Chip-on-Board (COB) 기술이란? – 상세 가이드

이 튜토리얼에서는 Chip-On-Board (COB) 또는 칩 온 보드 기술의 개념을 자세히 다룹니다. 오늘날 전자기기가 점점 더 작고, 저렴하며, 내구성이 높아지는 이유가 궁금하다면, 그 해답 중 하나가 바로 이 COB 기술입니다. COB는 반도체 칩 제조에서부터 프로토타입 제작, 개발 보드에 이르기까지 광범위한 솔루션을 제공합니다.

오늘 우리는 COB 기술에 대한 깊이 있는 이해와, 전자 소형화의 미래를 위한 수익성 있는 통찰을 제공할 것입니다. 완성된 반도체 웨이퍼는 작은 다이(dies)로 절단되며, 각 다이는 물리적으로 PCB에 부착됩니다. 집적 회로 또는 기타 반도체 장치의 터미널 패드를 인쇄회로기판의 도전성 패턴에 연결하기 위해 세 가지 방법이 사용됩니다. 전자 기술이 발전함에 따라, 패키징 기술도 진화해 왔습니다.  우리는 이 혁신적인 패키징 기술이 어떻게 전자 부품의 통합 방식을 혁신시켰는지에 대해 배우게 될 것입니다. 그럼 지금부터 Chip-On-Board 기술의 세부사항을 살펴보며 본격적으로 시작해봅시다!

Chip-On-Board PCB란?

Chip-On-Board 인쇄회로기판은 전자 부품을 PCB에 조립하는 패키징 방식입니다. 이 방식에서는 개별 부품을 보드에 장착하지 않고, 베어 다이 형태의 집적 회로를 보드 표면에 직접 연결합니다. 이 기술의 사용은 세라믹이나 플라스틱 패키징과 같은 기존의 패키징 방식의 사용을 줄여, 전자 기기와 프로젝트의 크기와 무게를 줄이는 데 기여합니다. COB는 집적 회로를 인쇄회로기판에 직접 부착(와이어 본딩)하고, 그 위를 에폭시 수지로 덮어 보호하는 회로 기판 제조 방식입니다.

COB는 개별 반도체 소자의 패키징을 없애고, 대신 전자 패키징의 두 단계를 통합합니다: 레벨 1(부품)과 레벨 2(배선 기판). 다른 패키징 기술과 비교했을 때, PCB 칩 기술은 비용이 저렴하며(동일 칩 대비 약 1/3 수준), 공간을 절약하고, 숙련된 제작 기술을 갖추고 있습니다. 하지만 Chip-On-Board 기술은 추가적인 용접 장비와 패키징 장비가 필요하다는 단점도 있습니다. 특정 COB 레이아웃은 대부분 또는 모든 패키지를 제거하고 기생 소자를 최소화하기 때문에 IC의 신호 성능을 향상시킬 수 있습니다.

PCB 레이아웃에서의 Chip-on-Board

Chip-On-Board 방식에서는, 노출된 접점이 있는 반도체 다이가 PCB에 직접 납땜됩니다. 다시 말해, 와이어 본딩용 리드 프레임, 세라믹/에폭시 패키징, 인터포저나 기판이 없습니다. 칩이 부착되면, 에폭시 캡슐화제를 사용해 PCB 위에 직접 패키징하여 칩과 와이어 본딩된 패드를 손상으로부터 보호합니다. 이 과정에는 두 가지 주요 방식이 있습니다:

1) 플립 칩 온 보드 (FCOB):

납땜제가 PCB 위에 바로 플럭스 처리되며, 다이에 직접 부착되지 않습니다. 칩은 다른 SMD 부품처럼 배치되고, 다른 부품들과 함께 리플로우(재유동)됩니다. 따라서, 신뢰성 있는 조립을 위해 풋푸린트 설계가 필요하며, BGA 패드 크기 가이드라인과 유사하지만 볼 크기 대신 범프 크기를 기준으로 합니다.

2) 와이어 본딩 (Wire-Bonding):

와이어 본딩 방식에서는 칩을 접착제로 보드에 부착합니다. 칩의 각 패드는 미세한 와이어로 보드와 연결되며, 와이어는 패드와 회로 보드에 용접됩니다. 와이어 본딩과 다이를 환경적 손상으로부터 보호하기 위해 에폭시로 캡슐화하는 것이 좋습니다. 이는 주로 부식을 막고 기계적 손상으로부터 와이어를 보호합니다. PCB에서 와이어 본딩 패드용 풋푸린트를 만들 때는 보통 패드 크기를 크게 만듭니다. 고려해야 할 요소는 접촉 패드 크기, 패드 간격(피치), 패드 형태입니다.

이러한 방식 중 하나로 베어 칩이 PCB에 장착된 후, 와이어가 부착되고, 칩과 연결부위를 덮기 위해 에폭시나 플라스틱이 사용됩니다. 칩을 보드에 배치하는 데는 테이프 자동 본딩(TAB) 공정이 사용되며, 이는 반도체 칩과 와이어 본딩 위에 기계적 지지를 위한 특수 배합 에폭시나 수지를 떨어뜨리는 방식입니다.

Chip-on-Board 제조 공정의 7단계:

1. 기판 준비: PCB 보드 표면을 세척하고 칩이 접착될 전도성 접착층을 도포합니다.

2. 다이 부착: 베어 칩을 접착층이 도포된 위치에 배치합니다. 픽 앤 플레이스(pick-and-place) 머신이나 특수 장비가 사용됩니다.

3. 본딩: 칩을 전도성 솔더 범프를 사용해 보드에 본딩하여 칩 패드와 보드 전도성 회로 간 안정적인 연결을 만듭니다.

4. 와이어 본딩: 필요 시 미세 와이어로 칩 패드와 보드 회로를 연결해 전기 신호를 전달하도록 합니다.

5. 캡슐화: 칩과 와이어 본딩을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 에폭시 등 캡슐화 재료로 완전히 덮습니다.

6. 테스트: 온도 사이클링, 전기 테스트, 시각 검사 등을 수행해 조립물의 신뢰성과 기능성을 확인합니다.

7. 최종 조립: 모든 테스트를 통과한 COB 어셈블리를 LED 조명, 휴대폰 등 최종 전자기기에 통합합니다.

Chip-on-Board의 특징 및 장점:

• 고/저압 설계 가능
• 맞춤형 코팅
• 다층, 양면 PCB 가능
• 기능성 보드 테스트
• 소량부터 대량 생산 가능
• 넓은 온도 범위 지원
• 비용 경쟁력 있는 솔루션
• 턴키(완성형) 적용 가능

COB 본딩에 적합한 접착제 선택:

칩이 PCB에 부착된 후, 일반적으로 열경화성 또는 UV 경화성 에폭시 재료나 콘포멀 코팅으로 캡슐화하여 칩과 와이어 본딩 패드를 보호합니다. 웨이퍼(또는 다이)의 접착제 선택은 접지 및 열 확산 요구 사항에 따라 달라집니다. 주로 사용하는 두 가지 접착제는 다음과 같습니다:

은 접착제: 고온 경화가 필요하며, 120°C에서 2시간 또는 150°C에서 1시간 경화합니다.

아네로빅(Anaerobic) 접착제: 전기 전도성 및 열 전도가 필요 없을 때 사용하며, 공기 접촉 차단을 통해 자연 경화됩니다.

결론:

Chip-On-Board (COB) 기술은 전자 산업에 혁신을 가져왔으며 기존 패키징 방식과는 다른 여러 장점을 제공합니다. 베어 칩을 보드에 직접 접합함으로써, 장치가 더 작고 가벼우며 효율적인 전자제품 제작이 가능해졌습니다. 벌크 패키징이 제거되고 전기 경로가 짧아져 전기적 성능 향상, 신호 손실 감소, 우수한 열 관리가 가능해졌습니다. 이 기술은 전자 부품의 소형화에 매우 중요하며, 다양한 산업 분야에서 최첨단 소형 기술의 길을 열었습니다.