Čo je technológia chip-on-board?

Čo je technológia chip-on-board?

Technológia Chip-on-Board (COB): Balenie, proces a výhody

Úvod  

Balenie čipov na doske (COB) patrí medzi najdôležitejšie PCB moderné balenie technológií v súčasných digitálnych zariadeniach, pretože umožňuje vývojárom vytvárať menšie, rýchlejšie a tepelne stálejšie výrobky. V jadre technológie COB ide o priame prichytenie nepoužitého polovodičového kryštálu (die) priamo na substrát plošného spoja (PCB) alebo iný inštalačný povrch namiesto umiestnenia čipu do samostatného plastového alebo keramického pouzdra. Práve táto metóda priameho montážneho prichytenia čipu robí balenie COB tak atraktívnym pre prenosné digitálne zariadenia, LED osvetlenie, spotrebné elektronické zariadenia, návrhy plošných spojov (PCB) a množstvo typov vysokovýkonných Montážnych jednotiek plošných spojov v svete, kde sa očakáva, že veci budú tenšie, ľahšie a oveľa výkonnejšie, sa technológia COB stala cennou metódou pre digitálnu miniaturizáciu a optimalizáciu účinnosti dosiek plošných spojov.

Dôvod, prečo sa technológia COB tak široko používa, je základný: zároveň rieši viacero problémov. Po prvé, zníži rozmery tým, že odstráni potrebu ďalšieho obalovania čipu. Po druhé, zvyšuje stabilitu signálu, pretože elektrická cesta medzi polovodičovým čipom a základnou doskou je výrazne kratšia. Po tretie, zabezpečuje lepšiu tepelnú reguláciu účinnosti PCB, pretože teplo sa môže priamo a efektívnejšie prenášať do podkladovej vrstvy a ďalej od aktívneho prvku. Po štvrté, môže znížiť výrobné náklady pri veľkosériovej výrobe prostredníctvom zníženia počtu obalovacích krokov a zjednodušenia počtu súčastí. Pre mnohých inžinierov a výrobcov predstavuje tento komplex výhod – úspora priestoru v elektronike, zníženie straty signálu a moderné technológie odvádzania tepla – veľmi výhodnú alternatívu pre pokročilé metódy montáže PCB a elektronického balenia.

COB je obzvlášť dôležitý v odvetviach, kde zároveň záleží na integrite a malých rozmeroch. V systémoch PCB pre LED osvetlenie poskytujú COB LED konštrukcie vysokú hustotu svetelného toku a účinné odvádzanie tepla. V automobilových PCB zostavách môže technológia COB pomôcť pri senzorových prvkoch, riadiacich prvkoch a osvetľovacích systémoch, ktoré musia vydržať vibrácie, kolísanie teplôt a priamy kontakt s vlhkosťou. V medicínskych a leteckých PCB návrhoch sa COB môže využiť v prípadoch, keď navrhovatelia požadujú pokročilé zabalenie výrobkov s vynikajúcim elektrickým výkonom a tesnejšou integráciou na doske. V RF

Aplikáciách PCB môže zníženie parazitných vplyvov umiestnenia nezabaleného čipu zlepšiť správanie na vysokých frekvenciách. Preto je technológia Chip-on-Board (COB) nie len špecifickou nikovou metódou – ide o významný výrobný postup používaný v mnohých oblastiach výroby elektronických zariadení.

Čo je technológia Chip-on-Board (COB)?

Čip na doske (COB) je prístup k balenie polovodičových súčiastok, pri ktorom sa nezabalený kremíkový čip priamo namontuje na podkladovú dosku plošného spoja (PCB) alebo iný základný materiál. Namiesto umiestnenia čipu najskôr do hotového plastového pouzdra výrobca priamo pripojí čip k doske a následne ho fixuje pomocou drôtovej väzby, technológie flip-chip alebo iných metód montáže PCB. Preto sa COB zvyčajne označuje ako priame montáž čipov alebo umiestnenie nezabaleného čipu. Tento prístup odstraňuje navyše vrstvy balenia súčiastok, čo môže zvýšiť elektrickú vodivosť, ušetriť priestor a zvýšiť spoľahlivosť konečného výrobku.

Základná myšlienka technológie COB je veľmi užitočná: umiestniť čip čo najbližšie k obvodu, ktorý ho podporuje. Čím je táto spojovacia dráha kratšia, tým je menšia pravdepodobnosť straty signálu, parazitnej kapacity, nepriaznivého indukčného odporu alebo nadbytočného hromadenia tepla. V návrhoch s vysokou rýchlosťou a vysokou hustotou majú tieto malé zlepšenia veľký význam. Technológia COB je jednou z príčin, prečo sa niektoré prenosné elektronické zariadenia môžu stať menšími bez toho, aby sa pri tom výrazne znížil ich výkon. Pomáha tiež výrobcom vyvíjať riešenia s vysokou hustotou zabalenia pre zariadenia, ktoré musia vykonávať viac úloh v oveľa menšom priestore.

COB sa líši od tradičného zabalenia integrovaných obvodov tým, že v prvej fáze montážneho procesu odstraňuje ochranný obal okolo kryštálu. To znamená, že čip je počas výroby vystavený prostrediu, a preto tento proces vyžaduje vynikajúcu kontrolu kvality PCB, presné nástroje a dôsledný environmentálny manažment v neskoršej fáze. V niektorých variantoch je kryštál chránený epoxidovou povlakovou hmotou, silikónovým zapuzdrením alebo konformnou vrstvou, aby sa predišlo vlhkosti, nečistotám, vibráciám a mechanickým poškodeniam. Je to jeden z dôvodov, prečo sa COB bežne používa v zariadeniach, kde je potrebné zachovať tenkosť a zároveň stabilitu.

Čo robí COB odlišným?

Na čo sa používa technológia COB?

Súčasná inovácia COB sa používa v prípadoch, keď konštruktéri potrebujú menší, účinnejší a často lepšie tepelne regulovaný spôsob zabalenia polovodičov. Jej použitie je obzvlášť bežné v zariadeniach, kde sa prekrývajú požiadavky na digitálne zariadenia šetriace priestor a vysokovýkonné dosky plošných spojov (PCB). Keďže čip je priamo namontovaný na dosku, technológia COB môže pomôcť znížiť vplyv rušenia a zároveň zvýšiť stabilitu signálu a znížiť niektoré typy elektrického rušenia. To ju robí silnou voľbou pre výrobky, ktoré vyžadujú nielen miniaturizáciu, ale aj vysoký výkon.

Medzi najlepšie faktory, prečo sa COB tak široko používa, patrí jeho dobrá prispôsobivosť rôznym trhom. V návrhoch dosiek plošných spojov (PCB) pre spotrebné elektronické zariadenia môže COB výrobcom pomôcť vyrábať menšie a ľahšie telefóny, nositeľné zariadenia a chytré zariadenia. V priemyselných elektronických zariadeniach môže podporovať riadiace moduly a senzorové systémy, ktoré vyžadujú stabilný prevádzkový režim v náročných prostrediach. V automobilových PCB výrobkoch môže COB pomôcť pri malých snímacích zariadeniach, osvetľovacích systémoch a riadiacich zariadeniach. V návrhoch RF PCB môže zlepšiť správanie na vysokých frekvenciách znížením parazitných účinkov a zmenšením veľkosti vodivých dráh.

COB navyše zohráva významnú úlohu v aplikáciách PCB pre LED osvetlenie. COB LED štruktúry umiestňujú niekoľko svetelných čipov priamo na podklad, aby sa dosiahla vysoká jasnosť a účinné odvádzanie tepla. Preto sa COB LED výrobky často nachádzajú v svetelných bodoch, komerčnom osvetlení, osvetlení budov a vysokovýkonných komponentoch. Súčasná inovácia umožňuje výrazne lepšie odvádzanie tepla a môže zvýšiť trvalú jasnosť. Jednoducho povedané, COB nie je len o elektronických zariadeniach – ide tiež o významnú stratégiu balenia výrobkov pre moderné osvetlenie.

Bežné použitie technológie COB

PCB pre spotrebné elektronické zariadenia

Chytré nástroje

Nositeľné zariadenia

Zariadenia pre chytré domácnosti

IoT dosky

DPS pre LED osvetlenie

Vysokovýkonné svietidlá

Obchodné osvetlenie

Priemyselné svietidlá

Automobilové PCB

Komponenty snímacích jednotiek

Riadiace moduly

Systémy LED osvetlenia

Klinické tlačené spojovacie dosky (PCB)

Diagnostické prístroje

Kompaktný radar

Aerospace PCB

Avionická elektronika

Komponenty s vysokou spoľahlivosťou

Rf pcb

Vysokofrekvenčné obvody

Moduly citlivé na signál

Prečo inžinieri vyberajú technológiu COB

Vplyv menších dosiek

PCB s lepším tepelným manažmentom

Nižší pokles signálových strát

Menej krokov balenia v niektorých rozmiestneniach

Vynikajúce, ideálne pre výrobky s vysokou hustotou interkonekcií.

Praktické pre inovatívne montáže PCB.

Vlastnosti a výhody technológie Chip on Board (COB)

Najväčšou výhodou balenia technológiou Chip on Board je kombinácia výhod z hľadiska hustoty, výkonu a rýchlosti v jednej stratégií. Umiestnením čipu priamo na dosku sa návrh zvyčajne zmenší a elektrická cesta sa zjednoduší. To môže zvýšiť výkon vysokorýchlostných elektronických zariadení, znížiť niektoré typy signálových rušení a zlepšiť odvod tepla. Tieto výhody robia technológiu COB obzvlášť atraktívnou pre návrh prenosných obvodov, miniaturizáciu digitálnych obvodov a optimalizáciu účinnosti PCB.

 1. Miniaturizácia

COB sa často používa, keď vývojári potrebujú vložiť ešte viac výkonu do menšieho priestoru. Odstránením vonkajšieho balenia sa môže veľkosť výrobku výrazne znížiť. V niektorých aplikáciách môže COB znížiť plošnú záberovosť o 30–50 % v porovnaní s bežnejšími metódami balenia výrobkov. Ide o významný prínos pre výrobky ako chytré zariadenia, mobilné nástroje a nositeľná elektronika.

2. Elektrické vlastnosti

Keďže čip je priamo namontovaný na DPS (tlačený spojovací obvod) alebo podklad, elektrická dráha je výrazne kratšia. To znamená:

 Nižší odpor.

Výrazne nižšia indukčnosť.

Menšie oneskorenie signálu.

Lepšia stabilita signálu.

Znížené parazitné zložky.

Tieto vylepšenia sú obzvlášť užitočné pre aplikácie pracujúce s vysokou frekvenciou, obvody na úpravu signálu a pokročilé digitálne zariadenia.

3. Tepelná účinnosť

Cozy je jedným z najväčších odporcov digitálnych zariadení. Technológia COB pomáha, pretože umožňuje preniesť množstvo tepla z Cozy do podkladu a okolitých komponentov v značnej miere. Toto je veľmi dôležité pri balení výrobkov s vysokovýkonnými LED, výkonových elektronických zariadení a malých systémov, ktoré pracujú nepretržite. Vylepšený odvod tepla znamená nižšiu tepelnú záťaž komponentov a výrazne vyššiu dlhodobú spoľahlivosť.

 4. Nižšie náklady

COB môže znížiť náklady vylúčením mnohých krokov spojených s bežným balením. Menší počet balených komponentov môže navyše znamenať nižšie zásoby a jednoduchšie dodávateľské reťazce. Pri výrobe vo veľkom objeme to môže významne ovplyvniť celkové výrobné náklady.

 5. Pružnosť návrhu

COB dokáže spracovať:

Dvojstranné PCB.

Viacvrstvové PCB.

Flexibilné PCB v detailných systémoch.

Prispôsobené podklady.

Vysokohustotné rozmiestnenia.

Táto pružnosť robí technológiu COB dôležitou nielen pre prototypovanie PCB, ale aj pre výrobu PCB vo veľkom objeme.

Tabuľka výhod

Prípadová štúdia: COB v LED osvetlení

COB LED lampa môže obsahovať množstvo LED čipov umiestnených veľmi blízko seba na jednom podloží. V dôsledku toho, že čipy sú priamo namontované, zdroj svetla sa stáva extrémne hustým a účinným. To vytvára jasnejší výsledok a rovnomernejšie osvetlenie. Podobne sa zlepšuje aj tepelné monitorovanie, čo pomáha predĺžiť životnosť svietidla.

Ako sa vyrábajú čipy na doskách

Výrobný proces COB je presná postupnosť krokov, ktorá premieňa nechránený polovodičový čip na chránené a funkčné zariadenie. Na rozdiel od bežného umiestňovania SMD vyžaduje COB opatrné manipulovanie, pretože čip je počas montáže vystavený a zraniteľnejší. Proces zvyčajne zahŕňa prípravu podložky, prichytenie čipu, vedenie drôtov, uzatvorenie (encapsuláciu) a testovanie. Každý krok ovplyvňuje konečný výkon, spoľahlivosť a vzhľad výrobku.

1. Príprava podkladu

Proces začína prípravou substrátu PCB alebo základného výrobku. Povrchová plocha musí byť čistá, rovná a pripravená na lepenie. V závislosti od typu môže výrobca použiť vodivý epoxidový lepidlo alebo iné lepidlo na vytvorenie základu pre upevnenie čipu. Substrát sa vyberá na základe tepelných, elektrických a mechanických požiadaviek.

2. Pripojenie kryštálu

Následne sa neobalený kryštál umiestni na substrát pomocou stroja na výber a umiestnenie alebo presných zariadení na lepenie kryštálov. Tento krok sa nazýva pripojenie kryštálu alebo priame pripojenie kryštálu. Umiestnenie musí byť veľmi presné, pretože aj malé nesúhlasenie môže ovplyvniť elektrické spojenie alebo kvalitu lepenia.

3. Drôtové pripájanie

Po pripojení kryštálu sa elektrické spojenia vytvárajú pomocou drôtového pripájania. Tenké drôty – zvyčajne zlato, meď alebo ľahký hliník – spájajú kontaktové plošky čipu s trasami PCB alebo pripájacími ploškami. Dve bežné metódy sú:

Váhové pripájanie.

Guľkové pripájanie.

Spojenie vodičov je jednou z najdôležitejších častí výroby COB, pretože vytvára elektrické spojenie medzi polovodičovým čipom a doskou.

4. Oplášťovanie

Pripojený čip a drôtový rámček sa zvyčajne chránia povlakom z epoxidovej pryskyrky, kremíkového materiálu alebo glob-top materiálu. Tento proces sa nazýva oplášťovanie. Chráni montáž pred:

 Vlhkosť.

Prachom.

Mechanickým namáhaním a napätím.

Vibrácie.

Poškodením.

5. Testovanie a kontrola kvality

Keď je montáž dokončená, podlieha vyhodnoteniu a testovaniu. Bežné metódy zahŕňajú:

Elektrické testovanie.

Inšpekciu pomocou automatického optického kontrolného systému (AOI).

Testovanie za zvýšenej teploty (burn-in testovanie).

Vizuálne vyhodnotenie.

Praktické testovanie dosky.

 Tieto kroky pomáhajú zistiť problémy s káblmi, medzery, nesprávne umiestnenie lepidla alebo elektrické chyby ešte pred odoslaním výrobku.

Technologická tabuľka pre COB

Výzvy v procese

Výroba COB vyžaduje:

 Čisté prostredie.

Presné umiestnenie.

Presnú tepelnú reguláciu.

Odborné zaobchádzanie.

Spoľahlivú kontrolu kvality.

Chip on Board (COB) vs. iné technológie zabudovania

COB je len jedným z niekoľkých typov polovodičových technológií a pre porovnanie sa často používa spolu s bežnými alternatívami, ako sú BGA, SMD, PoP a DIP. Každý typ zabudovania má svoje silné stránky, avšak rieši odlišné problémy. COB je najvhodnejší v prípadoch, keď je veľmi dôležitá kompaktnosť, tepelná regulácia a priame zabudovanie. Iné typy zabudovania môžu byť vhodnejšie, ak je dôležitejšia opraviteľnosť, štandardizácia alebo ľahká manipulácia.

COB vs. BGA

BGA balenie využíva olovníkové guličky na pripojenie zabudovaného čipu k doske. Poskytuje vynikajúcu hustotu vývodov a ochranu a dominuje v CPU, GPU a pokročilých integrovaných obvodoch. COB naopak montuje nezabudovaný čip priamo na dosku.

COB vs. SMD

SMD súčasná technológia vysvetľuje montáž povrchových súčiastok, pri ktorej sa balíčkové súčiastky umiestňujú na dosku. COB možno považovať za priamejší typ integrácie.

COB vs. PoP

Balenie na stratégii (PoP) prekladá zabalené čipy zhora nadol. To funguje pre multifunkčné zariadenia, ako sú smartfóny, avšak líši sa od COB tým, že COB sa zameriava priamo na umiestňovanie čipov na úrovni dosky.

COB vs. DIP

Stratégie DIP sú staršie, väčšie a oveľa jednoduchšie na modelovanie. Slúžia štandardným úlohám, avšak nepodporujú kompaktnosť ani účinnosť COB.

 Porovnávacia tabuľka

Výhody používania COB

Najväčším dôvodom, prečo si návrhári vyberajú technológiu COB (Chip-on-Board) pri návrhu dosiek plošných spojov (PCB), je možnosť vytvoriť menší, čistejší a výraznejšie integrovaný výrobok. Výhody však presahujú len veľkosť. Technológia COB môže zvýšiť celistvosť dosky PCB, podporiť lepšiu tepelnú správu na doske PCB a znížiť počet krokov balenia výrobku v dodávateľskom reťazci. V optimálnom prípade môže tiež znížiť náklady a zlepšiť celkový výkon výrobku.

 HLAVNÉ VÝHODY

Šetrenie priestoru v elektronike.

Výrazné zlepšenie elektrického výkonu.

Zlepšená odolnosť voči tepelnej deformácii a mechanickému namáhaniu.

Nižšia výška súčiastok.

Znížené parazitné účinky.

Vynikajúca vhodnosť pre balenie s vysokou hustotou súčiastok.

Ideálna pre digitálne zariadenia s vysokou spoľahlivosťou.

Výrobné výhody

V niektorých konštrukciách menej balenieových prvkov.

Možné zníženie celkovej ceny balenia.

Lepšia integrácia s výrobou dosiek plošných spojov (PCB).

Vhodné pre automatizované a veľkorysé výrobné procesy.

Oveľa jednoduchšie sa prispôsobuje špecifickým požiadavkám produktu.

Výhody výkonu produktu

COB môže pomôcť:

Zvýšiť rýchlosť signálu.

Znížiť straty signálu.

Podporiť kompaktnejšie rozmiestnenie súčiastok na doske.

Zvýšiť jas LED zariadení.

Zlepšiť odvod tepla v systémoch citlivých na výkon.

Obchodné výhody

Pre dodávateľov môže COB zabezpečiť:

Menšie priestory pre produkty.

Nižšie náklady na produkty.

Oveľa cenovo výhodnejší dizajn produktov.

Výrazne lepšia poloha dosky pre používanie.

Silnejšia diferenciácia na malých trhoch.

Zhrnutie

Chip on Board (COB) je priama metóda umiestňovania a balenia komponentov, pri ktorej sa nezabalený polovodičový čip umiestni priamo na substrát PCB alebo iný základný materiál. Táto metóda sa bežne používa, pretože umožňuje výrobkom byť menšie, rýchlejšie a výrazne lepšie tepelne stabilné. Znížením dĺžky signálových ciest a nákladov na balenie podporuje COB integritu signálu, tepelné riadenie a kompaktný dizajn PCB. Preto sa nachádza v LED s technológiou COB, spotrebnej elektronike, automobilových systémoch, vedeckých zariadeniach, leteckej a vesmírnej technike a RF obvodoch.

COB je obzvlášť užitočné, keď vyžaduje výrobok husté zabalenie položiek a spoľahlivú integráciu na úrovni dosky. Zároveň však vyžaduje starostlivú výrobu, ochranu a testovanie. Postup pozostáva z prípravy podkladu, pridanía kryštálu (die), drôteného zvárania, zapuzdrenia a kontroly kvality. Je to špecializovanejšia technika ako základné montážne metódy SMD, avšak pri vhodnom výrobku sa investícia vyplatí.

Často kladené otázky

Aké sú hlavné výhody technológie COB oproti tradičnému zabaleniu?

Významné výhody sú menšie rozmery, lepšie tepelné správanie, kratšie signálne trasy a znížená zložitosť zabalenia v niektorých typoch.

Prečo je tepelné monitorovanie dôležité pri konštrukciách COB?

 Keďže nechránený kryštál (die) je namontovaný priamo na podklade, teplo je potrebné starostlivo riadiť, aby sa predišlo mechanickému napätiu a stresu zariadenia, poruchám alebo strate výkonu.

Je možné opraviť zostavy COB?

 Často sa však oprava ukazuje ako náročná, pretože kovový príkrov (die) je umiestnený priamo na doske a zvyčajne je po zviazaní obalený.

Ktoré položky sú najvhodnejšie pre modernú technológiu COB?

COB je najvhodnejšie pre prenosné zariadenia, LED osvetlenie, RF obvody, súčiastky pre vozidlá, profesionálnu elektroniku a ďalšie systémy s vysokou hustotou.

Je COB rovnaké ako COB LED?

Nie. COB LED je konkrétnym uplatnením technológie COB v oblasti osvetlenia. Samotná moderná technológia COB sa však výrazne častejšie používa v balení elektronických výrobkov.