Reglas de diseño de PCB para la disposición de Chip-on-Board

La revolución del empaquetado continúa avanzando a pasos agigantados y los diseñadores de PCB están en una posición única para beneficiarse de esta revolución. Existe un tipo de empaquetado que será mucho más familiar para los diseñadores de PCB y que no requiere ningún software especial de empaquetado para implementarse. Esta técnica de empaquetado es chip-on-board, donde un dado de semiconductor se une directamente a una placa de circuito.
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-on-board, un dado de semiconductor con contactos expuestos se suelda directamente al PCB. En otras palabras, no hay un marco de plomo (para el bonding de alambres), no hay empaquetado 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 cualquier pad de bonding de alambres de daños.

Hay dos métodos comunes para colocar y montar chip-on-board en un PCB estándar:

• Unión por cable directamente desde el PCB al dado
• Montaje flip-chip, donde el chip se une de manera similar a un BGA

Después del montaje y ensamblaje, el chip típicamente se encapsula en un material epóxico o un recubrimiento conforme, cada uno de los cuales podría ser curado térmicamente o con UV. En el diseño del PCB, el punto de diseño más importante es la huella que permitirá la unión del dado al PCB.

Ejemplo de Flip-Chip

Se muestra un ejemplo con un flip-chip (a veces llamado flip-chip en placa (FCOB)) en la imagen a continuación. Esto muestra un chip no encapsulado que ha sido soldado directamente a un PCB, de manera similar a lo que se haría con un despliegue de BGA. Un material importante aquí es el relleno inferior, que encapsula las uniones de soldadura y las protege de un exceso de estrés mecánico. El laminado del PCB podría 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 una huella BGA, pero el proceso de ensamblaje será diferente. En FCOB, el soldador será fluxado directamente sobre el PCB, no se adjunta al dado. El chip será entonces colocado justo como cualquier otro componente SMD, y será refundido junto con otros componentes. Por lo tanto, se necesita algo de DFA en términos de la huella para asegurar un ensamblaje confiable.

Recomendaría seguir pautas 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 luego necesitan ser usadas para establecer el tamaño de la almohadilla expuesta dentro del rango que normalmente se usaría en un BGA. Si el paso del bulto es lo suficientemente grande como para dejar grandes fragmentos de máscara de soldadura, entonces use la máscara de soldadura para actuar como un dique (almohadilla SMD). De lo contrario, use una almohadilla NSMD para prevenir la descamación de fragmentos de máscara de soldadura entre bultos.

Ejemplo de Unión por Cable

La imagen a continuación muestra un ejemplo de unión por hilo. En este ejemplo, un pad de unión al chip está soldado directamente en el PCB, y las uniones por hilo están conectadas entre los pads de tierra alrededor del chip y los contactos en el chip. En este diseño, es altamente recomendable encapsular con un epoxi para proteger las uniones por hilo y el chip de la exposición ambiental. Esto prevendrá principalmente la corrosión, así como protegerá los hilos de daños mecánicos.

Al crear la huella para los pads de unión por hilo en el PCB, los pads son típicamente más grandes de lo normal, lo cual se puede ver claramente en la imagen anterior. Los parámetros a considerar para la huella incluyen:

• Tamaño del pad de contacto
• Distancia entre pads de contacto
• Forma del pad de contacto

Los pads cuadrados son aceptables, aunque los pads rectangulares pueden replicar el tamaño del pad utilizado en el componente una vez que el chip está empaquetado (como en un paquete QFN o LQFP). Las bolas de contacto utilizadas para conectar un hilo al PCB serán muy delgadas, alcanzando de 20 a 30 micrones de ancho. El ancho del pad de contacto correspondiente podría ser de 50 a 150, con el mismo valor utilizado para la distancia entre pads. Utilizando los números de distancia entre pads y tamaño, puedes luego disponer un arreglo de pads en la huella del PCB para las uniones por hilo.

Chip-on-Board más avanzado

Un chip-on-board más avanzado utilizará contactos de tipo bump en la parte inferior del die (por ejemplo, el ejemplo de flip-chip mostrado arriba).

La idea detrás de que el diseño de chip-on-board se vuelva más avanzado se relaciona con dos áreas: el pitch entre los contactos o bumps en la parte inferior del die, y la velocidad a la que estos sistemas deben operar. Al igual que los BGAs de pitch muy fino, donde el pitch de los pads puede requerir via-in-pad y vias ciegas/enterradas, el empaquetado de chip-on-board podría requerir lo mismo. Además, la velocidad a la que operan estos dies y sus interfaces impide cualquier estandarización, excepto para interfaces de computación como USB, PCIe, etc.

¿Por qué usaríamos estos dies más avanzados en un enfoque de chip-on-board en lugar de diseñar un sustrato o interposer? Hay varias razones para esto, y es difícil generalizar para cada situación. Las placas de vehículos de prueba, experimentar con interconexiones entre chips y la simple falta de acceso a la capacidad de producción de sustrato/interposer son todas razones para usar el empaquetado de chip-on-board.

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

• Utilice una calculadora de impedancia de vías para cualquier desdoblamiento de vías desde el dado
• Asegúrese de conocer la impedancia y use una calculadora de impedancia basada en las ecuaciones de Wadell
• Consulte con su fabricante y determine los límites de tamaño de las vías o la necesidad de perforación láser
• Para eliminar la necesidad de características más finas en la capa superficial, use un laminado de baja Dk para soportar el dado
• Asegúrese de aplicar un recubrimiento superficial adecuado que acomode la unión por cable

Si está comenzando en el diseño de empaquetado de chip-on-board y la disposición de PCB, asegúrese de usar el conjunto completo de herramientas de diseño de productos en Altium Designer®. Cuando haya terminado su diseño y quiera enviar los archivos a su fabricante, la plataforma Altium 365™ facilita la colaboración y el compartir sus proyectos. Venga a ver las actualizaciones mensuales de características en Altium Designer.

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