Chip-On-Board

Chip-On-Board (COB, «кристалл на плате») — это технология монтажа полупроводниковых компонентов, при которой бескорпусный кристалл интегральной схемы (чип) приклеивается непосредственно на печатную плату и электрически соединяется с её контактными площадками без использования традиционного корпуса. COB относится к методам поверхностного монтажа, но отличается от стандартных SMD-компонентов отсутствием индивидуальной упаковки чипа. Технология позволяет минимизировать размеры, массу и стоимость конечного устройства, а также улучшить теплоотвод и электрические характеристики.

История

Первые разработки в области бескорпусного монтажа чипов относятся к 1960-м годам, когда в военной и аэрокосмической промышленности возникла потребность в миниатюризации электроники. Однако широкое промышленное внедрение COB началось в 1980-х годах с развитием автоматизированного оборудования для нанесения клея и проволочной сварки. В СССР аналогичные технологии применялись в микроэлектронике для создания гибридных интегральных схем, но термин COB вошёл в обиход только в постсоветский период. С 2000-х годов COB активно используется в массовой потребительской электронике: пультах дистанционного управления, калькуляторах, светодиодных лампах и датчиках.

Технологический процесс

Процесс изготовления COB-модуля включает несколько последовательных этапов:

1. Подготовка платы. Печатная плата (обычно FR-4 или керамическая) очищается от загрязнений. На контактные площадки наносится эпоксидный клей или паяльная паста.
2. Установка кристалла. Бескорпусный чип с помощью автоматического манипулятора (pick-and-place) позиционируется на плате и приклеивается. Клей полимеризуется при нагреве (обычно 120–150 °C) в течение 10–30 минут.
3. Проволочная сварка (wire bonding). Тонкие проволочки (золотые, медные или алюминиевые диаметром 15–50 мкм) соединяют контактные площадки чипа с дорожками платы. Используется термозвуковая или ультразвуковая сварка. Количество соединений может достигать нескольких сотен.
4. Герметизация. Для защиты кристалла и проволочек от механических повреждений, влаги и пыли наносится компаунд (эпоксидная смола, силикон или полиуретан). Герметик заливается каплей (glob top) или покрывает всю область чипа (dam-and-fill). Отверждение происходит при нагреве или УФ-облучении.
5. Контроль качества. Проверяется электрическая целостность соединений, отсутствие коротких замыканий и механических дефектов. Используются автоматические оптические инспекции (AOI) и тестирование на лету (in-circuit test).

Разновидности

COB-технология имеет несколько модификаций, различающихся способом соединения кристалла с платой:

• Проволочный COB (wire-bonded COB) — классический метод с использованием проволочной сварки. Наиболее распространён в массовой электронике.
• Перевёрнутый кристалл (flip-chip) — чип монтируется контактными площадками вниз и соединяется с платой через припойные шарики или столбики. Обеспечивает более высокую плотность соединений и лучший теплоотвод, но требует более точного оборудования.
• Многокристальный модуль (MCM-COB) — на одной плате размещается несколько кристаллов, соединённых между собой. Применяется в высокопроизводительных системах (процессоры, память).
• COB на гибких платах (flex-COB) — чипы монтируются на гибкие полиимидные подложки. Используется в носимой электронике и датчиках.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Миниатюризация. Отсутствие корпуса позволяет уменьшить размеры модуля на 30–50 % по сравнению с SMD-компонентами.
• Снижение стоимости. Исключаются затраты на корпусирование чипов, что особенно выгодно при крупносерийном производстве.
• Улучшенный теплоотвод. Кристалл непосредственно контактирует с платой, что облегчает отвод тепла.
• Повышенная надёжность. Меньше паяных соединений и механических элементов, снижающих риск отказов.
• Устойчивость к вибрациям. Герметизация компаундом защищает от механических воздействий.

Недостатки

• Сложность ремонта. Замена отдельного чипа практически невозможна — при повреждении модуль заменяется целиком.
• Чувствительность к влаге. Без качественной герметизации кристалл и проволочки подвержены коррозии.
• Требования к чистоте производства. Процесс требует чистых помещений (класс 1000–10000) для предотвращения загрязнения контактов.
• Ограниченная плотность соединений. Проволочная сварка уступает flip-chip по количеству контактов на единицу площади.

Применение

COB-технология широко используется в различных отраслях электроники:

• Светодиодные источники света. COB-светодиоды (LED COB) представляют собой массив кристаллов, смонтированных на одной подложке. Они обеспечивают высокую световую отдачу (до 200 лм/Вт) и равномерное свечение. Применяются в прожекторах, уличных светильниках, автомобильных фарах и дисплеях.
• Потребительская электроника. Пульты дистанционного управления, калькуляторы, электронные игрушки, SIM-карты и карты памяти.
• Автомобильная электроника. Датчики, блоки управления двигателем, системы контроля давления в шинах.
• Медицинская техника. Миниатюрные датчики, слуховые аппараты, имплантируемые устройства.
• Промышленная автоматика. Программируемые логические контроллеры (ПЛК), датчики температуры и давления.
• Аэрокосмическая и оборонная промышленность. Бортовые вычислители, системы навигации, радиолокационные модули.

Сравнение с альтернативными технологиями

Перспективы развития

Совершенствование COB-технологии связано с переходом на более тонкие проволочки (менее 15 мкм), использование медных и серебряных сплавов для снижения стоимости, а также внедрение автоматизированных систем контроля качества на основе машинного зрения. В светодиодной отрасли растёт популярность COB-матриц с высокой плотностью кристаллов (chip-on-board LED) для создания мощных компактных источников света. В микроэлектронике COB постепенно вытесняется flip-chip и технологиями 3D-монтажа (TSV, Through-Silicon Via), но остаётся востребованным в сегментах, где критичны низкая стоимость и простота производства.

Источники

• Технология поверхностного монтажа. Справочник / Под ред. А. И. Петрова. — М.: Радио и связь, 2005.
• Баранов В. В. Микроэлектроника: технологии и оборудование. — СПб.: Лань, 2018.
• Справочник по светодиодным источникам света / Под ред. Ю. Б. Айзенберга. — М.: Энергоатомиздат, 2017.
• IPC-7095 — Design and Assembly Process Implementation for Ball Grid Arrays (BGA) and Chip-On-Board (COB) — стандарт IPC, 2016.
• Материалы конференции «Современные технологии монтажа в электронике» (Москва, 2022).