チップ・オン・ボード・レイアウトのためのPCB設計ルール

パッケージング革命は前進し続けており、PCBデザイナーはこの革命から利益を得る独特の立場にあります。特別なパッケージングソフトウェアを必要としない、PCBデザイナーにとってより馴染み深いパッケージングタイプがあります。このパッケージング技術はチップ・オン・ボードで、半導体ダイが直接回路基板に取り付けられます。
チップ・オン・ボード設計を始める際には、独特の設計アプローチとして、いくつかのルールに従う必要があります。これらのルールは、レイアウトと配置、さらにはより高度なチップのためのインターコネクト設計とファンアウトルールに及びます。

PCBレイアウトにおけるチップ・オン・ボード

チップ・オン・ボードアプローチでは、露出した接点を持つ半導体ダイがPCBに直接はんだ付けされます。言い換えると、リードフレーム（ワイヤーボンディング用）、セラミック/エポキシパッケージ、インターポーザ/基板がありません。取り付けられた後、チップはエポキシエンカプシュラントを使用してPCB上で直接パッケージングされ、チップとワイヤーボンディングパッドを損傷から保護します。

標準的なPCBでチップ・オン・ボードを配置および取り付けるための2つの一般的な方法があります：

• PCBからダイレクトにワイヤーボンディング
• フリップチップアセンブリでは、チップがBGAのように取り付けられます

取り付けと組み立ての後、チップは通常、エポキシ材料またはコンフォーマルコーティングで封入され、これらは熱硬化型またはUV硬化型のいずれかです。PCBレイアウトにおいて、最も重要な設計ポイントは、ダイをPCBに取り付けることを可能にするフットプリントです。

フリップチップの例

以下の画像に示されているのは、フリップチップ（時にはフリップチップ・オン・ボード（FCOB）と呼ばれる）の例です。これは、BGAファンアウトで行われるように、PCBに直接はんだ付けされた未封入のチップを示しています。ここで重要な材料は、はんだ接合部を封入し、過剰な機械的ストレスから保護するアンダーフィルです。PCBのラミネートは、標準のFR4グレードの材料や、より特殊な材料（フレックス、PTFEなど）である可能性があります。

このアプローチでは、フットプリントはBGAフットプリントに似たように設計する必要がありますが、組み立てプロセスは異なります。FCOBでは、はんだはPCBに直接フラックス処理され、ダイには取り付けられません。チップは他のSMDコンポーネントと同様に配置され、他のコンポーネントと一緒にリフローされます。したがって、信頼性の高い組み立てを保証するためには、フットプリントに関していくつかのDFAが必要です。

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BGAパッドサイズに関する類似のガイドラインに従うことをお勧めしますが、ボールサイズではなくバンプサイズに基づいてください。次に、はんだマスクとペーストマスクを使用して、通常BGAで使用される範囲内に露出パッドサイズを設定する必要があります。バンプピッチが十分に大きく、大きなはんだマスクスリバーを残す場合は、はんだマスクをダム（SMDパッド）として使用してください。そうでなければ、バンプ間のはんだマスクスリバーの剥離を防ぐためにNSMDパッドを使用してください。

ワイヤーボンディング例

下の画像はワイヤーボンディングの例を示しています。この例では、ダイアタッチパッドがPCB上に直接はんだ付けされ、チップの周りのランドパッドとダイの接点の間にワイヤーボンドが取り付けられています。この設計では、ワイヤーボンドとダイを環境露出から保護するために、エポキシで封入することが強く推奨されます。これは主に腐食を防ぐためであり、またワイヤーを機械的損傷から保護するためでもあります。

PCB内のワイヤーボンディングパッドのフットプリントを作成する際、パッドは通常、上の画像で明らかなように、大きめに設計されます。フットプリントに考慮すべきパラメータには以下が含まれます：

• 接点パッドのサイズ
• 接点パッドのピッチ
• 接点パッドの形状

四角いパッドは受け入れられますが、ダイがパッケージされた後のコンポーネントで使用されるパッドサイズ（QFNやLQFPパッケージなど）を再現するために、長方形のパッドが使用されることもあります。ワイヤーをPCBに接続するために使用される接触ボールは非常に細く、幅が20から30ミクロンに達します。対応する接点パッドの幅は50から150であり、パッドピッチにも同じ値が使用されます。パッドピッチとサイズの数値を使用して、ワイヤーボンドのためのPCBフットプリント内にパッドの配列を配置することができます。

より高度なチップ・オン・ボード

より高度なチップ・オン・ボードでは、ダイの底面にバンプ接点を使用します（例えば、上に示したフリップチップの例）。

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チップ・オン・ボードの設計がより高度になる背景には、二つの領域が関係しています：ダイの底面の接点またはバンプ間のピッチ、およびこれらのシステムが動作する速度です。非常に細かいピッチのBGAのように、パッドピッチがビア・イン・パッドやブラインド/埋め込みビアを必要とする場合、チップ・オン・ボードのパッケージングも同様に必要になるかもしれません。さらに、これらのダイとそのインターフェースが動作する速度は、USB、PCIeなどのコンピューティングインターフェースを除いて、どのような標準化も排除します。

なぜ、基板やインターポーザを設計する代わりに、これらのより高度なダイをチップ・オン・ボードのアプローチで使用するのでしょうか？これにはいくつかの理由があり、すべての状況に一般化するのは難しいです。テスト車両ボード、チップ間の相互接続の実験、基板/インターポーザの生産能力へのアクセスが単純にないことなどが、チップ・オン・ボードのパッケージングを使用する理由です。

より高度なチップ・オン・ボードの設計で性能目標を達成できるようにするために、これらのリソースを活用してください：

• ダイからのビアファンアウトには、ビアインピーダンス計算機を使用してください
• インピーダンスを把握し、Wadellの方程式に基づくインピーダンス計算機
• を使用してください製造業者に相談し、ビアのサイズ制限やレーザードリリング
• の必要性を確認してくださいダイをサポートするために、より細かい表面層の特徴を不要にするために、低Dkラミネートを使用してください
• ワイヤーボンディングに対応する適切な表面めっきを適用してください

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