Reglas de diseño de PCB para el montaje de chips en placa (Chip-on-Board)

La revolución del embalaje continúa avanzando a pasos agigantados y los diseñadores de PCB están en una posición única para beneficiarse de esta revolución. Existe un tipo de embalaje que será mucho más familiar para los diseñadores de PCB y que no requiere ningún software especial de empaquetado para implementarse. Esta técnica de embalaje es chip-on-board o chips en placa, donde un dado de semiconductor se une directamente a una placa de circuito impreso.
Como cualquier enfoque de diseño único, hay algunas reglas a seguir al comenzar un diseño chip-on-board. Estas reglas abarcan la disposición y colocación, así como el diseño de interconexión y las reglas de fanout para chips más avanzados.

Chip-on-Board en un Diseño de PCB

En el enfoque chip en placa o chip-on-board, un dado de semiconductor con contactos expuestos se suelda directamente al PCB. En otras palabras, no hay un marco de plomo (para la unión de cables), ni embalaje de cerámica/epoxi, y no hay interposer/substrato. Una vez unido, el chip puede ser empaquetado directamente en el PCB usando un encapsulante de epoxi, lo cual protegerá al chip y las almohadillas unidas por cable de posibles daños.

Hay dos métodos habituales para colocar y montar chips en placa o chip-on-board en una PCB estándar:

• Unión por cable directamente desde el PCB a la matriz
• Montaje flip-chip, donde el chip se fija de forma similar a un sustrato para un encapsulado BGA

Una vez fijado y ensamblado, el chip suele encapsularse en un material epóxico o un revestimiento de conformación, cada uno de los cuales puede curarse térmicamente o con rayos UV. En el diseño del PCB, el punto de diseño más importante es la huella que permitirá fijar el chip a la placa de PCB.

Ejemplo de Flip-Chip

En la siguiente imagen se muestra un ejemplo con un flip-chip (a veces denominado flip-chip on board (FCOB)). Muestra un chip sin encapsular que se ha soldado directamente a una placa de circuito impreso, de forma similar a lo que se haría con un fanout BGA. Un material importante en este caso es el relleno, que encapsula las juntas de soldadura y las protege del exceso de tensión mecánica. El laminado del PCB puede ser un material estándar de grado FR4 o algún material más especializado (flexible, PTFE, etc.).

En este enfoque, la huella debe ser diseñada de manera similar a la de una huella BGA, pero el proceso de montaje será diferente. En FCOB, la soldadura se fundirá directamente sobre la PCB, no está unida a la matriz. A continuación, el chip de placa se coloca como cualquier otro componente SMD y se somete a reflujo junto con otros componentes. Por lo tanto, es necesario un cierto DFA en términos de la huella para garantizar un montaje fiable.

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Recomendaría seguir unas directrices similares para el dimensionamiento de almohadillas BGA, pero basado en el tamaño del bulto en lugar del tamaño de la bola. La máscara de soldadura y la máscara de pasta debem utilizarse para ajustar el tamaño de la almohadilla expuesta dentro del rango que normalmente se utilizaría en un BGA. Si el paso de la protuberancia es lo suficientemente grande como para dejar grandes fragmentos de máscara de soldadura, entonces utiliza la máscara de soldadura para actuar como un dique (almohadilla SMD). De lo contrario, utiliza una almohadilla NSMD para prevenir la descamación de fragmentos de máscara de soldadura entre bultos.

Ejemplo de Unión por Cable

La imagen siguiente muestra un ejemplo de unión de cables. En este ejemplo, se suelda directamente en la placa de circuito impreso una almohadilla fijada al chip y se fijan enlaces de cables entre las almohadillas de tierra alrededor del chip y los contactos del chip de placa. En este diseño, es muy recomendable encapsular con un epoxi para proteger las uniones de cables y el chip de la exposición ambiental. Esto evitará principalmente la corrosión y protegerá los cables de daños mecánicos.

Al crear la huella para las almohadillas de unión de cables en la PCB, las almohadillas suelen tener un tamaño excesivo, como puede verse claramente en la imagen anterior. Los parámetros que deben tenerse en cuenta para la huella incluyen:

• Tamaño de la almohadilla de contacto
• Distancia entre las almohadillas de contacto
• Forma de la almohadilla de contacto

Las almohadillas cuadradas son aceptables, aunque las almohadillas rectangulares pueden replicar el tamaño de almohadilla utilizado en el componente una vez que el troquel está empaquetado (como en un paquete QFN o LQFP). Las bolas de contacto utilizadas para conectar un cable a la placa de circuito impreso serán muy finas, alcanzando de 20 a 30 micras de anchura. La anchura de la pastilla de contacto correspondiente puede ser de 50 a 150 micras, con el mismo valor utilizado para la distancia entre almohadillas. Utilizando los números de distancia entre almohadillas y tamaño, puedes colocar una serie de almohadillas en la huella del PCB para las uniones de los cables. 

Chip-on-Board más avanzado

Un chip-on-board o chip de placa más avanzado utilizará contactos con protuberancias en la parte inferior de la matriz (por ejemplo, el ejemplo de flip-chip mostrado anteriormente).

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La idea detrás de que el diseño de chip-on-board se vuelva más avanzado se relaciona con dos aspectos:el paso entre contactos o protuberancias en la parte inferior de la matriz y la velocidad a la que deben funcionar estos sistemas. Al igual que ocurre con los BGAs de paso muy fino, en los que el paso de la almohadilla puede requerir vías en la almohadilla y vías ciegas o enterradas, el encapsulado de chip-on-board o chip en placa podría requerir lo mismo. Además, la velocidad a la que operan estas matrices y sus interfaces impide cualquier estandarización, excepto para interfaces informáticas como USB, PCIe, etc.

¿Por qué utilizar estas matrices más avanzadas en un enfoque chip-on-board en lugar de diseñar un sustrato o un intercalador? Hay varias razones para ello, y es difícil generalizarlo a todas las situaciones. Las placas para vehículos de pruebas, la experimentación con interconexiones entre chips y la simple falta de acceso a la capacidad de producción de sustratos/interpositores son razones de peso para utilizar el encapsulado de chip en placa o chip-on-board.

Para asegurarte de alcanzar los objetivos de rendimiento con diseños de chip-on-board o chip en placa más avanzados, aprovecha estos recursos:

• Utiliza una calculadora de impedancia de vías para cualquier salida en abanico de vías de la matriz.
• Asegúrate de conocer la impedancia y utiliza una calculadora de impedancia basada en las ecuaciones de Wadell.
• Consulta con tu fabricante y determina los límites de tamaño de las vías o la necesidad de perforación láser.
• Para eliminar la necesidad de capas superficiales más finas, utiliza un laminado de baja desidad DK para soportar la matriz.
• Asegúrate de aplicar un recubrimiento superficial adecuado que permita la unión de los cables.

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