Bei der Chip-on-Board-Montage wird ein nackter Die direkt auf einem Substrat platziert, mit feinen Drahtbonds verbunden und mit einem Vergussmaterial abgedeckt. Auf einer herkömmlichen starren Leiterplatte behält dieses Substrat für den Rest seiner Lebensdauer eine feste Form. Auf einerflexible Leiterplatteoder aflex-starre Leiterplatteist das Substrat so ausgelegt, dass es sich entweder während der Installation oder wiederholt im normalen Gebrauch biegen, falten oder verformen lässt.
Dieser Unterschied verändert das technische Problem auf der Ebene des Dies. Der Die selbst ist starr und spröde, die Drahtbonds sind fein und entlang ihrer Länge weitgehend ungestützt, und das Vergussmaterial hat seine eigene Steifigkeit und seinen eigenen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Keines dieser Bauteile kann sich so biegen wie das Substrat um sie herum. Wenn sich das Substrat bewegt und der Die, die Drähte und das Vergussmaterial sich nicht in gleicher Weise mitbewegen, konzentriert sich die Belastung an der Schnittstelle, die die starren Teile von den flexiblen trennt.
Deshalb muss COB auf Flex- oder Starrflex-Leiterplatten als mechanisches System geplant werden, nicht nur als elektrisches. Die Baugruppe muss weiterhin dieselben elektrischen und prozesstechnischen Grundlagen erfüllen wie COB auf starren Leiterplatten, was im Detail in PCBCartsArtikel über Die-Attach und Drahtbonden, aber die Entscheidungen bezüglich Layout und Material wiegen schwerer, weil die Leiterplatte selbst Teil des mechanischen Lastpfads ist.
Warum Flex- oder Starrflex-Leiterplatten zusätzliche Überlegungen erfordern
Auf einer starren Leiterplatte ist die Form des Substrats, sobald Reflow und Drahtbonden abgeschlossen sind, für die gesamte Lebensdauer der Baugruppe festgelegt. Die mechanische Belastung einer Die-Attach-Verbindung oder eines Drahtbonds resultiert hauptsächlich aus thermischen Zyklen und ist bei ähnlichen Designs relativ vorhersehbar und gleichmäßig.
Eine flexible Leiterplatte verändert diese Ausgangsbasis. Der ganze Zweck des Substrats besteht darin, dass es sich bewegt – sei es, dass es bei der Installation einmalig in eine feste Form gebracht wird oder während des Betriebs kontinuierlich gebogen wird, etwa in einem Wearable-Gerät oder in einer Anwendung als Kabelersatz. Eine Starrflex-Leiterplatte fügt eine weitere Ebene hinzu, da sie starre Bereiche, die zur Aufnahme von Bauteilen bestimmt sind, mit flexiblen Bereichen kombiniert, die zum Biegen vorgesehen sind, und die Übergangszone zwischen beiden ist ein eigenes mechanisches Detail, das Beachtung verdient.
Speziell für COB ist dies von Bedeutung, weil der Die und seine Bonddrähte in der Regel nahe an der Substratoberfläche platziert werden, mit nur geringem Abstand oder mechanischer Pufferung. Jegliche Biege-, Torsions- oder Formbeanspruchung, die diesen Bereich des Substrats erreicht, wird weitgehend ungefiltert in die Die-Befestigungsverbindung und die Drahtschleifen direkt darüber eingeleitet.
Mechanische Belastung des gebondeten Dies und der Drähte während des Biegens oder Formens
Die-Die-Attach-Verbindung ist in der Regel das Erste, das diese Belastung zu spüren bekommt. Ein Siliziumchip ist im Maßstab gewöhnlicher Biegungen im Wesentlichen starr, sodass er keine Krümmung aufnehmen kann wie das umliegende Substrat. Wenn eine Flex-Zone unter oder nahe dem Die verläuft, konzentriert sich die Biegebelastung an den Kanten des Dies und an der Die-Attach-Grenzfläche, und wiederholte Zyklen dieser Belastung können zu Die-Attach-Delamination, Die-Rissen oder zu langsamer Ermüdung an der Verbindung führen. Der Die-Attach-Klebstoff muss bereits auf einer starren Leiterplatte Spannungen aus dem thermischen Ausdehnungsmismatch zwischen Die und Substrat aufnehmen; wenn nun zyklische mechanische Belastung durch Biegen hinzukommt, muss dieselbe Verbindung anstelle einer gleich zwei verschiedene Spannungsquellen bewältigen.
Drahtbonds bergen ein ähnliches, aber dennoch anderes Risiko. Jeder Bond ist eine freitragende Spanne aus feinem Draht zwischen zwei Ankerpunkten, und seine Schlaufenhöhe und -form werden speziell so eingestellt, dass kein Kontakt mit der Chipkante oder benachbarten Drähten entsteht. Jede zusätzliche Durchbiegung des Substrats unterhalb einer Drahtschlaufe verändert die effektive Geometrie dieser Schlaufe, und wiederholtes Biegen kann den Draht am Bondhals ermüden, einer allgemein bekannten Schwachstelle beim Drahtbonden. Ein ähnliches Ausfallmuster zeigt sich bei Drahtanschlüssen an anderer Stelle in einer Baugruppe: Der Artikel von PCBCart überLötzinnablauf an Drahtanschlüssenbeschreibt, wie das Eindringen von starrem Material in einen Drahtabschnitt, der flexibel bleiben muss, genau an der Grenze einen Spannungskonzentrator erzeugt – eine hilfreiche Art, darüber nachzudenken, was passiert, wenn irgendein Teil eines Drahtbondbereichs auf einer Flex-Leiterbahn seine vorgesehene Flexibilität verliert.
Umformvorgänge verdienen besondere Beachtung. Das Biegen einer Flex- oder Starrflex-Leiterplatte in ihre endgültige Einbauform stellt oft eine größere, einmalige Belastung dar als alles, was die Baugruppe in Jahren normaler Biegebeanspruchung danach erfährt. Wenn der Biegeradius, die Faltlinie oder die Formvorrichtung nicht unter Berücksichtigung der Lage des Stanzwerkzeugs geplant werden, kann der Umformschritt selbst das Ereignis sein, das eine Lötverbindung beschädigt, die den normalen Betrieb sonst überstanden hätte.
Auswahl von Vergussmaterialien
Die Vergussmasse erfüllt bei Flex- und Rigid-Flex-Schaltungen weiterhin dieselbe grundlegende Aufgabe wie bei starren COB-Aufbauten: Sie schützt den Die und die Drahtbonds vor Feuchtigkeit, Verunreinigungen und physischem Kontakt. Was sich ändert, ist, dass das mechanische Verhalten der Vergussmasse nun direkt mit einem sich bewegenden Substrat interagiert.
Ein steifes, stark vernetztes Vergussmaterial erzeugt direkt am Rand des Glob-Top- oder Formbereichs einen Übergang von hart zu flexibel. Genau an diesem Übergang konzentriert sich in der Regel die Substratkrümmung, sodass ein starres Vergussmaterial die flexible Zone effektiv verengen und die Biegespannung eher an seine eigene Grenze verlagern kann, anstatt sie sanfter zu verteilen. Unter den gängigenVerkapselungstypenAllgemein in der PCBA eingesetzt, werden einige Formulierungen speziell wegen ihres niedrigeren Moduls und ihrer besseren Dehnung ausgewählt – Eigenschaften, die hier wichtiger sind als bei einer Leiterplatte, die sich nie bewegt. Die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Vergussmasse, Die, Draht und Substrat wiegt ebenfalls schwerer, da eine flexible Baugruppe häufiger unter mechanischer Belastung steht als eine statische.
Die Handhabung während der Montage ist Teil desselben Gesamtbildes. Das Vergussmaterial muss aufgetragen und ausgehärtet werden, während das Substrat flach und unbelastet gehalten wird, da das Aushärten des Materials in einem gespannten oder gebogenen Zustand Restspannungen in der Verbindung einschließen kann, noch bevor das Bauteil überhaupt in den Feldeinsatz gelangt. Aushärtungsplan und Vorrichtungskonstruktion sind ebenso wichtig wie die Wahl des Harzes selbst.
Allgemeine Gestaltungshinweise
Beim Planen eines COB-Layouts auf Flex- oder Rigid-Flex-Leiterplatten tauchen einige Grundsätze immer wieder auf, ohne dass eine einzelne Maßnahme für sich allein als ausreichend angesehen werden kann.
Halten Sie den Die-Attach-Bereich nach Möglichkeit außerhalb der Flexzone.Das Platzieren des Chips auf einem versteiften Abschnitt oder auf dem starren Teil einer Starrflex-Leiterplatte, entfernt von dem Bereich, der sich biegen soll, beseitigt den Großteil des Problems der dynamischen Belastung an der Quelle, anstatt später vom Vergussmaterial zu verlangen, dies auszugleichen.
Fügen Sie eine lokale Verstärkung in der Nähe des Werkzeugs hinzu, falls eine Verlagerung nicht möglich ist.Ein Versteifungselement unter oder um den Chipbereich verringert die Durchbiegung, die den Die-Attach- und Drahtbondbereich erreicht, selbst wenn der Die näher an einem Flexbereich positioniert werden muss, als es ansonsten ideal wäre.
Planen Sie Umformvorgänge anhand der Lage des Werkzeugs, nicht umgekehrt.Biegeradien, Falzlinien und Vorrichtungsgestaltung sollten ausreichend Abstand vom Werkzeug und vom Drahtbondbereich halten, sodass die einmalige Dehnung beim Umformen nicht größer ist als die Belastung, der die Verbindung während ihrer gesamten Einsatzdauer ausgesetzt ist.
Betrachte Kapselung als einen Schutz, der auf einem soliden Layout aufbaut, nicht als Ersatz dafür.Die Materialauswahl im Hinblick auf Nachgiebigkeit und CTE-Anpassung ist hilfreich, wirkt jedoch am besten in Kombination mit Entscheidungen zur Chipplatzierung und Versteifung, die bereits im Vorfeld begrenzen, wie viel Dehnung den Chip überhaupt erreicht.
Häufig gestellte Fragen
Funktioniert COB auf flexiblen Leiterplatten zuverlässig?
Ja, Chip-on-Board-Montage wird auf flexiblen und starrflexiblen Substraten in der Unterhaltungselektronik, bei Wearables und anderen platzkritischen Produkten eingesetzt. Die Zuverlässigkeit hängt stark davon ab, den Die-Attach- und Drahtbondbereich von aktiven Biegezonen fernzuhalten oder dies durch geeignete Versteifungen und die Auswahl des Vergussmaterials zu kompensieren, wenn das nicht möglich ist.
Was verursacht das Versagen der Die-Befestigung auf einem flexiblen Substrat?
Wiederholte Biegebelastung an der Die-Attach-Verbindung, zusätzlich zu der bei jeder COB-Baugruppe bereits vorhandenen thermischen Ausdehnungsfehlanpassung, kann zu Delamination, Die-Rissen oder langsamer Ermüdung im Laufe der Zeit führen – insbesondere, wenn der Die direkt über oder in der Nähe einer Flexzone sitzt.
Können Standardvergussmassen für COB auf Flex verwendet werden?
Standardverkapselungen bieten auf flexiblen Leiterplatten den gleichen Schutz vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen wie auf starren Leiterplatten, aber eine sehr starre Formulierung kann eine Spannungskonzentration an der Grenze des verkapselten Bereichs erzeugen. Formulierungen mit niedrigerem Modul oder höherer Dehnung sind häufig besser für Substrate geeignet, die im Betrieb gebogen werden.
Soll der Würfel stets vom Flexbereich ferngehalten werden?
Es ist der einfachste und effektivste Ansatz, sofern das Layout dies zulässt, da er den größten Teil der dynamischen Belastung direkt an der Quelle beseitigt. Wenn dies nicht möglich ist, werden lokale Versteifungen und eine sorgfältige Auswahl des Vergussmaterials zu wichtigeren ausgleichenden Maßnahmen.
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Hilfreiche Ressourcen
·Die-Befestigung und Drahtbonden: Wie COB-Montage tatsächlich funktioniert
·Erweiterte Leiterplattenbestückungsfähigkeiten
