Règles de conception de PCB pour la disposition Chip-on-Board

La révolution de l'emballage continue de progresser à grands pas et les concepteurs de PCB sont particulièrement bien placés pour bénéficier de cette révolution. Il existe un type d'emballage qui sera beaucoup plus familier aux concepteurs de PCB et qui ne nécessite aucun logiciel d'emballage spécial pour être mis en œuvre. Cette technique d'emballage est celle du chip-on-board, où une puce semi-conductrice est directement attachée à une carte de circuit.
Comme pour toute approche de conception unique, il y a certaines règles à suivre lorsqu'on commence une conception chip-on-board. Ces règles concernent la disposition et le placement, ainsi que la conception des interconnexions et les règles de fanout pour les puces plus avancées.

Chip-on-Board dans une disposition de PCB

Dans l'approche chip-on-board, une puce semi-conductrice avec des contacts exposés est soudée directement sur le PCB. En d'autres termes, il n'y a pas de cadre de connexion (pour le wire bonding), pas d'emballage en céramique/époxy, et pas d'interposeur/substrat. Une fois attachée, la puce peut être emballée directement sur le PCB à l'aide d'un encapsulant époxy, qui protégera la puce et tous les pads liés par fil contre les dommages.

Il existe deux méthodes courantes pour placer et monter le chip-on-board sur un PCB standard :

• Connexion par fils directement du PCB au die
• Assemblage flip-chip, où la puce est fixée de manière similaire à un BGA

Après fixation et assemblage, la puce est typiquement encapsulée dans un matériau époxy ou un revêtement conforme, chacun pouvant être durci thermiquement ou par UV. Dans la mise en page du PCB, le point de conception le plus important est l'empreinte qui permettra la fixation du die au PCB.

Exemple de Flip-Chip

Un exemple avec un flip-chip (parfois appelé flip-chip sur carte (FCOB)) est montré dans l'image ci-dessous. Cela montre une puce non encapsulée qui a été soudée directement sur un PCB, de manière similaire à ce qui serait fait avec un éventail de BGA. Un matériau important ici est le sous-remplissage, qui encapsule les joints de soudure et les protège contre un stress mécanique excessif. Le stratifié du PCB pourrait être un matériau de grade FR4 standard ou un matériau plus spécialisé (flex, PTFE, etc.).

Dans cette approche, l'empreinte doit être conçue de manière similaire à une empreinte BGA, mais le processus d'assemblage sera différent. Dans le cas du FCOB, la soudure sera fluxée directement sur le PCB, elle n'est pas attachée à la puce. La puce sera ensuite placée comme n'importe quel autre composant CMS, et elle sera refondue avec les autres composants. Par conséquent, une certaine DFA en termes d'empreinte est nécessaire pour assurer un assemblage fiable.

Je recommanderais de suivre des directives similaires pour le dimensionnement des pads BGA, mais en se basant sur la taille des bosses au lieu de la taille des billes. Le masque de soudure et le masque de pâte doivent ensuite être utilisés pour définir la taille du pad exposé à être dans la plage qui serait normalement utilisée dans un BGA. Si l'espacement des bosses est suffisamment grand pour laisser de grands lambeaux de masque de soudure, alors utilisez le masque de soudure pour agir comme un barrage (pad CMS). Sinon, utilisez un pad NSMD pour éviter l'écaillage des lambeaux de masque de soudure entre les bosses.

Exemple de Connexion par Fil

L'image ci-dessous montre un exemple de connexion par fils. Dans cet exemple, un pad de fixation de la puce est soudé directement sur le PCB, et des fils sont connectés entre les pads de connexion autour de la puce et les contacts sur la puce. Dans cette conception, il est fortement recommandé d'encapsuler avec une résine époxy afin de protéger les connexions par fils et la puce des expositions environnementales. Cela permettra principalement de prévenir la corrosion, ainsi que de protéger les fils contre les dommages mécaniques.

Lors de la création de l'empreinte pour les pads de connexion par fils dans le PCB, les pads sont typiquement surdimensionnés, ce qui peut être clairement vu dans l'image ci-dessus. Les paramètres à considérer pour l'empreinte comprennent :

• Taille du pad de contact
• Distance entre les pads de contact
• Forme du pad de contact

Les pads carrés sont acceptables, bien que les pads rectangulaires puissent reproduire la taille du pad utilisée dans le composant une fois que la puce est emballée (comme dans un boîtier QFN ou LQFP). Les billes de contact utilisées pour connecter un fil au PCB seront très fines, atteignant 20 à 30 microns de largeur. La largeur correspondante du pad de contact pourrait être de 50 à 150, avec la même valeur utilisée pour l'espacement des pads. En utilisant les nombres d'espacement et de dimensionnement des pads, vous pouvez ensuite disposer un tableau de pads dans l'empreinte du PCB pour les connexions par fils.

Des puces sur carte plus avancées

Les puces sur carte plus avancées utiliseront des contacts en bosse sur le fond du die (par exemple, l'exemple de flip-chip montré ci-dessus).

L'idée derrière le design de puce sur carte devenant plus avancé se rapporte à deux domaines : le pas entre les contacts ou les bosses sur le fond du die, et la vitesse à laquelle ces systèmes doivent fonctionner. Tout comme les BGA à pas très fin, où le pas des pads peut nécessiter des via dans le pad et des vias aveugles/enterrés, l'emballage de puce sur carte pourrait nécessiter la même chose. De plus, la vitesse à laquelle ces dies et leurs interfaces fonctionnent exclut toute standardisation, sauf pour les interfaces informatiques comme USB, PCIe, etc.

Pourquoi utiliserions-nous ces dies plus avancés dans une approche de puce sur carte au lieu de concevoir un substrat ou un interposeur ? Il y a plusieurs raisons à cela, et il est difficile de généraliser à chaque situation. Les cartes de véhicules de test, l'expérimentation des interconnexions entre les puces, et le simple manque d'accès à la capacité de production de substrat/interposeur sont toutes des raisons d'utiliser l'emballage de puce sur carte.

Pour vous assurer que vous pouvez atteindre les objectifs de performance avec des conceptions de puce sur carte plus avancées, profitez de ces ressources :

• Utilisez un calculateur d'impédance de via pour tout éventail de vias depuis le die
• Assurez-vous de connaître l'impédance et utilisez un calculateur d'impédance basé sur les équations de Wadell
• Consultez votre fabricant et déterminez les limites de dimensionnement des vias ou le besoin de forage laser
• Pour éliminer le besoin de caractéristiques de couche de surface plus fines, utilisez un stratifié à faible Dk pour supporter le die
• Assurez-vous d'appliquer un revêtement de surface approprié qui permet le wire bonding

Si vous commencez à explorer la conception d'emballage de puce sur carte et la disposition de PCB, assurez-vous d'utiliser l'ensemble complet d'outils de conception de produits dans Altium Designer®. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez envoyer les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets. Venez voir les mises à jour mensuelles des fonctionnalités dans Altium Designer.

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