Kaj je tehnologija čipa na plošči (chip-on-board)?

Kaj je tehnologija čipa na plošči (chip-on-board)?

Tehnologija »čip na plošči« (COB): pakiranje, postopek in prednosti

Uvod  

»Čip na plošči« (COB) je ena najpomembnejših PCB sodobnih tehnologij za pakiranje v sodobnih digitalnih napravah, saj omogoča razvijalcem izdelavo manjših, hitrejših in bolj toplotno stabilnih izdelkov. V jedru tehnologije COB gre za neposredno pritrditev nepokrite polprevodniške čipove na podlago tiskane vezja plošče (PCB) ali drugo namestitveno površino namesto namestitve čipa v ločeno plastično ali keramično ohišje. Ta neposredna metoda namestitve čipa je tisto, kar naredi pakiranje COB tako privlačno za prenosne digitalne naprave, LED svetilke, potrošniško elektroniko in načrtovanje tiskanih vezja plošč (PCB) ter številne vrste visoko zmogljivih Tiskanih vezja sestav v svetu, kjer se pričakuje, da bodo stvari tanjše, lažje in veliko močnejše, je tehnologija COB postala dragocen način digitalne miniaturizacije in optimizacije učinkovitosti tiskanih vezjev.

Razlog, zakaj je COB tako obsežno uporabljen, je osnoven: hkrati reši več različnih težav. Najprej zmanjša dimenzije, saj odpravi potrebo po dodatni embalaži čipa. Drugič izboljša stabilnost signala, ker je električna pot med polprevodniškim čipom in matično ploščo znatno krajša. Tretjič omogoča učinkovitejšo toplotno regulacijo učinkovitosti tiskane vezje plošče (PCB), saj se toplota lahko prenese neposredneje v podlago in oddalji od aktivnega elementa. Četrtič lahko zmanjša proizvodne stroške pri masovni proizvodnji z zmanjšanjem števila operacij embalaže in poenostavitvijo sestavnih delov. Za mnoge inženirje in proizvajalce ta kombinacija elektronike, ki varčuje z prostorom, zmanjšanja izgub signala in sodobne tehnologije za odvajanje toplote COB naredi izjemno koristno alternativo za napredne metode namestitve tiskanih vezje plošč (PCB) in digitalne embalaže.

COB je zlasti pomembno v industrijskih panogah, kjer sta pomembna tako integriteta kot majhne dimenzije. V sistemih PCB za LED svetilke COB LED strukture zagotavljajo visoko lumenovsko gostoto in učinkovito odvajanje toplote. V avtomobilskih sestavah PCB lahko COB pomaga pri senzorskih elementih, nadzornih elementih in osvetlitvenih sistemih, ki morajo zdržati vibracije, nihanja temperature in izpostavljenost vlage. V medicinskih in vesoljskih PCB načrtih se COB lahko uporabi, kadar načrtovalci želijo napredno pakiranje izdelkov z izjemno električno učinkovitostjo in tesnejšo integracijo plošč. V RF

V aplikacijah PCB zmanjšani parazitski vplivi namestitve neprekrivnega čipa izboljšajo delovanje na visokih frekvencah. Zato je pakiranje čipa na plošči (Chip on Board) ne le posebna nišna tehnika – temveč pomembna proizvodna metoda, ki se uporablja v številnih področjih proizvodnje elektronskih naprav.

Kaj je Chip on Board (COB)?

Čip na plošči (COB) je način pakiranja polprevodniških elementov, pri katerem se neprekrivni silicijev čip namesti neposredno na podlago tiskane ploščice (PCB) ali drugo osnovno izdelko. Namesto da bi proizvajalec najprej namestil čip v dokončano plastično ohišje, ga neposredno priključi na ploščico in nato pritrdi z žičnim priključevanjem, tehnologijo obrnjenega čipa (flip-chip) ali drugimi metodami sestavljanja tiskanih ploščic. Zato se COB običajno imenuje neposredno namestitev čipa ali namestitev neprekrivnega čipa. S tem odstrani dodatne plasti ohišja izdelka, kar lahko izboljša električno prevodnost, prihrani prostor in naredi končni izdelek bolj zanesljivega.

Osnovna ideja tehnologije COB je zelo uporabna: čip postavimo čim bližje vezju, ki ga podpira. Krajša povezava pomeni manjšo verjetnost izgube signala, parazitske kapacitivnosti, neugodne induktivnosti ali nepotrebne akumulacije toplote. Pri visokohitrostnih in visokogostotnih načrtih so ti majhni izboljšavi zelo pomembni. COB je eden od razlogov, zakaj je več prenosnih elektronskih naprav manjših, ne da bi pri tem žrtvovali izjemno zmogljivost. Prav tako pomaga proizvajalcem razvijati visokogostotne paketne rešitve za naprave, ki morajo opraviti več v bistveno manjšem prostoru.

COB se razlikuje od tradicionalnih izdelkov s povezanimi vezji, ker v začetni fazi postopka namestitve odstrani zaščitno ovojnico okoli čipa. To pomeni, da je čip med proizvodnjo neposredno izpostavljen, zato zahteva ta postopek izjemno kakovostno zagotavljanje kakovosti tiskanih vezjev (PCB), natančno orodje in strogo nadzorovano okoljsko upravljanje po namestitvi. V številnih izvedbah je čip zaščiten z epoksidno smolo, silikonsko zaprtjem ali konformnim slojem, da se prepreči vlažnost, umazanija, vibracije in mehanske poškodbe. To je eden od razlogov, zakaj se COB običajno uporablja v izdelkih, kjer je pomembna debelina skupaj z stabilnostjo.

Kaj COB loči?

Za kaj se uporablja tehnologija COB?

Sodobna inovacija COB se uporablja, kadar konstruktorji želijo manjšo, učinkovitejšo in pogosto bolj termično regulirano metodo za pakiranje polprevodnikov. Uporabljena je predvsem v izdelkih, kjer se prekrivata zahteva po digitalnih napravah, ki prihranjujejo prostor, in zahteva po visoko zmogljivih tiskanih vezjih (PCB). Ker je čip nameščen neposredno na ploščo, tehnologija COB pomaga zmanjšati vpliv motenj, hkrati pa izboljša stabilnost signalov in zmanjša nekatere vrste električnih motenj. To jo naredi močno izbiro za izdelke, ki zahtevajo tako miniaturizacijo kot tudi visoko učinkovitost.

Eden od najpomembnejših razlogov, zakaj se COB tako pogosto uporablja, je njegova dobra prilagodljivost različnim trgom. Pri načrtovanju tiskanih vezjev (PCB) za potrošniške elektronske naprave COB pomaga proizvajalcem izdelovati manjše in lažje telefone, nosilne naprave ter pametne naprave. V poslovnih elektronskih napravah lahko podpira nadzorne module in senzorske sisteme, ki zahtevajo stabilno delovanje v zahtevnih okoljih. Pri avtomobilskih PCB-izdelkih lahko COB pomaga pri majhnih zaznavnih elementih, osvetlitvenih sistemih in nadzornih napravah. Pri RF-PCB-načrtih lahko izboljša visokofrekvenčno obnašanje z zmanjševanjem parazitskih učinkov in zmanjševanjem širine prevodnih sledi.

COB igra poleg tega pomembno vlogo v aplikacijah PCB za LED-osvetlitev. COB-LED-strukture namestijo več lučem izvirnih čipov neposredno na podlago, da ustvarijo visoko svetlost in učinkovito toplotno prenašanje. Zato se COB-LED-izdelki pogosto uporabljajo v smerilnih svetilkah, komercialnih svetilkah, osvetlitvi stavb in visokomocnih delih. Sodobna inovacija omogoča boljšo razpršitev toplote in poveča stalno svetlost. Preprosto povedano: COB ni le elektronska naprava – je tudi pomembna strategija pakiranja izdelkov za sodobno osvetlitev.

Pogoste uporabe tehnologije COB

PCB za potrošniške elektronske naprave

Pametna orodja

Nosilni napravi

Pametne domače naprave

IoT-ploščice

LED osvetlitvena tiskana vezja (PCB)

Visokomocne svetilke

Trgovsko osvetljanje

Industrijske svetilke

Avtomobilska tiskana vezja

Sestavni deli senzorskih enot

Kontrolne module

Sistemi LED luči

Klinična tiskana vezja

Diagnostične naprave

Kompaktni radar

Letecskih PCB

Avionika elektronika

Komponente visoke zanesljivosti

Rf pcb

Visokofrekvenčna vezja

Moduli občutljivi na signale

Zakaj inženirji izbirajo COB

Vpliv manjših plošč

Tiskana vezja za boljšo toplotno upravljanje

Nižji padec izgube signala

Manj korakov pakiranja pri nekaterih postavitvah

Izvrstno, idealno za izdelke z visoko gostoto medpovezav.

Praktično za izvirno sestavo tiskanih vezjev (PCB).

Značilnosti in prednosti tehnologije Chip on Board (COB)

Največja prednost pakiranja s tehnologijo Chip on Board (COB) je, da združuje prednosti glede gostote, zmogljivosti in hitrosti v eno strategijo. Z neposredno namestitvijo čipa na ploščo se običajno zmanjša velikost konstrukcije in izboljša električna čistota. To lahko izboljša zmogljivost visokohitrostnih elektronskih naprav, zmanjša določene vrste motenj signala ter pomaga pri razprševanju toplote. Te prednosti naredijo COB še posebej privlačno za prenosne vezje, miniaturizacijo digitalnih vezij in optimizacijo učinkovitosti tiskanih vezjev (PCB).

 1. Miniaturizacija

COB se pogosto uporablja, kadar razvijalci zahtevajo več moči v manjšem prostoru. Z odstranitvijo zunanje ohišja se lahko izdelek znatno zmanjša. V nekaterih aplikacijah COB zmanjša površino do 30–50 % v primerjavi z običajnejšimi metodami pakiranja izdelkov. To je pomembna prednost za izdelke, kot so pametni naprave, mobilni orodji in nosilna elektronika.

2. Električne lastnosti

Ker je čip nameščen neposredno na tiskani vezju (PCB) ali podlagi, je električna pot krajša. To pomeni:

 Manjši upor.

Znaten zmanjšek induktivnosti.

Manjši zamik signala.

Boljša stabilnost signala.

Zmanjšani parazitski elementi.

Te izboljšave so še posebej koristne za visokofrekvenčne aplikacije, vezje za obdelavo signalov in napredno digitalno pakiranje naprav.

3. Toplotna učinkovitost

Cozy je eden največjih nasprotnikov digitalnih naprav. COB pomaga, ker lahko prenese več cozyja neposredno v podlago in okoliške predmete. To je zelo pomembno za pakiranje LED izdelkov visoke moči, močnostne elektronike in majhnih sistemov, ki delujejo neprekinjeno. Boljši pretok toplote pomeni manjšo obremenitev komponent in znatno boljšo dolgoročno zanesljivost.

 4. Nižja cena

COB lahko zniža ceno tako, da odstrani številne korake, povezane s standardnim pakiranjem. Manj elementov v pakiranju lahko prav tako pomeni manj zalog in manj zapletene dobavne verige. Pri seriski proizvodnji to lahko povzroči opazno razliko v skupnih stroških proizvodnje.

 5. Načrtovna fleksibilnost

COB lahko obravnava:

Dvostranske tiskane ploščice (PCB).

Večplastne tiskane ploščice (PCB).

Fleksibilne tiskane ploščice (PCB) v posebnih sistemih.

Prilagojene podlage.

Visoko gostotne postavitve.

Ta prilagodljivost jo naredi pomembno tako za prototipiranje tiskanih ploščic (PCB) kot za serisko proizvodnjo tiskanih ploščic (PCB).

Prednosti tabele

Primer iz prakse: COB v osvetlitvi z LED

Lampa z LED na tehnologiji COB lahko vključuje številne LED čipe, ki so tesno razporejeni na enem podlagi. Ker so čipi neposredno pritrjeni, je vir svetlobe izjemno gost in učinkovit. To povzroči svetlejši izid in bolj enakomerno osvetlitev. Prav tako izboljša toplotno nadzorovanje, kar pomaga luči trajati dlje.

Kako se izdelujejo čipi na ploščah

Proizvodni proces COB predstavlja natančno zaporedje korakov, ki pretvorijo neobdelan polprevodniški čip v zaščiten in funkcionalen sestavek. V nasprotju s skupno postavitvijo SMD zahteva COB posebno pozornost, saj je čip med namestitvijo izpostavljen in bolj ranljiv. Postopek običajno vključuje pripravo podlage, pritrditev čipa, žično vezavo, oblikovanje ovoja in preskušanje. Vsak korak vpliva na končno zmogljivost, zanesljivost in videz izdelka.

1. Priprava podlage

Postopek se začne z pripravo podlage za tiskano vezje (PCB) ali osnovnega izdelka. Površinska ploščina mora biti čista, ravna in pripravljena za lepljenje. Glede na vrsto izdelka proizvajalec lahko nanese vodljivo epoksidno lepilo ali drugo lepilo, da ustvari osnovo za pritrditev čipa. Podlago izberemo na podlagi toplotnih, električnih in mehanskih zahtev.

2. Prispek čipa

Nato se neprekrivni čip namesti na podlago s pomočjo naprave za izbiranje in postavljanje ali natančnih naprav za lepljenje čipov. Temu koraku rečemo prispek čipa ali neposredni prispek čipa. Postavitev mora biti izjemno natančna, saj že majhna nepravilna poravnava lahko vpliva na električno povezavo ali kakovost lepljenja.

3. Žično lepljenje

Po pritrditvi čipa se električne povezave izvedejo z žičnim lepljenjem. Tanke žice – običajno zlatne, bakrene ali aluminijaste – povežejo kontaktne ploščice čipa z vodnimi sledmi na tiskanem vezju ali z lepilnimi ploščicami. Uporabljata se dve pogosti metodi:

Žično lepljenje z žlebom.

Kroglasto lepljenje.

Vezi kabelov je eden najpomembnejših delov postopka COB, saj ustvarja električno povezavo med polprevodniškim čipom in ploščo.

4. Oplastitev

Prilepljeni čip in žični okvir običajno zaščitimo z epoksidno smolo, silikonom ali glob-top materialom. Temu postopku pravimo oplastitev. Z njim zaščitimo sestavek pred:

 Vlago.

Prah.

Mehanskim napetjem in obremenitvami.

Vibracijami.

Poškodbami.

5. Preskušanje in nadzor kakovosti

Ko je sestavek končan, ga podvržemo preverjanju in testiranju. Pogosto uporabljani postopki vključujejo:

Električno preskušanje.

AOI pregled.

Testiranje z obremenitvijo.

Vizualna ocena.

Praktično testiranje plošč.

 Te ukrepe izvedemo, da ugotovimo težave s kablom, reže, napačno namestitev lepila ali električne napake pred odposlano izdelka.

Tabela procesa COB

Tehnološki izzivi

Proizvodnja COB zahteva:

 Čiste atmosfere.

Natančno pozicioniranje.

Natančno termično nadzorovanje.

Strokovno rokovanje.

Trdno kakovostno nadzorovanje.

Chip on Board (COB) nasproti drugim tehnologijam ohišja

COB je le ena izmed več vrst polprevodniških strategij, zato ga je smiselno primerjati z običajnimi alternativami, kot so BGA, SMD, PoP in DIP. Vsaka vrsta ohišja ima svoje prednosti, vendar rešuje različne probleme. COB je najprimernejši, kadar so ključnega pomena majhne dimenzije, termično nadzorovanje in neposredna integracija. Druge vrste ohišja so lahko bolj primerni, kadar je pomembnejša popravljivost, standardizacija ali udobje pri rokovanju.

COB nasproti BGA

Zvezek BGA uporablja svinčene kroglice za povezavo pakirane čipke z vezjem. Zagotavlja izvrstno gostoto priključkov in zaščito ter prevladuje v procesorskih enotah (CPU), grafičnih procesorskih enotah (GPU) in naprednih integriranih vezjih (IC). COB, v primerjavi s tem, namesti nepokrito čipko neposredno na vezje.

COB nasproti SMD

Sodobna tehnologija SMD opisuje montažo površinsko montiranih komponent (SMD), pri kateri so pakirane komponente postavljene na vezje. COB se lahko šteje za še bolj neposredno obliko integracije.

COB proti PoP

Pakiranje po strategiji (PoP) postavlja pakirane čipke enega nad drugim. To deluje za večfunkcijske naprave, kot so pametni telefoni, vendar se razlikuje od COB-a, ker COB poudarja neposredno namestitev čipk na nivoju tiskane plošče.

COB proti DIP

Strategije DIP so starejše, večje in veliko lažje za modeliranje. Pomagajo pri standardnih opravilih, vendar ne podpirajo kompaktnosti ali učinkovitosti COB.

 Tabela primerjave

Prednosti uporabe COB-ov

Najpomembnejši dejavnik, zaradi katerega načrtovalci izbirajo COB PCB, je možnost izdelave manjšega, čistejšega in bolj integriranega izdelka. Prednosti pa segajo dlje od velikosti. COB lahko izboljša celovitost tiskane ploščice (PCB), omogoča boljšo toplotno upravljanje na PCB in zmanjša število korakov pri pakiranju izdelkov v dobavnem verigu. V najboljših primerih uporabe lahko hkrati zniža ceno in izboljša skupno zmogljivost izdelka.

 Glavne prednosti

Prostoruščinskim elektronikam.

Značilno izboljšanje električnih lastnosti.

Izboljšana odpornost na termične napetosti in stres.

Nižja višina sestavnih elementov.

Zmanjšani parazitski učinki.

Odlična primernost za visokogostotno pakiranje izdelkov.

Zelo primerno za digitalne naprave z visoko zanesljivostjo.

Proizvodne prednosti

V nekaterih izvedbah manj elementov v paketu.

Morda zmanjšana stopnja celotnega paketa.

Boljša združljivost z izdelavo tiskanih vezij (PCB).

Ustrezen za avtomatizirane in visokozmernostne postopke.

Zelo lažje prilagoditi za izdelkovne specifične zahteve.

Prednosti zmogljivosti izdelka

COB lahko pomaga:

Izboljša hitrost signala.

Zmanjša izgubo signala.

Podpira bolj gosto razporeditev na plošči.

Povečajte svetlost LED naprav.

Izboljšajte toplotno prenos v sistemih, občutljivih na moč.

Poslovne prednosti

Za dobavitelje COB omogoča:

Manjše prostorske zahteve za izdelke.

Nižje stroške izdelkov.

Zelo bolj ekonomičen način oblikovanja izdelkov.

Učinkovitejšo razporeditev komponent na plošči.

Močnejšo razlikovanje na majhnih tržnih segmentih.

Povzetek

Čip na plošči (COB) je neposredna metoda namestitve in pakiranja, pri kateri se surovi polprevodniški čip namesti neposredno na podlago tiskane vezje (PCB) ali drugo osnovno materialno podlago. Uporablja se pogosto, ker pomaga izdelkom postati manjšim, hitrejšim in zelo bolj toplotno stabilnim. Z zmanjševanjem dolžine signalnih poti in zniževanjem stroškov pakiranja COB podpira ohranitev kakovosti signala, toplotno upravljanje ter kompaktno oblikovanje tiskanih vezij. Zato se uporablja v LED izdelkih s tehnologijo COB, potrošniški elektroniki, avtomobilskih sistemih, znanstvenih napravah, letalsko-kosmični opremi in RF vezjih.

COB je posebno uporaben, kadar izdelek zahteva visoko gostoto pakiranja elementov in zanesljivo integracijo na ravni ploščice. Hkrati pa zahteva natančno proizvodnjo, zaščito in preskušanje. Postopek vključuje pripravo podlage, namestitev čipov (die), žično vezavo, zapiranje (encapsulacijo) in nadzor kakovosti. Je specializiranejši kot osnovna SMD-namestitev, vendar je v primeru ustreznega izdelka donos trdno zagotovljen.

Pogosta vprašanja

Kakšne so glavne prednosti COB-a pred tradicionalnim pakiranjem?

Pomembne prednosti so manjša dimenzija, boljša toplotna obremenitev, krajši signali in zmanjšana zapletenost pakiranja pri nekaterih izvedbah.

Zakaj je nadzor temperature pomemben pri COB-izvedbah?

 Ker je nepokrit čip (bare die) nameščen neposredno na podlago, je treba toploto natančno upravljati, da se prepreči napetost v napravi, stres, odpoved ali izguba zmogljivosti.

Ali je mogoče popraviti COB-sestave?

 Pogosto, vendar je popravek težak, saj je orodje nameščeno neposredno na plošči in običajno obloženo po vezavi.

Za katere izdelke je COB sodobna tehnologija najprimernejša?

COB je najprimernejši za prenosne naprave, LED osvetlitev, RF vezje, avtomobilsko opremo, profesionalno elektroniko in druge visoko gostote sisteme.

Ali je COB enako kot COB LED?

Ne. COB LED je posebna uporaba COB tehnologije v osvetlitvi. Samo COB sodobna tehnologija se uporablja veliko bolj splošno v elektronskih pakiranjih.