowania obwodów przenośnych, miniaturyzacji układów cyfrowych oraz optymalizacji wydajności płyt PCB.

 1. Miniaturyzacja

COB jest często stosowany, gdy deweloperzy chcą umieścić jeszcze większą moc w mniejszej przestrzeni. Usunięcie zewnętrznego obudowania pozwala znacznie zmniejszyć wymiary produktu. W niektórych zastosowaniach COB może zmniejszyć powierzchnię zajmowaną przez urządzenie o 30–50% w porównaniu do bardziej typowych metod pakowania. Jest to istotna zaleta dla produktów takich jak inteligentne urządzenia, mobilne narzędzia oraz elektronika noszona.

2. Właściwości elektryczne

Ponieważ układ scalony jest montowany bezpośrednio na płytce PCB lub podłożu, ścieżka elektryczna jest znacznie krótsza. Oznacza to:

 Mniejszy opór.

Znacznie mniejsza indukcyjność.

Mniejsze opóźnienie sygnału.

Lepszą stabilność sygnału.

Zmniejszone elementy pasożytnicze.

Te ulepszenia są szczególnie przydatne w zastosowaniach wysokiej częstotliwości, obwodach kondycjonowania sygnału oraz zaawansowanym pakowaniu cyfrowych urządzeń.

3. Wydajność cieplna

Cozy jest jednym z największych przeciwników urządzeń cyfrowych. Technologia COB wspiera tę koncepcję, ponieważ pozwala na znacznie lepsze przenoszenie ciepła z elementu Cozy do podłoża i otaczających go elementów. Jest to szczególnie istotne w przypadku opakowań wysokomocowych diod LED, elektroniki mocy oraz małych systemów działających w sposób ciągły. Lepszy przepływ ciepła oznacza mniejsze obciążenie komponentów i znacznie wyższą niezawodność w długim okresie użytkowania.

 4. Niższe koszty

COB może obniżyć koszty dzięki eliminacji wielu etapów związanych z tradycyjnymi procesami pakowania. Mniejsza liczba elementów obudowy może również skutkować niższymi zapasami i prostszymi łańcuchami dostaw. W przypadku produkcji masowej może to przynieść istotną różnicę w ogólnych kosztach produkcji.

 5. Elastyczność projektowa

COB obsługuje:

Płytki PCB dwustronne.

Płytki PCB wielowarstwowe.

Elastyczne płytki PCB w systemach specjalnych.

Dostosowane podłoża.

Układy o wysokiej gęstości.

Ta elastyczność czyni technologię COB niezwykle ważną zarówno w prototypowaniu płytek PCB, jak i w masowej produkcji płytek PCB.

Tabela zalet

Studium przypadku: COB w oświetleniu LED

Lampa LED z technologią COB może zawierać wiele chipów LED umieszczonych bardzo blisko siebie na jednym podłożu. Ze względu na bezpośrednie montowanie chipów źródło światła staje się wyjątkowo gęste i wydajne. To zapewnia jaśniejsze światło oraz bardziej jednolome oświetlenie. Poprawia również odprowadzanie ciepła, co przyczynia się do wydłużenia czasu pracy lampy.

Jak powstają układy Chip-on-Board

Proces produkcyjny COB to precyzyjna sekwencja czynności, która przekształca surowy krzemowy układ scalony (die) w zabezpieczoną i funkcjonalną jednostkę. W przeciwieństwie do typowego montażu SMD proces COB wymaga szczególnie ostrożnego postępowania, ponieważ chip pozostaje odsłonięty i bardziej podatny na uszkodzenia w trakcie montażu. Proces obejmuje zwykle przygotowanie podłoża, montaż układu (die attach), wiązanie przewodów (wire bonding), hermetyzację (encapsulation) oraz testowanie. Każda z tych czynności wpływa na końcową wydajność, niezawodność oraz wygląd produktu.

1. Przygotowanie podłoża

Proces rozpoczyna się od przygotowania podłoża PCB lub produktu bazowego. Powierzchnia musi być czysta, wypoziomowana i przygotowana do połączenia. W zależności od typu producent może zastosować przewodzący klej epoksydowy lub inny klej w celu utworzenia podstawy do montażu układu scalonego. Wybór elementu podłoża zależy od wymagań termicznych, elektrycznych i mechanicznych.

2. Montaż krzemowego kryształu (die)

Następnie surowy krzemowy kryształ (die) jest umieszczany na podłożu za pomocą maszyny pick-and-place lub precyzyjnych urządzeń do montażu kryształów. Etap ten nazywany jest montażem kryształu lub bezpośrednim montażem kryształu (die attach). Umieszczenie musi być bardzo precyzyjne, ponieważ nawet niewielkie niedoskonałości pozycjonowania mogą wpływać na jakość połączenia elektrycznego lub jakości połączenia.

3. Łączenie przewodami (wire bonding)

Po zamontowaniu kryształu (die) połączenia elektryczne są tworzone metodą łączenia przewodami (wire bonding). Cienkie przewody – zwykle ze złota, miedzi lub lekkiego aluminium – łączą pola kontaktowe układu scalonego z śladami PCB lub polami kontaktowymi do łączenia przewodami. Dwie powszechne metody to:

Łączenie klinem (wedge bonding).

Łączenie kulą (ball bonding).

Lutowanie przewodów jest jednym z najważniejszych etapów montażu COB, ponieważ tworzy mostek elektryczny między krzemową kostką półprzewodnikową a płytą.

4. Hermetyzacja

Przyklejona kostka i układ przewodów są zwykle chronione warstwą materiału epoksydowego, silikonu lub produktu typu glob-top. Proces ten nazywany jest hermetyzacją. Chroni ona montaż przed:

 Wilgoć.

Pył.

Naprężeniem mechanicznym i wibracjami.

Drgania.

Uszkodzeniami mechanicznymi.

5. Testowanie i kontrola jakości

Po zakończeniu montażu urządzenie podlega ocenie i testowaniu. Typowe metody obejmują:

Testy elektryczne.

Inspekcję AOI.

Testy starzenia (burn-in).

Ocena wizualna.

Praktyczne testowanie płytki.

 Te działania pomagają zidentyfikować problemy z przewodami, braki, nieprawidłowe umieszczenie kleju lub błędy elektryczne przed wysyłką produktu.

Stół do procesu COB

Wyzwania procesowe

Produkcja COB wymaga:

 Bezpiecznych środowisk.

Dokładnego rozmieszczenia.

Precyzyjnej kontroli temperatury.

Wykwalifikowanej obsługi.

Solidnej kontroli jakości.

COB w porównaniu z innymi technologiami pakowania

COB to tylko jedna z liczby technik pakowania półprzewodników; warto porównać ją z typowymi alternatywami, takimi jak BGA, SMD, PoP i DIP. Każde z tych rozwiązań ma swoje zalety, ale służy do rozwiązywania innych problemów. COB jest najlepsze tam, gdzie kluczowe są kompaktowe wymiary, kontrola termiczna oraz bezpośrednia integracja. Inne rodzaje pakowania mogą okazać się lepsze w przypadku, gdy ważniejsze są łatwość naprawy, standaryzacja lub wygodny montaż.

COB w porównaniu z BGA

W pakowaniu BGA do połączenia scalonego układu z płytą stosuje się kule lutownicze. Zapewnia ono doskonałą gęstość wyprowadzeń oraz ochronę i dominuje w procesorach CPU, GPU oraz zaawansowanych układach scalonych. W przypadku COB natomiast surowy krzem (die) jest montowany bezpośrednio na płycie.

COB kontra SMD

Nowoczesna technologia SMD wyjaśnia montaż elementów powierzchniowych (SMT), w której zapakowane komponenty są umieszczane na płytce. COB można uznać za znacznie prostszą formę integracji.

COB vs. PoP

Obudowa na strategii (PoP) nakłada upakowane układy jeden na drugim. Rozwiązanie to sprawdza się w wielofunkcyjnych urządzeniach, takich jak smartfony, ale różni się od COB, ponieważ COB skupia się na bezpośrednim montażu układów na poziomie płytki.

COB vs. DIP

Technologie DIP są starsze, większe i łatwiejsze do modelowania. Nadają się do standardowych zadań, ale nie zapewniają takiej kompaktowości ani wydajności jak COB.

 Tabela porównawcza

Zalety stosowania COB

Najważniejszym czynnikiem, który decyduje o wyborze przez projektantów układów COB (Chip-on-Board), jest możliwość stworzenia mniejszego, bardziej eleganckiego i lepiej zintegrowanego urządzenia. Zalety te jednak wykraczają poza sam rozmiar. COB może poprawić integralność płytki PCB, wspierać lepsze zarządzanie ciepłem na płytce PCB oraz zmniejszyć liczbę etapów pakowania produktu w łańcuchu dostaw. W optymalnym zastosowaniu może również obniżyć koszty i poprawić ogólną wydajność produktu.

 Główne zalety

Oszczędzania miejsca w elektronice.

Znacznie lepsza poprawa wydajności elektrycznej.

Poprawiona odporność na naprężenia termiczne oraz stres i lęk.

Mniejszy wzrost elementów.

Zminimalizowane efekty poboczne.

Doskonałe dopasowanie do pakowania produktów o wysokiej gęstości.

Idealne dla cyfrowych urządzeń o wysokiej niezawodności.

Przewagi produkcyjne

Mniej elementów w niektórych wersjach zestawów.

Możliwe zminimalizowanie całkowitej objętości opakowania.

Lepsza kompatybilność z procesem produkcji płytek PCB.

Odpowiednie dla procesów zautomatyzowanych i masowych.

Znacznie łatwiej dopasować do wymagań specyficznych dla danego produktu.

Przewagi Wydajności Produktu

COB może wspierać:

Zwiększa szybkość transmisji sygnału.

Zmniejsza utratę sygnału.

Umożliwia bardziej zwartą układankę elementów na płytce.

Zwiększa jasność urządzeń LED.

Poprawia odprowadzanie ciepła w systemach wrażliwych na obciążenie termiczne.

Korzyści biznesowe

Dla dostawców COB pozwala zachować:

Mniejsze przestrzenie przeznaczone na produkty.

Niższe koszty produktów.

Całkowicie nowe, znacznie tańsze rozwiązanie projektowe produktu.

Znacznie lepsze umiejscowienie płytki sterującej.

Silniejsza pozycja na małych rynkach.

Podsumowanie

Chip on Board (COB) to bezpośrednia metoda montażu i pakowania elementów, w której surowy układ scalony jest umieszczany bezpośrednio na podłożu płytki obwodów drukowanych (PCB) lub innym materiale podstawowym. Metoda ta jest powszechnie stosowana, ponieważ pozwala na zmniejszenie rozmiarów urządzeń, skrócenie czasu ich produkcji oraz znaczne poprawienie odporności termicznej. Skracając ścieżki sygnałowe i obniżając koszty pakowania, technologia COB wspiera integralność sygnału, zarządzanie ciepłem oraz kompaktową konstrukcję płytek PCB. Dlatego też znajduje zastosowanie w diodach LED typu COB, elektronice użytkowej, systemach motocyklowych i samochodowych, urządzeniach naukowych, sprzęcie lotniczym i kosmicznym oraz obwodach RF.

COB jest szczególnie przydatne, gdy produkt wymaga wysokogęstego pakowania elementów i niezawodnej integracji na poziomie płytki. Jednocześnie wymaga ono starannej produkcji, ochrony oraz testowania. Proces ten obejmuje przygotowanie podłoża, montaż krzemowego układu (die), wiązanie przewodów, hermetyzację oraz kontrolę jakości. Jest to technika bardziej specjalistyczna niż podstawowa montaż powierzchniowy (SMD), ale w odpowiednich produktach zapewnia wyraźne korzyści.

Często zadawane pytania

Jakie są główne zalety COB w porównaniu do tradycyjnych metod pakowania?

Główne zalety to mniejsze wymiary, znacznie lepsze właściwości cieplne, znacznie krótsze ścieżki sygnałowe oraz obniżona złożoność pakowania w niektórych konfiguracjach.

Dlaczego monitorowanie temperatury jest ważne w konstrukcjach COB?

 Ponieważ układ krzemowy (die) jest montowany bezpośrednio na podłożu, ciepło musi być starannie zarządzane, aby zapobiec naprężeniom i stresowi urządzenia, jego awariom lub utracie wydajności.

Czy zespoły COB można naprawiać?

 Często jednak serwis naprawczy jest trudny, ponieważ matryca jest umieszczona bezpośrednio na płytce i zazwyczaj otoczona po połączeniu.

Które elementy najlepiej nadają się do nowoczesnej technologii COB?

COB jest najbardziej odpowiednie dla urządzeń przenośnych, oświetlenia LED, obwodów RF, komponentów samochodowych, profesjonalnej elektroniki oraz innych systemów o wysokiej gęstości upakowania.

Czy COB to to samo co COB LED?

Nie. COB LED to konkretne zastosowanie technologii COB w oświetleniu. Samej nowoczesnej technologii COB używa się znacznie szerzej w pakowaniu produktów elektronicznych.