Quy tắc thiết kế PCB cho bố trí Chip-on-Board

Cuộc cách mạng bao bì tiếp tục tiến lên phía trước và các nhà thiết kế PCB đang ở vị trí độc đáo để hưởng lợi từ cuộc cách mạng này. Có một loại bao bì sẽ trở nên quen thuộc hơn với các nhà thiết kế PCB và không yêu cầu bất kỳ phần mềm bao bì đặc biệt nào để triển khai. Kỹ thuật bao bì này là chip-on-board, nơi một vi mạch được gắn trực tiếp vào một bảng mạch.
Như bất kỳ phương pháp thiết kế độc đáo nào, có một số quy tắc cần tuân theo khi bắt đầu thiết kế chip-on-board. Những quy tắc này bao gồm bố cục và vị trí đặt, cũng như thiết kế kết nối và quy tắc phân phối tín hiệu cho các chip tiên tiến hơn.

Chip-on-Board trong Bố Cục PCB

Trong phương pháp chip-on-board, một vi mạch với các tiếp điểm lộ ra được hàn trực tiếp vào PCB. Nói cách khác, không có khung dẫn (cho việc kết nối dây), không có bao bì ceramic/epoxy, và không có interposer/substrate. Một khi được gắn vào, chip có thể được đóng gói trực tiếp trên PCB sử dụng một chất kết dính epoxy, sẽ bảo vệ chip và bất kỳ bàn đạp nối dây nào khỏi bị hỏng.

Có hai phương pháp phổ biến để đặt và gắn chip-on-board trên một PCB tiêu chuẩn:

• Kết nối dây trực tiếp từ PCB đến die
• Lắp ráp chip lật, nơi chip được gắn tương tự như BGA

Sau khi gắn kết và lắp ráp, chip thường được bao phủ bằng vật liệu epoxy hoặc lớp phủ tuân thủ, mỗi loại có thể được làm cứng bằng nhiệt hoặc tia UV. Trong bố cục PCB, điểm thiết kế quan trọng nhất là dấu chân sẽ cho phép gắn kết die vào PCB.

Ví dụ về Flip-Chip

Một ví dụ với chip lật (đôi khi được gọi là flip-chip trên board (FCOB)) được hiển thị trong hình dưới đây. Điều này cho thấy một chip chưa được bao phủ đã được hàn trực tiếp vào PCB, tương tự như những gì sẽ được thực hiện với một BGA fanout. Một vật liệu quan trọng ở đây là chất lấp đầy dưới, bao bọc các mối hàn và bảo vệ chúng khỏi áp lực cơ học quá mức. Lớp cách điện PCB có thể là vật liệu cấp FR4 tiêu chuẩn hoặc một số vật liệu chuyên biệt khác (flex, PTFE, v.v.).

Trong cách tiếp cận này, hình dạng chân cần được thiết kế tương tự như hình dạng chân của BGA, nhưng quy trình lắp ráp sẽ khác. Trong FCOB, hàn sẽ được phủ flux trực tiếp lên PCB, nó không được gắn vào die. Chip sau đó sẽ được đặt giống như bất kỳ thành phần SMD nào khác, và nó sẽ được reflow cùng với các thành phần khác. Do đó, cần có một số DFA về hình dạng chân để đảm bảo quá trình lắp ráp đáng tin cậy.

Tôi khuyên bạn nên tuân theo các hướng dẫn tương tự cho kích thước pad BGA, nhưng dựa trên kích thước của bump thay vì kích thước của bóng. Sau đó, mặt nạ hàn và mặt nạ pasta cần được sử dụng để thiết lập kích thước pad tiếp xúc được phơi bày trong phạm vi thường được sử dụng trong BGA. Nếu khoảng cách bump đủ lớn để để lại các mảnh mặt nạ hàn lớn, thì sử dụng mặt nạ hàn để hành động như một đập (pad SMD). Nếu không, sử dụng pad NSMD để ngăn chặn việc bong tróc mảnh mặt nạ hàn giữa các bump.

Ví dụ về Kết nối Dây

Hình dưới đây cho thấy một ví dụ về kỹ thuật nối dây. Trong ví dụ này, một pad gắn chíp được hàn trực tiếp lên PCB, và các nối dây được gắn giữa các pad xung quanh chip và các điểm tiếp xúc trên chíp. Trong thiết kế này, việc bọc kín bằng epoxy để bảo vệ các nối dây và chíp khỏi sự tiếp xúc với môi trường là rất khuyến khích. Điều này chủ yếu ngăn chặn sự ăn mòn, cũng như bảo vệ dây khỏi hư hại cơ học.

Khi tạo dấu chân cho các pad nối dây trên PCB, các pad thường được làm to hơn, điều này có thể thấy rõ trong hình trên. Các tham số cần xem xét cho dấu chân bao gồm:

• Kích thước pad tiếp xúc
• Khoảng cách giữa các pad tiếp xúc
• Hình dạng pad tiếp xúc

Pad hình vuông là chấp nhận được, mặc dù pad hình chữ nhật có thể tái tạo kích thước pad được sử dụng trong linh kiện một khi chíp được đóng gói (như trong gói QFN hoặc LQFP). Các bóng tiếp xúc được sử dụng để kết nối dây với PCB sẽ rất mỏng, đạt từ 20 đến 30 micron về chiều rộng. Chiều rộng pad tiếp xúc tương ứng có thể từ 50 đến 150, với giá trị tương tự được sử dụng cho khoảng cách pad. Sử dụng các số đo khoảng cách và kích thước pad, bạn có thể sau đó bố trí một mảng các pad trong dấu chân PCB cho các nối dây.

Chip-on-Board Nâng Cao Hơn

Chip-on-board nâng cao hơn sẽ sử dụng các điểm tiếp xúc dạng bướm ở phía dưới của vi mạch (ví dụ, như mô hình flip-chip được hiển thị ở trên).

Ý tưởng đằng sau việc thiết kế chip-on-board trở nên nâng cao liên quan đến hai lĩnh vực: khoảng cách giữa các điểm tiếp xúc hoặc bướm ở phía dưới của vi mạch, và tốc độ mà các hệ thống này phải hoạt động. Giống như các BGA có pitch rất nhỏ, nơi mà khoảng cách giữa các pad có thể yêu cầu via-in-pad và vias mù/chôn, bao bì chip-on-board cũng có thể yêu cầu điều tương tự. Ngoài ra, tốc độ mà các vi mạch này và các giao diện của chúng hoạt động loại trừ bất kỳ sự chuẩn hóa nào, ngoại trừ các giao diện tính toán như USB, PCIe, v.v.

Tại sao chúng ta lại sử dụng các vi mạch nâng cao hơn trong phương pháp chip-on-board thay vì thiết kế một lớp nền hoặc interposer? Có một số lý do cho điều này, và khó có thể tổng quát hóa cho mọi tình huống. Các bảng thử nghiệm, thử nghiệm với các kết nối giữa các chip, và đơn giản là thiếu quyền truy cập vào năng lực sản xuất lớp nền/interposer đều là lý do để sử dụng bao bì chip-on-board.

Để đảm bảo bạn có thể đạt được các mục tiêu hiệu suất với các thiết kế chip-on-board nâng cao hơn, hãy tận dụng những nguồn lực này:

• Sử dụng máy tính trở kháng via cho bất kỳ sự phân nhánh via nào từ die
• Đảm bảo bạn biết trở kháng và sử dụng máy tính trở kháng dựa trên phương trình của Wadell
• Tham khảo ý kiến nhà sản xuất và xác định giới hạn kích thước via hoặc nhu cầu về khoan bằng laser
• Để loại bỏ nhu cầu về các tính năng lớp bề mặt mịn hơn, sử dụng laminate có Dk thấp để hỗ trợ die
• Đảm bảo áp dụng phủ bề mặt phù hợp cho việc kết nối dây

Nếu bạn đang bắt đầu với thiết kế bao bì chip-on-board và bố trí PCB, hãy chắc chắn sử dụng bộ công cụ thiết kế sản phẩm đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ dự án của mình. Hãy xem các cập nhật tính năng hàng tháng trong Altium Designer.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.

Ví dụ về mạch tích hợp lật trên bo. [Nguồn: a