Regras de Design de PCB para Layout de Chip-on-Board

A revolução da embalagem continua avançando e os designers de PCB estão em uma posição única para se beneficiarem dessa revolução. Existe um tipo de embalagem que será muito mais familiar para os designers de PCB e que não requer nenhum software de embalagem especial para ser implementado. Essa técnica de embalagem é o chip-on-board, onde um die semicondutor é fixado diretamente em uma placa de circuito.
Como qualquer abordagem de design única, existem algumas regras a seguir ao iniciar um design chip-on-board. Essas regras abrangem o layout e o posicionamento, bem como o design de interconexão e as regras de fanout para chips mais avançados.

Chip-on-Board em um Layout de PCB

Na abordagem chip-on-board, um die semicondutor com contatos expostos é soldado diretamente no PCB. Em outras palavras, não há um quadro de ligação (para wire bonding), nenhuma embalagem de cerâmica/epóxi e nenhum interposer/substrato. Uma vez fixado, o chip pode ser embalado diretamente no PCB usando um encapsulante de epóxi, que protegerá o chip e quaisquer pads ligados por fios de danos.

Existem dois métodos comuns para colocar e montar chip-on-board em um PCB padrão:

• Ligação direta do fio do PCB ao die
• Montagem flip-chip, onde o chip é fixado de forma semelhante a um BGA

Após a fixação e montagem, o chip é tipicamente encapsulado em um material epóxi ou revestimento conformal, cada um podendo ser curado termicamente ou por UV. No layout do PCB, o ponto de design mais importante é o footprint que permitirá a fixação do die ao PCB.

Exemplo de Flip-Chip

Um exemplo com um flip-chip (às vezes chamado de flip-chip on board (FCOB)) é mostrado na imagem abaixo. Isso mostra um chip não encapsulado que foi soldado diretamente a um PCB, de forma semelhante ao que seria feito com um fanout de BGA. Um material importante aqui é o underfill, que encapsula as juntas de solda e as protege de excesso de estresse mecânico. O laminado do PCB pode ser um material de grau FR4 padrão ou algum material mais especializado (flexível, PTFE, etc.).

Nesta abordagem, a pegada precisa ser projetada de forma semelhante a uma pegada BGA, mas o processo de montagem será diferente. No FCOB, o solda será fluxado diretamente na PCB, não sendo anexado ao die. O chip será então colocado como qualquer outro componente SMD, e será refundido junto com outros componentes. Portanto, algum DFA em termos de pegada é necessário para garantir uma montagem confiável.

Eu recomendaria seguir diretrizes semelhantes para dimensionamento de pad BGA, mas baseado no tamanho do bump em vez do tamanho da bola. A máscara de solda e a máscara de pasta então precisam ser usadas para definir o tamanho do pad exposto para estar dentro da faixa que normalmente seria usada em um BGA. Se o espaçamento entre os bumps for grande o suficiente para deixar grandes fragmentos de máscara de solda, então use a máscara de solda para atuar como uma barreira (pad SMD). Caso contrário, use um pad NSMD para evitar a descamação de fragmentos de máscara de solda entre os bumps.

Exemplo de Ligação por Fio

A imagem abaixo mostra um exemplo de wire bonding. Neste exemplo, um pad de fixação do die é soldado diretamente na PCB, e os fios são conectados entre os pads de terra ao redor do chip e os contatos no die. Neste design, é altamente recomendável encapsular com um epóxi para proteger os fios e o die da exposição ambiental. Isso irá prevenir principalmente a corrosão, bem como proteger os fios de danos mecânicos.

Ao criar a pegada para os pads de wire bonding na PCB, os pads são tipicamente maiores, o que pode ser claramente visto na imagem acima. Os parâmetros a serem considerados para a pegada incluem:

• Tamanho do pad de contato
• Distância entre os pads de contato
• Forma do pad de contato

Pads quadrados são aceitáveis, embora pads retangulares possam replicar o tamanho do pad usado no componente uma vez que o die esteja embalado (como em um pacote QFN ou LQFP). As esferas de contato usadas para conectar um fio à PCB serão muito finas, alcançando de 20 a 30 microns de largura. A largura correspondente do pad de contato poderia ser de 50 a 150, com o mesmo valor sendo usado para a distância entre os pads. Usando os números de distância e tamanho dos pads, você pode então organizar um array de pads na pegada da PCB para os wire bonds.

Chip-on-Board Mais Avançado

Um chip-on-board mais avançado utilizará contatos em forma de saliências na parte inferior do chip (por exemplo, o exemplo de flip-chip mostrado acima).

A ideia por trás do design de chip-on-board tornando-se mais avançado está relacionada a duas áreas: o espaçamento entre contatos ou saliências na parte inferior do chip, e a velocidade com que esses sistemas devem operar. Assim como BGAs de passo muito fino, onde o espaçamento dos pads pode exigir via-in-pad e vias cegas/enterradas, o encapsulamento chip-on-board poderia requerer o mesmo. Além disso, a velocidade com que esses chips e suas interfaces estão operando impede qualquer padronização, exceto para interfaces de computação como USB, PCIe, etc.

Por que usaríamos esses chips mais avançados em uma abordagem chip-on-board em vez de projetar um substrato ou interposer? Há várias razões para isso, e é difícil generalizar para cada situação. Placas de veículos de teste, experimentando interconexões entre chips, e simples falta de acesso à capacidade de produção de substrato/interposer são todas razões para usar o encapsulamento chip-on-board.

Para garantir que você possa atingir os alvos de desempenho com designs de chip-on-board mais avançados, aproveite esses recursos:

• Utilize um calculador de impedância de via para quaisquer fanouts de via do die
• Certifique-se de conhecer a impedância e use um calculador de impedância baseado nas equações de Wadell
• Consulte seu fabricante e determine os limites de dimensionamento da via ou a necessidade de furação a laser
• Para eliminar a necessidade de características mais finas na camada superficial, use um laminado de baixo Dk para suportar o die
• Certifique-se de aplicar um revestimento superficial apropriado que acomode a ligação por fio

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