¿Qué es un Chip on Board?

Este artículo explica qué es un chip on board, cómo lo construyen los fabricantes y sus distintas aplicaciones. Obtenga más información sobre este proceso de fabricación económico, protector y eficiente.

Introducción

Upon opening an electronic assembly, you probably saw a strange-looking blob on a circuit board. It may look peculiar initially, as it appears to have gone out of shape. However, upon testing, you see that the blob does its intended application. This strange circuit assembly has a Chip on Board (or COB for short) inside.

¿Qué es un Chip on Board?

Como su nombre indica, un chip en placa es un conjunto de chips sobre una placa de circuito impreso. Un COB consta de un circuito integrado (en un troquel o en una oblea de silicio) unido por alambre o soldado a través de almohadillas en la placa de circuito impreso. Tras la unión o soldadura, una máquina inyecta un revestimiento de epoxi o plástico. Este revestimiento protege de la humedad las delicadas uniones de la matriz y los cables. También los protege de las tensiones mecánicas y eléctricas.

Historia de Chip on Boards

Los fabricantes de productos electrónicos desarrollaron las placas de circuitos integrados (COB) para reducir los costes de fabricación. Eliminaban la necesidad de empaquetar los circuitos integrados y ahorraban espacio en la disposición de los circuitos. Suelen encontrarse en productos electrónicos baratos (calculadoras, pantallas LCD, juguetes electrónicos, etc.). También se utilizan en iluminación LED y aplicaciones de radiofrecuencia. También se utilizan en productos electrónicos miniaturizados, como teléfonos móviles y tarjetas inteligentes.

Los COB son ideales para la iluminación LED. Esto se debe a que los chips de LED pueden apiñarse en una placa en un único paquete de LED (como verás más adelante). Además, los COB tienen buenas características térmicas y de eficiencia energética. Estas características son útiles para la aplicación mencionada.

Los COB pueden beneficiar a los circuitos electrónicos de RF, ya que un conjunto COB elimina la necesidad de un bastidor de conductores, lo que se traduce en longitudes de conductores más cortas. Esta característica mejora las propiedades capacitivas e inductivas de un circuito. Es ideal para circuitos de radiofrecuencia.

Hoy en día, los fabricantes utilizan mucho las placas COB, ya que la tendencia a miniaturizar los productos electrónicos continúa. Como resultado, cada vez más empresas de fabricación de placas de circuito impreso pueden ofrecer la fabricación de COB. Lo mejor es ponerse en contacto con ellos para conocer sus capacidades de fabricación de COB.

¿Cómo se construye un Chip on Board?

La fabricación de una COB requiere varios pasos. Tendrá que saber cómo manipular y unir con alambre un chip para COBs con alambre. También tendrá que preparar algunos materiales químicos para colocar el chip y encapsular el circuito integrado. Estos son los pasos:

1. El fabricante fabrica la placa de circuito impreso con almohadillas listas para recibir un chip o una oblea. El diseñador debe calcular el espaciado de estas almohadillas para que puedan unirse al chip de forma rápida y fiable.

2. La placa de circuito impreso se limpia y se prepara para recibir el chip. El troquel aterriza en la parte del sustrato de la PCB, donde se aplica una fina capa de material adhesivo para mantenerlo en su sitio.

3. El chip die se manipula y se coloca sobre el sustrato expuesto con material adhesivo en la placa de circuito impreso. El operario debe alinear cuidadosamente estos troqueles con un fijador de troqueles. Se adhieren a las almohadillas de cobre expuestas en la superficie del sustrato para la unión de cables.

4. Una máquina de pegado de alambres pega las almohadillas de los troqueles a los patrones de las almohadillas expuestas de las placas de circuito impreso. Las almohadillas de la placa de circuito impreso deben soportar el calor del proceso de wire bonding. Por ello, las almohadillas deben diseñarse con un acabado dorado o tener pistas de cobre más gruesas.

5. Aplicamos un material encapsulante, normalmente epoxi, a la superficie del conjunto. Protege las partes sensibles (el troquel, las almohadillas de la placa de circuito impreso y el conjunto de unión de cables) del entorno. Esta parte es la mancha negra que se ve principalmente en la parte superior de la placa de circuito.

Algunas variantes de Chip on Boards

Hay distintas variantes de COB, y tienen sus propias ventajas y aplicaciones particulares.

1. COBs Flip-Chip

Los COB Flip-Chip tienen los chips colocados con almohadillas de fijación bajo el sustrato. De ahí viene el término; parecen chips invertidos cuando están ensamblados. Esta configuración utiliza una conexión de tipo BGA para conectarse a sus sustratos de PCB. Esta configuración significa que tienen protuberancias de soldadura debajo de ellos. El encapsulante suele estar a lo largo de las juntas de soldadura y debajo de la matriz, lo que se denomina "underfill". Los operadores no necesitan poner enlaces de alambre en las matrices superiores. Por lo tanto, los COB para aplicaciones LED son mucho más brillantes que los COB sin flip-chip unidos por alambre. Los fabricantes de LED utilizan COBs Flip-chip para que las matrices de chip LED de montaje en superficie tengan espacios más reducidos entre ellas. Esta configuración produce un efecto de fuente de luz un tanto singular.

Las matrices de LED flip-chip suelen conectarse con otros LED flip-chip para formar un circuito en serie. Los extremos de este circuito se conectan a las almohadillas eléctricas del sustrato, lo que reduce el número de almohadillas del paquete de LED. El número de LED apiñados en un sustrato determina el nivel de luminosidad que puede ofrecer un paquete de LED.

2. COBs de alambre

a. COBs de alambre (para LEDs)

Al igual que el Flip-Chip, los fabricantes emplean COBs Wire-Bonded para aplicaciones LED. En el interior de algunos LED de alta potencia montados en superficie, verá una configuración COB Wire-Bonded. Se puede ver un alambre de oro conectado desde el troquel superior a su correspondiente conexión eléctrica en el sustrato. Este tipo de montaje hace que los LED sean eléctrica y térmicamente eficientes. Sin embargo, los Flip-chip COB son más eficientes. Son mejores desde el punto de vista eléctrico y térmico. Esto se debe a que carecen de las uniones de cables que pueden causar pérdidas de potencia.

Al igual que los LED flip-chip, los LED wire-bonded también pueden conectarse en serie. De este modo se forma un circuito en serie que reduce el número de almohadillas de un paquete de LED y los hace más brillantes. Sin embargo, los flip-chips tienen una ventaja añadida, ya que no necesitan las uniones por cable.

b. COBs cableados con encapsulado

Los COBs con cable tienen su cable superior unido a las almohadillas expuestas de una placa de circuito impreso. Después, el fabricante lo encapsula en una capa de epoxi como protección. Encontrará esta configuración en muchos productos electrónicos baratos, como calculadoras, juguetes y módulos LCD. Los COB soldados con alambre son más baratos de fabricar en volumen que sus homólogos empaquetados con circuitos integrados. Con este tipo de configuración también puedes ahorrar espacio en tus proyectos. Además, el encapsulado aumenta la resistencia del componente. También lo hará térmicamente eficiente y protegido.

Algunas técnicas de encapsulación en COBs

El conjunto COB es frágil; las uniones de la matriz y los cables son sensibles a las tensiones físicas. Además, la humedad y otros compuestos pueden afectar a las piezas del COB, degradándolo con el tiempo. Por ello, se emplean técnicas de encapsulado para proteger el conjunto. A continuación se describen los métodos de encapsulado habituales.

1. Dispensación Glob Top

Esta técnica de encapsulado utiliza un compuesto epoxi (o un tipo de compuesto de curado UV) que protege todo el conjunto COB cuando se seca. El compuesto se aplica a través de una válvula de aguja estrecha y se deja fluir por todo el COB. Medir la viscosidad del compuesto es esencial para garantizar que no dañará ninguna unión de cables durante el encapsulado. Además, el operario debe vigilar la cantidad de compuesto dispensado. Esto evita que la altura de la placa alcance los límites permitidos.

El encapsulado Glob-top puede aislar la placa COB. También la protege de productos químicos peligrosos y de la humedad. Esta técnica también puede soportar toda la estructura de la placa. Lo hace frente a tensiones mecánicas durante la manipulación.

2. Dispensación de presa y relleno

La dosificación Dam and Fill utiliza dos tipos de materiales viscosos. El primero es un material de alta viscosidad que crea un dique en los laterales del COB, y el segundo es un material de menor viscosidad en el interior del dique.

El material de mayor viscosidad limita el flujo del material de menor viscosidad. Lo hace fuera de las zonas protegidas por el dique. A continuación, el fabricante dispensa el material de menor viscosidad a mayor velocidad que el material de mayor viscosidad.

Esta técnica de dispensación es más rápida que la técnica glob top. Produce una estructura mejor y más uniforme. La estructura es predecible y tiene una tolerancia más ajustada. Debido a estas propiedades, la dosificación de presa y relleno se utiliza más en electrónica de bajo perfil.

Diferentes aplicaciones para Chip on Boards

Los fabricantes pueden utilizar las tarjetas chip-on en múltiples aplicaciones. A continuación se ofrecen algunos ejemplos.

1. Aplicaciones de iluminación

Las características de eficiencia energética y térmica de los COB los hacen idóneos para aplicaciones de iluminación LED. Los COBs de alambre tienen alambres muy cortos que son conductores superiores de electricidad. Algunos ejemplos son el oro, el aluminio, el cobre y la plata. Los COBs flip-chip son mejores porque no utilizan alambres de unión y pueden unirse eléctricamente a los pads o pistas directamente a través de los puntos de soldadura.

2. Circuitos RF

Los COB son mejores para los circuitos de RF. Estos circuitos se ven afectados por las propiedades inductivas y capacitivas de los materiales. Lo hacen a través de conexiones eléctricas muy cortas. Los COBs eliminan el leadframe y el encapsulado de un circuito integrado. El chip se conecta a los circuitos mediante uniones de alambre o puntos de soldadura tipo BGA.

3. Circuitos integrados baratos

Como ya se ha mencionado, los fabricantes utilizan ampliamente los COB para artículos electrónicos baratos. Estos artículos se benefician de la reducción de costes que supone utilizar circuitos integrados sin embalaje. Los costes iniciales de configuración existen en la fabricación. Pero quedan eclipsados por el enorme número de productos fabricados en serie.

4. Ingeniería aeroespacial

Con el tiempo, el COB puede llegar a ser fiable y duradero. Puede soportar condiciones difíciles. Esta condición es perfecta para la industria aeroespacial. Necesitan componentes con un bajo índice de fallos durante mucho tiempo.

La naturaleza compacta de las COB ayuda en diseños con limitaciones de espacio, cruciales para la ingeniería aeroespacial. Por ejemplo, los diseñadores pueden aplicar las COB a circuitos. Los circuitos se incrustan en placas apiñadas en distintos módulos de un transbordador espacial con limitaciones de espacio.

Los operadores pueden someter a los componentes aeroespaciales a un gran estrés térmico. Un dispositivo informático integrado de gama alta es un ejemplo. El aluminio anodizado puede aplicarse al encapsulado COB para mejorar la conductividad térmica general.

Conclusión

La fabricación de COB es un proceso que ahorra costes y espacio. Puede ayudar a la mayoría de las empresas de diseño electrónico. En este artículo se analizan la historia, la construcción, las distintas técnicas de encapsulado y las diversas aplicaciones de las placas COB.