El ensamblaje chip-on-board coloca un dado desnudo directamente sobre un sustrato, lo conecta con finos hilos de unión y lo cubre con un encapsulante. En una PCB rígida estándar, ese sustrato permanece en una forma fija durante el resto de su vida útil. En unaplaca de circuito flexibleo unPCB rígido-flexible, el sustrato está diseñado para doblarse, plegarse o flexionarse, ya sea durante la instalación o repetidamente durante el uso normal.
Esa diferencia cambia el problema de ingeniería a nivel del dado. El propio dado es rígido y frágil, los hilos de conexión son finos y en gran medida no están soportados a lo largo de su longitud, y el encapsulante tiene su propia rigidez y coeficiente de expansión térmica. Ninguno de estos componentes puede flexionarse como lo hace el sustrato que los rodea. Cuando el sustrato se mueve y el dado, los hilos y el encapsulante no se mueven con él de la misma manera, la deformación se concentra en cualquier interfaz que separe las partes rígidas de las flexibles.
Por eso el COB en flex o rígido-flex debe planificarse como un sistema mecánico, no solo eléctrico. El ensamblaje todavía tiene que cumplir los mismos fundamentos eléctricos y de proceso que el COB en placas rígidas, tratados con más detalle en el de PCBCartartículo sobre unión de dado y alambradopero las decisiones sobre el diseño y los materiales tienen más peso porque la propia placa forma parte de la ruta de carga mecánica.
Por qué el uso de flex o rígido-flex introduce consideraciones adicionales
En una placa rígida, una vez que se han realizado el refusión y el wire bonding, la forma del sustrato queda fija durante toda la vida del conjunto. El esfuerzo mecánico sobre una unión de fijación del dado o sobre un wire bond proviene principalmente de los ciclos térmicos, y es relativamente predecible y uniforme en diseños similares.
Una placa de circuito flexible cambia esa referencia. Todo el objetivo del sustrato es que se mueva, ya sea que se moldee una vez en una forma fija durante la instalación o que se flexione continuamente en servicio, como en un dispositivo portátil o en una aplicación de sustitución de cables. Una PCB rígido-flexible añade otra capa, porque combina secciones rígidas destinadas a alojar componentes con secciones flexibles diseñadas para doblarse, y la zona de transición entre ambas es un detalle mecánico propio que merece atención.
En el caso específico de COB, esto es importante porque el dado y sus hilos de unión suelen colocarse cerca de la superficie del sustrato, con poca separación o amortiguación mecánica. Cualquier esfuerzo de flexión, torsión o conformado que alcance esa zona del sustrato se transfiere, en gran medida sin filtrar, a la unión de fijación del dado y a los bucles de alambre situados justo encima.
Esfuerzo mecánico sobre el dado unido y los hilos durante la flexión o el conformado
La unión de fijación del dado suele ser la primera en sentir esta tensión. Un dado de silicio es esencialmente rígido a la escala de la flexión ordinaria, por lo que no puede absorber la curvatura como sí puede hacerlo el sustrato que lo rodea. Si una zona flexible pasa por debajo o cerca del dado, la tensión de flexión se concentra en los bordes del dado y en la interfaz de unión del dado, y los ciclos repetidos de esa tensión pueden provocar la delaminación de la unión del dado, la fractura del dado o una fatiga lenta en la unión. El adhesivo de fijación del dado ya tiene que absorber cierta tensión debida a la desadaptación de la expansión térmica entre el dado y el sustrato, incluso en una placa rígida, de modo que añadir tensión mecánica cíclica por flexión hace que esa misma unión tenga que gestionar dos fuentes de tensión independientes en lugar de una.
Los hilos de conexión presentan un riesgo relacionado pero distinto. Cada hilo es un tramo sin soporte de un alambre fino entre dos puntos de anclaje, y la altura y forma de su bucle se ajustan específicamente para evitar el contacto con el borde del dado o con los hilos vecinos. Cualquier desviación adicional en el sustrato bajo un bucle de hilo cambia la geometría efectiva de ese bucle, y la flexión repetida puede fatigar el alambre en el cuello de la unión, un punto débil conocido en el wire bonding en general. Un patrón de falla relacionado aparece en las terminaciones de hilos en otras partes de un ensamblaje: el artículo de PCBCart sobreabsorción de soldadura en los conductores de los cablesdescribe cómo el material rígido que se introduce en una sección de cable que necesita permanecer flexible crea un concentrador de tensiones justo en el límite, una forma útil de pensar en lo que ocurre si cualquier parte de un área de unión de cable en un flex pierde la flexibilidad prevista.
Las operaciones de conformado merecen una atención especial. Doblar un circuito flexible o rígido-flexible hasta su forma final instalada suele ser un evento de tensión único y mayor que cualquier cosa que el conjunto experimente durante años de flexión normal posterior. Si el radio de curvatura, la línea de plegado o el útil de conformado no se planifican teniendo en cuenta la ubicación del dado, el propio paso de conformado puede ser el evento que dañe una unión que, de otro modo, habría soportado el servicio normal.
Opciones de Material de Encapsulación
La encapsulación sigue cumpliendo la misma función básica en los circuitos flexibles y rígido-flexibles que en los COB rígidos: protege el dado y los hilos de conexión de la humedad, la contaminación y el contacto físico. Lo que cambia es que el comportamiento mecánico del encapsulante ahora interactúa directamente con un sustrato que se mueve.
Un encapsulante rígido y altamente reticulado crea una transición de duro a flexible justo en el borde del área de glob-top o moldeada. Esa transición es exactamente donde tiende a concentrarse la curvatura del sustrato, por lo que un encapsulante rígido puede reducir efectivamente la zona flexible y desplazar la tensión de flexión hacia su propio límite en lugar de distribuirla de forma más suave. Entre los comunestipos de encapsulantese utiliza en general en PCBA, pero algunas formulaciones se eligen específicamente por su menor módulo y mejor elongación, propiedades que importan más aquí que en una placa que nunca se mueve. La coincidencia del coeficiente de expansión térmica entre el encapsulante, el dado, el alambre y el sustrato también tiene más peso, ya que un conjunto flexible está sometido a carga mecánica durante más tiempo que uno estático.
La manipulación durante el ensamblaje forma parte del mismo panorama. El encapsulante debe dispensarse y curarse mientras el sustrato se mantiene plano y sin flexión, ya que curar el material en una posición sometida a esfuerzo o doblada puede fijar una tensión residual en la unión antes de que la pieza llegue siquiera al campo. El programa de curado y el diseño del dispositivo de sujeción son tan importantes como la propia elección de la resina.
Guía general de diseño
Algunos principios surgen de manera consistente al planificar una distribución COB en flex o rígido-flex, sin señalar ninguna solución única como suficiente por sí sola.
Mantenga el área de unión del dado fuera de la zona flexible cuando sea práctico.Colocar el dado en una sección rigidizada o en la parte rígida de una placa rígido-flexible, lejos del área destinada a doblarse, elimina la mayor parte del problema de esfuerzo dinámico en su origen, en lugar de exigirle al encapsulante que lo compense posteriormente.
Agregue rigidización local cerca del troquel si no es posible reubicarlo.Un rigidizador debajo o alrededor del área del dado reduce la curvatura que llega a la zona de unión del dado y de los hilos de conexión, incluso cuando el dado tiene que estar más cerca de una región flexible de lo que sería ideal.
Planifique las operaciones de conformado en función de la ubicación del troquel, no al revés.Los radios de curvatura, las líneas de plegado y el diseño de los dispositivos de sujeción deben mantener suficiente separación respecto al troquel y al área de unión por hilo, de modo que la deformación única del conformado no exceda la que experimenta la unión durante toda su vida útil.
Considere la encapsulación como una protección añadida sobre un diseño sólido, no como un sustituto de este.La selección de materiales para cumplir los requisitos y igualar el CTE ayuda, pero funciona mejor junto con las decisiones de colocación del dado y rigidización que ya limitan cuánto esfuerzo llega al dado desde el principio.
Preguntas frecuentes
¿Funciona COB de manera fiable en PCB flexibles?
Sí, el ensamblaje chip-on-board se utiliza en sustratos flexibles y rígido-flexibles en toda la electrónica de consumo, dispositivos wearables y otros productos con limitaciones de espacio. La fiabilidad depende en gran medida de mantener el área de fijación del dado y del cableado alejada de las zonas activas de flexión, o de compensarlo mediante la selección de rigidizadores y encapsulantes cuando eso no sea posible.
¿Qué causa la falla de unión del dado en un sustrato flexible?
La tensión de flexión repetida en la unión de sujeción del dado, sumada al desajuste de expansión térmica ya presente en cualquier ensamblaje COB, puede provocar deslaminación, fractura del dado o fatiga lenta con el tiempo, especialmente cuando el dado se encuentra directamente sobre o cerca de una zona flexible.
¿Se pueden utilizar encapsulantes estándar para COB sobre flex?
Los encapsulantes estándar proporcionan la misma protección contra la humedad y la contaminación en los circuitos flexibles que en las placas rígidas, pero una formulación altamente rígida puede crear una concentración de tensión en el límite del área encapsulada. Las formulaciones de menor módulo o mayor elongación suelen ser una mejor opción para sustratos que se flexionan durante el servicio.
¿Debe mantenerse siempre la matriz alejada de la zona de flexión?
Es el enfoque más sencillo y eficaz cuando el diseño lo permite, ya que elimina la mayor parte de la tensión dinámica en la fuente. Cuando no es posible, el refuerzo local y una cuidadosa selección del encapsulante se vuelven medidas compensatorias más importantes.
Si está evaluando un proyecto de ensamblaje COB o a nivel de dado en un sustrato flexible o rígido-flexible, el equipo de PCBCart puede ayudarle a considerar las opciones de colocación del dado, refuerzo y encapsulado para su diseño específico. Visite el sitio web de PCBCartPágina de servicio de ensamblaje de PCBpara obtener más información sobre cómo apoyamos las necesidades de producción de alta mezcla y bajo volumen.
Recursos útiles
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