Scopri cosa è il Chip on Board (COB) nella tecnologia PCB

Introduzione

Analizziamo come la tecnologia Chip on Board (COB) rappresenti uno degli ultimi sviluppi nella produzione di PCB . Scopriamo come sfruttare al meglio la tecnologia COB per offrire prestazioni termiche superiori, un design compatto e prezzi competitivi nel mondo delle applicazioni elettroniche, tra cui l'illuminazione a LED e il settore automobilistico. Approfondiamo i suoi vantaggi, i suoi limiti e i suoi svariati utilizzi.

Che cosa è il Chip on Board (COB)?

Si tratta di una tecnologia in cui i chip semiconduttori sono nudi e montati direttamente sul circuito stampato. A differenza dei metodi tradizionali, il COB non richiede il packaging di singoli chip. Piuttosto, il chip nudo viene posizionato direttamente sul PCB. Il chip trova quindi il suo posizionamento e lo collega agli altri componenti. I fili sono ricoperti di resina epossidica o plastica per proteggere queste connessioni. Il processo è l'incapsulamento. Il chip viene quindi incollato saldamente in posizione con un metodo denominato Tape Automated Bonding di COB. Questo montaggio diretto consente di risparmiare spazio sul PCB e aumenta le prestazioni complessive.

Applicazioni Chip on Board

I COB (Chip On-Band) sono utilizzati in molti settori, tra cui quello automobilistico, elettronico, dei dispositivi medicali, ecc. Sono impiegati in applicazioni che richiedono un'elevata conduttività termica ed elettrica, come l'illuminazione a LED e gli smartwatch. È possibile realizzare assemblaggi ad alte prestazioni utilizzando speciali resine epossidiche a bassa pressione. Il chip viene solitamente saldato su oro o alluminio . La tecnica del ribbon bonding (saldatura a nastro) migliora la qualità del segnale per i dispositivi RF e a onde millimetriche. L'incapsulamento protegge il chip, soprattutto per i sensori. Per ottenere una bassa induttanza, la tecnologia flip-chip prevede il montaggio del chip a faccia in giù tramite sfere di saldatura o bump in oro. Il chip viene fissato ai pad del PCB mediante termocompressione e riempito con materiale di riempimento per una maggiore protezione. Test avanzati garantiscono connessioni affidabili, mentre le opzioni di prototipazione rapida conferiscono ai COB una grande adattabilità.

Vantaggi del COB

Design compatto e salvaspazio

Offre un design estremamente compatto e di piccole dimensioni. Ottieni di più in meno spazio. Questo design consente di risparmiare spazio sul PCB, lasciando spazio per altro. È ideale per dispositivi con vincoli di spazio. Inoltre, questa configurazione compatta migliora le prestazioni del dispositivo. Con COB ottieni di più in uno spazio più piccolo.

Forte intensità a distanza ravvicinata

In un ambiente ravvicinato, si ottiene un output potente e luminoso. È perfetto per esigenze di illuminazione mirate. Applicazioni come i LED mostreranno la sua forza. COB offre una maggiore potenza luminosa per componente rispetto a quanto sarebbe altrimenti possibile. Ciò aumenta anche l'efficienza complessiva ed elimina l'inutile necessità di fonti di luce extra. In spazi piccoli o chiusi, COB offre una buona visibilità.

Elevata uniformità da vicino

Offre un'elevata uniformità anche a distanza ravvicinata. I risultati sono un'emissione luminosa uniforme e uniforme che rimuove ombre e macchie irregolari. E questo dovrebbe essere l'ideale per dispositivi che richiedono un'illuminazione chiara e focalizzata. La luce in COB si diffonde uniformemente attraverso il fascio indipendentemente dallo spazio che riempie. È perfetto per attività di precisione, come in apparecchiature mediche o di ispezione, grazie alla sua uniformità. Con l'eliminazione di abbagliamento o variazione di luce, hai una migliore visibilità.

Semplice layout a circuito singolo

È facile collegare più LED su una singola scheda. Questa configurazione semplifica l'assemblaggio. Più punti di guasto rendono i collegamenti più difficili da raggiungere. Il cablaggio è ridotto, quindi si ottiene una maggiore affidabilità. Anche le prestazioni complessive possono essere migliorate con un design semplice.

Ottima prestazione termica per la stabilità

Ottieni un migliore controllo della temperatura per i tuoi dispositivi. Per questo motivo, i componenti funzionano sempre senza problemi ed efficientemente. Il calore è gestito bene con COB, riducendo i rischi di danneggiamento. Tuttavia, il miglioramento delle prestazioni termiche aumenta la durata dei tuoi prodotti.

Economico

Altri metodi di confezionamento sono piuttosto costosi, mentre la tecnologia COB è poco costosa. Pagherai solo circa un terzo di quella cifra per lo stesso chip. È economica in termini di convenienza e ti aiuta a risparmiare denaro sulla produzione. COB fa anche risparmiare spazio sulla tua scheda di circuito. Ti consente di mettere i componenti in uno spazio più piccolo. Inoltre, impiega una lavorazione artigianale matura per produrre una qualità affidabile.

Svantaggi del COB

Macchine aggiuntive richieste

Questa tecnologia presenta alcuni svantaggi. Potresti aver bisogno di saldatrici aggiuntive nell'assemblaggio. Anche le fasi finali necessitano di macchine per l'imballaggio. Ciò si aggiunge ai costi di installazione iniziali. La produzione può essere rallentata dalla necessità di più attrezzature. Prima di fare una scelta per COB, dovresti prenderli in considerazione.

Requisiti ambientali più severi

La patch PCB ha requisiti ambientali più severi. Tuttavia, se vuoi seguire queste regole, devi farlo attentamente. Può rendere difficile il tuo processo di produzione. Anche gli assemblaggi COB sono difficili da mantenere. È più difficile ripararli una volta installati.

Problemi di coefficiente di espansione termica (CTE)

Nella maggior parte dei casi, il chip PCB è basato su un lead frame ( BGA ). Questo può comportare l'assenza di connessioni VCC o di massa ai pin. Si possono verificare problemi di CTE (coefficiente di dilatazione termica). I materiali reagiscono al calore in modo diverso rispetto a quando non sono costituiti da strati distinti. Le connessioni del substrato possono risultare scadenti e causare problemi di prestazioni.

L'uniformità del colore è inferiore a quella dello schermo di visualizzazione

Scoprirete che i colori non sono così vividi come sullo schermo. Questo può causare la presenza di punti luminosi e una tonalità fuori posto. Questo può rappresentare un problema se il vostro progetto richiede una corrispondenza cromatica precisa. Colori diversi possono confondere la percezione del prodotto. Potrebbe essere necessario un intervento aggiuntivo per correggere queste deviazioni. Forse, questo rende il COB non perfetto per applicazioni che richiedono una perfetta accuratezza cromatica.

Materiali per l'assemblaggio Chip-on-Board

Anche la scelta dei materiali giusti durante l'assemblaggio dei chip è fondamentale. Pertanto, è necessario che i materiali per PCB abbiano una bassa differenza di coefficiente di dilatazione termica (CTE) rispetto al semiconduttore. Sfortunatamente, pochissimi materiali standard soddisfano questo requisito. Una differenza di CTE il più bassa possibile contribuisce a ridurre lo stress sulle connessioni durante le variazioni di temperatura, minimizzando i problemi a lungo termine. Il principale materiale dei chip, il silicio, ha un CTE di circa 3 ppm/°C. Tuttavia, esistono alcuni materiali avanzati che possono essere d'aiuto:

• Laminati in PTFE con riempitivo ceramico – RO3003 (CTE = 6 ppm/°C) o RO4835 (CTE = 8 ppm/°C)
• Nitruro di alluminio simile alla ceramica – CTE = 4-5 ppm/°C (utilizzato come materiale del substrato IC)
• PCB flessibili – Realizzato con miscele di poliimmide, adatto per assemblaggi chip-on-board
• Interposer in silicio – Agisce come strato tampone per ridurre lo stress tra il chip e il PCB

Fasi per realizzare un pacchetto COB

Il package COB è piuttosto semplice da realizzare. Il chip semiconduttore verrà montato direttamente sul PCB. Alla fine, questo metodo integra il chip e il substrato in un'unica unità. Non si usano lead o pad; non si usa un package tradizionale. Al contrario, è tutto integrato per prestazioni migliori. Ciò consente di risparmiare spazio e semplifica il design.

• Preparazione del substrato

Il substrato è il punto di partenza per realizzare un package COB. Pulire accuratamente il substrato. Una buona connessione richiede questo passaggio. Quindi, applicare uno strato conduttivo, leggermente sottile, sulla superficie. Questo strato è spesso realizzato in rame. Questo serve per poter posizionare un chip sulla superficie. Questo aiuta a ottenere prestazioni migliori se il substrato è pulito e rivestito.

• Posizionamento e allineamento dei chip

Poi appoggia il chip semiconduttore sul substrato. Assicurati anche che sia allineato con le tracce conduttive. È molto importante avere questo allineamento. Garantisce una buona connessione. Un chip funziona bene solo con un posizionamento preciso. Mentre lo fai, prenditi il ​​tuo tempo.

• Incollaggio di chip con adesivo conduttivo

Si posiziona il chip, quindi lo si lega. Per questa fase, utilizzare un adesivo conduttivo. Resina epossidica, silicone o acrilato sono tutte scelte comuni. Quindi applicare l'adesivo con attenzione al chip a cui deve essere collegato al substrato. Questa legatura sviluppa un collegamento forte e affidabile. Fa sì che il chip funzioni bene nel dispositivo. Assicurarsi che la legatura sia in buone condizioni prima di procedere.

• Wire Bonding per connessioni elettriche

Quindi aggancia i fili di collegamento al chip. Questo passaggio dovrebbe essere eseguito utilizzando un processo di collegamento dei fili. Questa macchina inserisce un filo sottile tra il chip e il substrato. Questi fili consentono di creare la connessione elettrica. Fissano il chip al substrato. Assicurati che la connessione di rete sia forte.

• Sigillatura e incapsulamento

Il pacchetto COB viene sigillato dopo aver posizionato i fili di collegamento. Per questo può essere utilizzato un materiale protettivo. Può essere utilizzato un composto di stampaggio epossidico o un incapsulante liquido. Protegge il chip e i fili di collegamento. Li protegge dai danni. Rendere questa sigillatura forte e completa.

Tipi di chip a bordo

Flip chip

Durante questo processo, il dispositivo è capovolto. Il circuito stampato si trova sul primo strato (superiore). Sul circuito stampato vengono posizionate delle piccole sfere di saldatura. Queste sfere vanno a contatto con il chip. Il chip e il circuito stampato vengono quindi sottoposti a saldatura a rifusione. Il risultato sono connessioni elettriche robuste. Si ottiene così un design piccolo e minimalista.

Diga e riempimento

I chip semiconduttori sono ben protetti da questo. Quindi, si applica lo strato su un chip. Quindi, si ricopre il chip con resina epossidica. Che si tratti di una diga o di una barriera specifica, progettata o derivante da processi naturali, si crea una barriera ai bordi. Quindi si riempie con un materiale diverso. È al sicuro da eventuali danni, e questo protegge il chip da eventuali danni. Entrambi i materiali vengono polimerizzati con calore o luce UV e poi. È ottimo per chip in punti difficili come automobili o aerei. È così che i chip funzionano bene, anche in condizioni difficili.

Glob-Top

Applicata al chip, la resina epossidica viene poi stesa e protetta efficacemente con una sorta di incapsulamento a forma di goccia o glob. Questa goccia protegge il chip da danni e sporco. Innanzitutto, si posiziona il chip su un substrato. Quindi si applica il materiale di copertura a goccia sopra il chip, riempiendo lo spazio e dandogli la forma desiderata. Infine, il materiale viene polimerizzato con calore o luce UV. Il chip è in grado di resistere a questo tipo di stress meccanico e il metodo lo isola dalle altre parti. Inoltre, consente di risparmiare sui costi, poiché non è necessaria una barriera aggiuntiva, e riduce le interferenze elettromagnetiche.

Incollaggio di fili

Ecco come si accompagna alla scheda. Per prima cosa si fissa il chip con l'adesivo. Dopodiché, ogni pad sul chip viene collegato a una scheda di circuito tramite fili sottili. Sia il chip che la scheda sono saldati a questi fili. È simile al collegamento di un circuito integrato al telaio. Ma lì, il chip è direttamente legato tramite filo alla scheda di circuito.

Circuito flessibile

Il chip stesso è dotato di terminali metallici che lo collegano. I pad dei dispositivi sono collegati tramite questi terminali. I componenti vengono poi saldati al circuito stampato, garantendo connessioni robuste. Un incapsulante ricopre il chip e le connessioni, proteggendoli dall'umidità e dai gas nocivi. Inoltre, favorisce la dissipazione del calore e protegge i collegamenti dei fili da eventuali danni. Ad esempio, nelle calcolatrici tascabili, il circuito stampato può essere integrato nei prodotti finali. Nei moduli multi-chip, la scheda può essere collegata ad altre schede. Alcune schede presentano strati per la dissipazione del calore, in grado di gestire il calore generato da dispositivi ad alta potenza , inclusi i LED. Altre schede a bassa perdita possono essere progettate per funzionare a frequenze a microonde.

Spiegazione della tecnologia LED COB 

Con questa tecnologia, i chip rossi, verdi e blu vengono montati direttamente su un circuito stampato (PCB). Il risultato è che con questo metodo è possibile inserire più chip in uno spazio ridotto. Inoltre, si ottiene una superficie LED piatta e uniforme. Grazie ai tre colori, la tecnologia COB può creare immagini eccezionali, con colori vividi e realistici. È possibile inserire più LED nello stesso spazio rispetto ad altre tecnologie come il Dual in-line Package (DIP) e il Surface Mounted Device (SMD). La tecnologia COB occupa meno spazio e non richiede fili di collegamento. Ciò si traduce in un passo dei pixel più ravvicinato. Maggiore è la risoluzione, più ravvicinati sono i pixel (il passo dei pixel). La qualità dell'immagine, l'affidabilità e l'efficienza energetica della tecnologia COB possono essere migliorate.

Processo di confezionamento Chip-on-Board (per chip LED)

Assemblaggio e prestazioni di alta qualità sono garantiti in un metodo dettagliato del processo di confezionamento chip-on-board (COB) per chip LED. Intraprendendo questi passaggi, creerai un design compatto e renderai i tuoi prodotti più efficienti. Ecco una ripartizione dei passaggi chiave coinvolti:

Fase 1: Espansione dei cristalli

Sfruttando la macchina di espansione dei cristalli, la pellicola del chip LED si espande uniformemente e i dadi LED vengono separati uno dall'altro.

Fase 2: Preparazione dell'adesivo

L'anello di cristallo espanso viene posizionato su una superficie rivestita con uno strato di pasta d'argento e la pasta viene applicata per favorire l'adesione.

Fase 3: Foratura del chip LED

Posizionare l'anello di espansione del cristallo nel supporto per perforazione e, utilizzando una penna per perforazione, fissare il chip LED al PCB su un microscopio.

Fase 4: Forno a ciclo termico

Poiché non vogliamo danneggiare il rivestimento del chip LED sul PCB, posizioneremo il PCB forato in un forno a ciclo termico per polimerizzare rapidamente la pasta d'argento.

Fase 5: Posizionamento del chip

Applicare la colla rossa alla posizione del circuito integrato e staccare la matrice del circuito integrato con un dispositivo antistatico, quindi posizionarla sopra l'adesivo nella posizione corretta.

Fase 6: Asciugatura della matrice

Per polimerizzare la matrice incollata, posizionarla su una piastra riscaldante piana in un forno a ciclo termico oppure lasciarla polimerizzare per un tempo più lungo in modo naturale.

Passaggio 7: incollaggio dei cavi

Quindi si collega il chip (LED o chip IC) al PCB con fili di alluminio utilizzando una macchina per saldatura di fili di alluminio.

Fase 8: Ispezione pre-test

Si utilizzano strumenti di ispezione specializzati per eseguire un pretest sulla scheda COB per verificare se sono presenti difetti e poi riparare la scheda se non sono qualificati.

Fase 9: Erogazione della colla

Sul dado LED incollato viene applicata una quantità adeguata di colla AB con un apposito erogatore e la colla nera viene stesa sulla parte superiore del circuito integrato.

Fase 10: polimerizzazione dell'assemblaggio

Polimerizzare il PCB a temperatura costante in un forno a ciclo termico, sigillare il PCB e inserirlo nel forno.

Fase 11: Valutazione post-test

Le prestazioni elettriche delle schede PCB confezionate vengono testate su speciali strumenti di prova per verificarne la qualità e la funzionalità.

Tecnologia di confezionamento SMD e COB 

Fili di legame vs. adesivo

In SMD, i fili di bonding sono usati per collegare i componenti al PCB. Queste connessioni sono create da una macchina per saldatura, che riscalda e preme un filo su un materiale per creare una connessione. Queste connessioni possono essere deboli o forti e, se non eseguite correttamente, falliscono. D'altro canto, la tecnologia COB utilizza un legame adesivo che assicura un'interfaccia forte e affidabile che fallirà meno a causa degli effetti dell'ambiente o degli errori di saldatura.

COB in ambienti difficili

I componenti SMD sono maggiormente soggetti a danni dovuti a calore, umidità e urti. Trattandosi di fattori esterni, vengono posizionati sulla superficie del PCB. La tecnologia COB, tuttavia, soffre meno in condizioni così difficili grazie alla sua robusta adesione.

Pixel pitch più fine con COB

Senza fili di collegamento, questa tecnologia non deve essere così fine, perché non ha bisogno di fili di collegamento. Crea display più piccoli e ad alta risoluzione. È per poter produrre immagini più nitide.

Limiti di dimensione dei componenti

SMD ha una limitazione dimensionale. Solitamente limitata a parti maggiori di 0.5 mm. Tuttavia, COB può usare componenti ancora più piccoli, di soli pochi micrometri di dimensione. Questo è un vantaggio di COB perché se si ha bisogno di usare un display avanzato, questa flessibilità fornisce la soluzione preferita.

Domande frequenti sul chip on board

• Perché il COB viene spesso utilizzato nell'illuminazione automobilistica?

Viene utilizzato in faretti, downlight e fari. Producono un fascio luminoso solido e nitido, che si vede facilmente nelle auto. Sono perfetti per una luce direzionale intensa. Grazie alla loro struttura, aiutano a gestire il calore. Più chip LED costituiscono un singolo modulo. In questo modo, il calore viene effettivamente distribuito più lontano. I LED COB offrono anche una regolazione precisa del controllo dell'illuminazione. Sono ideali per applicazioni automobilistiche, dove la precisione è fondamentale.

• In che cosa il COB differisce dal tradizionale packaging dei chip?

COB è una speciale tecnologia di confezionamento. Monta chip semiconduttori direttamente sulla scheda di circuito. Ciò è diverso dalle tradizioni. D'altro canto, i chip vengono confezionati uno per uno con metodi tradizionali. I chip nudi vanno direttamente sulla scheda con COB. Ciò aumenta le prestazioni e fa risparmiare spazio. Sono anche più piccoli e più efficienti. Inoltre, sono più economici da produrre. La tecnologia COB offre una migliore qualità e costi inferiori.

• La tecnologia COB è conveniente per la produzione su larga scala?

Sì. Il prodotto crea maggiore efficienza e riduzione dei costi. È un processo semplice ed economico. Costi inferiori vanno di pari passo con meno fasi di produzione. Per buone ragioni, la tecnologia COB attrae mercati di fascia alta. I display LED COB possono essere installati facilmente e rapidamente. Alla fine, riduce tempo e denaro per i produttori.

• Quali materiali vengono utilizzati nel COB per la dissipazione del calore?

Il rame viene utilizzato perché è un buon conduttore di calore. Inoltre, gli adesivi termoconduttivi aiutano a raffreddare i componenti. Il nitruro di alluminio si distingue per la sua capacità di gestire il calore. Anzi, ha una conduttività termica migliore rispetto all'alluminio o all'allumina. Altre opzioni efficaci sono i substrati ceramici e il rame a legame diretto. La dissipazione del calore nei progetti elettronici risulta migliorata. La combinazione di questi materiali consente di migliorare le prestazioni e l'affidabilità.

Conclusione

In questo blog di PCBTok, abbiamo approfondito la tecnologia Chip on Board, in cui i semiconduttori vengono montati direttamente sui circuiti stampati. Tra i vantaggi evidenziati figurano la compattezza, l'efficienza e le elevate prestazioni, nell'illuminazione a LED e nelle applicazioni automobilistiche. Tuttavia, sono stati evidenziati anche alcuni svantaggi, tra cui la necessità di macchinari aggiuntivi e normative ambientali più severe. Il COB è una componente molto importante dell'elettronica moderna.