¿Qué es el Chip-on-Board (COB) en el diseño de PCB? Guía completa sobre beneficios y proceso de fabricación

In this tutorial, we will get the detailed concept of "Chip On Board"  or COB. If you have ever thought about how cheaper, durable and compact electronic devices are made, the answer is chip-on-board technology. Chip on board is a solution from chip manufacturing to prototyping and development board.

En este tutorial, exploraremos en detalle el concepto de "Chip On Board" o COB. Si alguna vez se ha preguntado cómo se fabrican dispositivos electrónicos más económicos, duraderos y compactos, la respuesta es la tecnología Chip-on-Board. El COB es una solución que abarca desde la fabricación de chips hasta la creación de prototipos y placas de desarrollo.

Hoy vamos a profundizar en el concepto de Chip-On-Board (COB) y en los conocimientos sobre el futuro de la miniaturización electrónica. Un wafer semiconductor terminado se corta en dies (chips individuales). Cada uno de estos dies se adhiere físicamente a la PCB. Se utilizan tres métodos diferentes para conectar los terminales de los circuitos integrados (o de otros dispositivos semiconductores) con las trazas conductoras de la placa de circuito impreso. A medida que la electrónica ha avanzado, la tecnología de encapsulado ha evolucionando también.  En este artículo, analizaremos cómo esta innovadora tecnología está revolucionando la integración de los componentes electrónicos. ¡Empecemos y veamos en detalle cómo funciona la tecnología Chip-On-Board!

1.    ¿Qué es una PCB Chip-on-Board?

Una PCB Chip-on-Board (COB o chip en placa) es un método de empaquetado utilizado para el ensamblaje de componentes electrónicos sobre la placa de circuito impreso. En este método, no se colocan componentes individuales en la placa, sino que los circuitos integrados desnudos se conectan directamente sobre la superficie de la placa. El uso de esta tecnología reduce el uso de técnicas de empaquetado más antiguas, como los empaques cerámicos o plásticos, lo que permite un tamaño y peso más pequeños para los dispositivos y proyectos electrónicos. El Chip-on-Board (COB) es un método de fabricación de placas de circuito impreso en el que los circuitos integrados se adhieren (mediante enlace por alambre) directamente a la PCB y se cubren con una capa de epoxi.

El COB elimina el empaquetado de dispositivos semiconductores individuales y fusiona dos niveles de empaquetado electrónico: el nivel 1 (componentes) y el nivel 2 (placas de interconexión). En comparación con otras tecnologías de empaquetado, la tecnología PCB-Chip es económica (solo alrededor de 1/3 del precio de un chip equivalente), ahorra espacio y tiene una fabricación consolidada. Sin embargo, la tecnología Chip-on-Board también presenta inconvenientes, como la necesidad de máquinas adicionales para soldar y empaquetar. El diseño de un chip en una placa COB puede mejorar el rendimiento de las señales del IC, ya que elimina la mayoría o la totalidad de los empaques y componentes parásitos.

2.    Chip-on-Board en un diseño de PCB:

En el enfoque Chip-on-Board, un chip semiconductor con contactos expuestos se suelda directamente a la PCB. Es decir, no hay marco de plomo (para el enlace por alambre), no hay empaquetado cerámico/epóxico, ni sustrato/interconector. Una vez adjunto, el chip se puede encapsular directamente sobre la PCB usando un encapsulante epóxico, que protegerá el chip y sus pads enlazados por alambre de posibles daños. Los dos principales procesos utilizados para esto son:

1) Flip Chip on Board (FCOB):

En el FCOB, el soldador se aplica directamente sobre la PCB; no está adherido al chip. El chip se coloca como cualquier otro componente SMD y se refluye junto con los otros componentes. Por lo tanto, es necesario realizar un diseño para el ensamblaje (DFA) respecto al tamaño de la huella, siguiendo pautas similares a las de los pads BGA, pero basándose en el tamaño de los bumps en lugar del tamaño de las bolas.

2) Wire-Bonding

En el proceso de wire bonding, el chip se fija a la placa utilizando un adhesivo. Cada pad del dispositivo se conecta con un fino cable que se suelda al pad y a la placa de circuito. Lo ideal es encapsularlo con epoxi para proteger los enlaces de alambre y el chip de la exposición al medio ambiente. Esto principalmente previene la corrosión y protege los cables del daño mecánico. Al diseñar el footprint para los pads de wire bonding en la PCB, es habitual que los pads sean de mayor tamaño. Entre los parámetros que se deben considerar se incluyen el tamaño del pad de contacto, el paso entre pads (pitch) y la forma del pad de contacto.

Una vez que el chip desnudo se ha montado sobre la placa de circuito impreso (PCB) mediante alguno de los procesos mencionados, se aplica una capa o gota de resina epoxi o plástico para cubrir el chip y sus conexiones. El proceso de Tape Automated Bonding (TAB) se utiliza para colocar el chip sobre la placa. Básicamente, consiste en depositar una gota de epoxi o resina especialmente formulada sobre un chip semiconductor y sus enlaces por alambre para proporcionar soporte mecánico.

3.    7 pasos principales en el proceso de fabricación del Chip-on-Board:

A continuación, se detalla el proceso, que consta de 7 pasos

1. Preparación del sustrato: Se prepara la PCB limpiando la superficie de la placa y aplicando una capa adhesiva de material conductor en la que se unirán los chips.

2. Colocación del Chip (Die Attach): Los chips desnudos se colocan y posicionan sobre las áreas adhesivas de la placa. Para esto se utilizan máquinas de pick-and-place o instrumentos especializados.

3. Bonding: Una vez que los chips están configurados, se unen a la placa mediante bumps protuberancias de soldadura conductiva. Este proceso asegura una conexión confiable entre los pads de contacto del chip y las trazas conductivas de la placa.

4. Wire Bonding: En algunos casos, se realiza un wire bonding para conectar los pads de soldadura con las trazas de la placa mediante cables finos. Este proceso ayuda a que las señales eléctricas se transmitan entre el chip y la placa.

5. Encapsulación: Para proteger los chips y wire bonds de los componentes exteriores, se utiliza un material encapsulante en toda la ensambladura. Este material también tiene una capa epóxica transparente.

6. Pruebas: Se utilizan diferentes métodos de prueba en el ensamblaje COB para asegurar su fiabilidad y funcionamiento. Se realizan pruebas de ciclo térmico, pruebas eléctricas e inspección visual para verificar el funcionamiento del COB.

7. Ensamblaje final: Cuando el ensamblaje del Chip-on-Board supera todas las pruebas, ya está listo para integrarse en dispositivos electrónicos finales como luces LED, teléfonos u otros proyectos.

4.    Características y ventajas del Chip-on-Board:

⦁ Diseño para alta y baja presión

⦁ Recubrimiento personalizado

⦁ Placa multicapas, de doble cara

⦁ Prueba funcional de la placa

⦁ Alta o baja producción

⦁ Amplio rango de temperatura

⦁ Solución económica y competitiva

⦁ Aplicación integral

5.    Selección del adhesivo correcto para el COB Bonding:

Después de que el chip se adhiere a la PCB, generalmente se encapsula con un material epóxico curado térmica o por UV, o con recubrimiento conformante para protegerlo y proteger cualquier pad enlazado por alambre de daños. Cuando se seleccionan adhesivos para un wafer (o dado), la elección depende de los requisitos del wafer para conexión a tierra o disipación de calor. Los dos tipos de adhesivos más utilizados son:

Adhesivo de plata: Requiere curado a altas temperaturas, puede curarse a 120°C durante dos horas o a 150°C durante una hora.

Adhesivo anaeróbico: Se utiliza cuando no se requieren conductividad eléctrica ni disipación de calor. Este adhesivo se cura naturalmente sin necesidad de altas temperaturas, al bloquear el contacto con el aire.

Conclusión:

La tecnología Chip-On-Board (COB) ha revolucionado el mundo de la electrónica, ofreciendo ventajas frente a las técnicas tradicionales de empaquetado. Al unir los chips desnudos directamente a la placa, el COB permite dispositivos electrónicos más pequeños, ligeros y eficientes. La eliminación del empaquetado voluminoso y la reducción de las rutas eléctricas mejora el rendimiento eléctrico, reduce las pérdidas de señal y facilita una mejor gestión térmica. Esta técnica también es fundamental para la miniaturización de los componentes electrónicos y ha abierto el camino para tecnologías avanzadas y compactas en diversas industrias. Si está listo para explorar el COB en sus propios diseños, JLCPCB ofrece fabricación de PCBs asequible y profesional para apoyar sus innovaciones.