Cet article explique ce qu'est une puce sur carte (CBO), comment elle est fabriquée et ses différentes applications. Découvrez ce procédé de fabrication économique, protecteur et performant.
Introduction
En ouvrant un boîtier électronique, vous avez probablement aperçu une forme étrange sur un circuit imprimé. Son aspect difforme peut paraître étrange au premier abord. Cependant, après test, vous constatez qu'elle remplit parfaitement sa fonction. Ce circuit imprimé atypique possède un Puce à bord (ou COB en abrégé) à l'intérieur.
Qu'est-ce qu'une puce sur carte ?
Comme son nom l'indique, un circuit intégré sur carte (COB) est un assemblage de puces déposé sur un circuit imprimé. Un COB comprend un circuit intégré (sur une puce ou une tranche de silicium) relié par fils ou par soudure à des pastilles sur le circuit imprimé. Après le collage ou la soudure, une machine injecte un revêtement époxy ou plastique. Ce revêtement protège la puce et les connexions filaires sensibles de l'humidité. Il les isole également des contraintes mécaniques et électriques.
Histoire de Chip on Boards
Les fabricants d'électronique ont développé la technologie COB (Chip-on-Board) pour réduire les coûts de production. Elle a permis de supprimer le besoin de boîtiers pour circuits intégrés et de gagner de la place sur les circuits imprimés. On trouve généralement des COB dans les appareils électroniques bon marché (calculatrices, écrans LCD, jouets électroniques, etc.). Elles sont également utilisées dans des domaines tels que l'éclairage LED et les applications radiofréquences. Enfin, elles sont employées dans les produits électroniques miniaturisés, comme les téléphones portables et les cartes à puce.
Les COB sont idéales pour l'éclairage LED. En effet, les puces LED peuvent être regroupées sur une même carte dans un seul boîtier (comme vous le verrez plus loin). De plus, les COB présentent d'excellentes performances thermiques et énergétiques, des atouts précieux pour cette application.
Les diodes électroluminescentes organiques (COB) présentent des avantages pour les circuits électroniques RF, car leur assemblage élimine le besoin d'une grille de connexion, ce qui permet de réduire la longueur des fils. Cette caractéristique améliore les propriétés capacitives et inductives du circuit. Elles sont particulièrement adaptées aux circuits RF.
De nos jours, les fabricants utilisent largement les COB, la miniaturisation des produits électroniques étant toujours d'actualité. Par conséquent, de plus en plus d'entreprises de fabrication de circuits imprimés proposent la production de COB. Il est conseillé de les contacter pour connaître leurs capacités en la matière.
Comment est construit un circuit intégré à puce (Chip on Board) ?
La fabrication d'un COB comprend plusieurs étapes. Il vous faudra savoir manipuler et connecter par fil une puce pour les COB à connexion par fil. Vous devrez également préparer des produits chimiques pour placer la puce et encapsuler le circuit intégré. Voici les étapes :
1. Le fabricant produit le circuit imprimé avec des pastilles prêtes à recevoir une puce ou une tranche de plaquette. Le concepteur doit calculer l'espacement de ces pastilles afin qu'elles puissent être connectées par fil à la puce rapidement et de manière fiable.
2. La carte de circuit imprimé est nettoyée et préparée pour recevoir la puce. Celle-ci est déposée sur le substrat de la carte, où une fine couche d'adhésif est appliquée pour la maintenir en place.
3. La puce est manipulée et placée sur le substrat exposé à l'aide d'un adhésif sur le circuit imprimé. L'opérateur doit aligner soigneusement les puces avec un outil de fixation. Elles se fixent aux pastilles de cuivre exposées à la surface du substrat pour le câblage.
4. Une machine de câblage relie les pastilles de la puce aux motifs des pastilles exposées du circuit imprimé. Ces pastilles doivent résister à la chaleur du processus de câblage. Elles doivent donc être conçues avec une finition or ou des pistes de cuivre plus épaisses.
5. On applique un matériau d'encapsulation, généralement de l'époxy, sur la surface de l'assemblage. Il protège les composants sensibles (la puce, les pastilles de connexion du circuit imprimé et les fils de liaison) des agressions extérieures. Cette couche est la partie noire que l'on voit principalement sur le dessus du circuit imprimé.
Quelques variantes de Chip on Board
Il existe différentes variantes de COB, chacune présentant ses propres avantages et applications spécifiques.
1. COB à puce retournée
Les COB à puce retournée (Flip-Chip) sont constitués de puces placées sous le substrat, avec des plots de connexion. C'est de là que vient leur nom ; une fois assemblées, elles ressemblent à des puces inversées. Cette configuration utilise une connexion de type BGA pour se fixer au substrat PCB. De ce fait, des plots de soudure sont présents sous les puces. L'encapsulant se trouve généralement le long des joints de soudure et sous la puce ; on parle alors de sous-remplissage. Il n'est pas nécessaire de réaliser de liaisons filaires sur les puces supérieures. Ainsi, les COB pour applications LED sont beaucoup plus lumineuses que les COB classiques à puce retournée (non-Flip-Chip). Les fabricants de LED utilisent des COB à puce retournée afin de réduire l'espacement entre les puces LED CMS. Cette configuration produit un effet de source lumineuse relativement unique.
Les puces LED à retournement (flip-chip) sont généralement connectées entre elles pour former un circuit en série. Les extrémités de ce circuit sont reliées à des pastilles de connexion sur le substrat, ce qui réduit leur nombre sur le boîtier des LED. La densité de LED sur un substrat détermine le niveau de luminosité que peut offrir un boîtier LED.
2. COB à liaison filaire
a. COB à liaison filaire (pour LED)
À l'instar des puces Flip-Chip, les fabricants utilisent des COB à liaison câblée pour les applications LED. On observe une configuration COB à liaison câblée à l'intérieur de certaines LED CMS haute puissance. Un fil d'or relie la puce supérieure à sa connexion électrique correspondante sur le substrat. Ce type d'assemblage confère aux LED une efficacité électrique et thermique optimale. Cependant, les COB Flip-Chip offrent une efficacité supérieure, tant électrique que thermique, grâce à l'absence de liaisons câblées susceptibles d'entraîner des pertes de puissance.
Tout comme les LED à puce retournée, les LED à liaison filaire peuvent également être connectées en série. On obtient ainsi un circuit en série, ce qui réduit le nombre de pastilles de connexion dans le boîtier de la LED tout en augmentant sa luminosité. Cependant, les LED à puce retournée présentent un avantage supplémentaire : elles ne nécessitent pas de liaison filaire.
b. COB à liaison filaire avec encapsulation
Les COB à liaison câblée sont constitués d'une puce supérieure reliée par fil aux pastilles exposées d'un circuit imprimé. Le fabricant procède ensuite à une encapsulation dans une résine époxy pour la protéger. On retrouve cette configuration dans de nombreux produits électroniques bon marché, tels que les calculatrices, les jouets et les modules LCD. Les COB à liaison câblée sont économiques à produire en grande série, contrairement aux circuits intégrés. Ce type de configuration permet également un gain de place dans vos projets. De plus, l'encapsulation renforce le composant, améliore son efficacité thermique et assure sa protection.
Quelques techniques d'encapsulation sur les COB
L'assemblage COB est fragile ; la puce et les liaisons filaires sont sensibles aux contraintes physiques. De plus, l'humidité et d'autres composés peuvent altérer les composants du COB et le dégrader au fil du temps. C'est pourquoi des techniques d'encapsulation sont utilisées pour protéger l'assemblage. Vous trouverez ci-dessous les méthodes d'encapsulation courantes.
1. Distributeur à bouchon globulaire
Cette technique d'encapsulation utilise un composé époxy (ou un autre composé polymérisable aux UV) qui protège l'ensemble COB lors de son séchage. Le composé est appliqué par un robinet à aiguille fin et s'écoule sur toute la surface du COB. Il est essentiel de mesurer la viscosité du composé afin d'éviter d'endommager les liaisons filaires pendant l'encapsulation. De plus, l'opérateur doit contrôler la quantité de composé déposée afin de ne pas dépasser les limites de hauteur autorisées pour le COB.
L'encapsulation par glob-top permet d'isoler le COB et de le protéger des produits chimiques dangereux et de l'humidité. Cette technique assure également la solidité de la structure du COB et la préserve des contraintes mécaniques liées à sa manipulation.
2. Barrage et distribution de remplissage
Le procédé de remplissage et de barrage utilise deux types de matériaux de viscosité différente. Le premier est un matériau à haute viscosité qui crée un barrage sur les côtés du bloc de terre comprimée (COB), et le second est un matériau à plus faible viscosité à l'intérieur du barrage.
Le matériau à viscosité élevée limite l'écoulement du matériau à viscosité plus faible, notamment en dehors des zones protégées par le barrage. Ensuite, le fabricant distribue le matériau à viscosité plus faible à une vitesse supérieure à celle du matériau à viscosité élevée.
Cette technique de dépôt est plus rapide que la technique de dépôt par goulot. Elle permet d'obtenir une structure plus uniforme et de meilleure qualité. La structure est prévisible et présente des tolérances plus strictes. Grâce à ces propriétés, le dépôt par barrage et remplissage est de plus en plus utilisé pour les composants électroniques de faible épaisseur.
Différentes applications des puces sur carte
Les fabricants peuvent utiliser des cartes à puce intégrée dans de nombreuses applications. Voici quelques exemples.
1. Applications d'éclairage
Les caractéristiques d'efficacité énergétique et thermique des COB les rendent parfaitement adaptées aux applications d'éclairage LED. Les COB à liaisons câblées possèdent des liaisons câblées très courtes, qui sont d'excellents conducteurs d'électricité. Ces liaisons peuvent être réalisées en or, en aluminium, en cuivre ou en argent. Les COB à puce retournée sont supérieures car elles ne nécessitent pas de liaisons câblées et peuvent être connectées électriquement directement aux pastilles ou aux pistes par des billes de soudure.
2. Circuits RF
Les COB sont plus adaptés aux circuits RF. Ces circuits sont sensibles aux propriétés inductives et capacitives des matériaux. Ils y parviennent grâce à des connexions électriques très courtes. Les COB éliminent le cadre de connexion et le boîtier d'un circuit intégré. La puce est connectée aux pastilles/pistes du circuit par des liaisons filaires ou des billes de soudure de type BGA.
3. Circuits intégrés bon marché
Comme mentionné précédemment, les fabricants utilisent largement les COB pour la fabrication de produits électroniques bon marché. Ces produits bénéficient des économies réalisées grâce à l'utilisation de circuits intégrés sans boîtier. Bien que des coûts de mise en place initiaux existent, ils sont largement compensés par le volume considérable de produits fabriqués en série.
4. Génie aérospatial
Le COB peut devenir fiable et durable au fil du temps. Il peut alors résister à des conditions difficiles. Cette propriété est idéale pour l'aérospatiale, qui a besoin de composants à faible taux de défaillance sur le long terme.
La compacité des COB facilite la conception d'éléments à espace restreint, un aspect crucial en ingénierie aérospatiale. Par exemple, les concepteurs peuvent utiliser les COB dans les circuits. Ces circuits sont intégrés sur des cartes électroniques logées dans différents modules d'une navette spatiale, où l'espace est compté.
Les opérateurs peuvent soumettre les composants aérospatiaux à des contraintes thermiques élevées. Un dispositif informatique embarqué haut de gamme en est un exemple. L'aluminium anodisé peut être utilisé pour l'encapsulation des COB afin d'améliorer la conductivité thermique globale.
Conclusion
La fabrication de COB est un procédé économique et compact. Elle peut s'avérer utile à la plupart des entreprises de conception électronique. Cet article présente l'histoire, la construction, les différentes techniques d'encapsulation et les diverses applications des COB.