Assemblage sur puce (COB)monte une puce nue directement sur le substrat, la connecte avec de fins fils de liaison et la scelle sous un encapsulant. Les concepteurs de capteurs choisissent principalement le COB parce qu’il supprime le boîtier : le module devient plus petit, le chemin thermique plus court, et l’élément sensible se trouve plus près de ce qu’il mesure. La contrepartie est que le travail normalement effectué chez un assembleur de boîtiers se fait désormais sur votre carte. Chaque étape doit être vérifiée avant que la suivante ne la recouvre.
Ce guide couvre les décisions d’ingénierie les plus importantes dans la fabrication de modules capteurs COB : choix du liant, vérification de la résistance du liant, encapsulation, limites d’inspection et conception pour la fabricabilité (DFM).
Pourquoi les modules de capteurs utilisent la puce sur carte
Un circuit intégré encapsulé insère une structure de connexion (lead frame) ou un stratifié, un composé de moulage et des joints de soudure entre la puce et le circuit imprimé. La technologie COB élimine la plupart de ces couches, ce qui donne aux modules de capteurs trois avantages :
Empreinte plus réduite et profil plus bas.Le module correspond approximativement à la puce plus l’éventail de fils et une marge d’encapsulation. Cela est important pour les pointes de test, les instruments compacts et les réseaux de capteurs denses.
Couplage thermique plus étroit.La couche de fixation de la puce devient la principale interface thermique, de sorte que les puces de mesure de température suivent de plus près la température de la carte.
Accès direct au capteur.Les puces optiques, de pression et MEMS peuvent rester partiellement exposées, ou être placées sous une fenêtre ou un couvercle plutôt que d’être entièrement encapsulées.
Le coût est une fenêtre de procédé plus étroite. Les plots de connexion doivent rester exempts de contamination. Le positionnement de la puce doit rester à portée de l’outil de bonding. La planéité du circuit imprimé affecte la constance des boucles. La puce nue nécessite également des exigences plus strictesManipulation ESDque les composants encapsulés. Enfin, le rendement global est égal au rendement d’assemblage multiplié par le rendement des puces entrantes, et les puces nues offrent généralement une couverture de test moindre que les dispositifs encapsulés.
Principes fondamentaux du wire bonding pour les modules de capteurs
Cette section suppose que vous êtes familiarisé avecfixation de puceet se concentre sur les choix de liaison qui comptent pour le wire bonding des PCBA dans les applications de capteurs.
Liaison par billes d’or vs. liaison par coins en aluminium
Deux processus couvrent presque tous les travaux sur les capteurs COB :
Connexion par bille d’or (thermosonique)combine la chaleur, l’énergie ultrasonique et la force. Elle est rapide et peut acheminer le fil dans n’importe quelle direction après la première liaison, ce qui convient aux puces à nombre élevé d’E/S. Elle nécessite une surface en or soudable sur la carte, généralement de type ENEPIG ou or doux électrolytique. L’or standard ENIG est généralement considéré comme trop fin pour un raccordement fiable par bille d’or.
Brasure par coin en aluminium (ultrasonique)fonctionne à température ambiante. Il convient aux substrats sensibles à la chaleur et forme une liaison monométallique sur les plots de puce en aluminium. Il est plus lent, car l’outil doit s’aligner sur la direction de chaque fil.
Quatre facteurs guident ce choix :
Métallurgie des patins.Le fil d’or sur des plots en aluminium forme des intermétalliques Au–Al. À température élevée prolongée, ceux-ci peuvent croître et développer des vides de Kirkendall, ce qui constitue un risque réel pour les capteurs industriels haute température.
Budget thermique.Si le substrat ou les composants à proximité ne peuvent pas supporter la température de l’étape de brasage, choisissez une cale en aluminium.
Pitch de pad et forme de boucle.Le bonding par boule atteint généralement un pas plus fin et offre davantage de liberté dans la forme de la boucle.
Actuel.Un fil d’aluminium plus épais est utilisé lorsque la matrice transporte un courant important.
Vérification de la résistance du joint
La résistance de liaison doit être mesurée et non jugée sur l’apparence. Trois méthodes sont standard :
Essai destructif de traction de fil (MIL-STD-883, Méthode 2011).Cette norme indique les forces de traction minimales en fonction du matériau du fil et de son diamètre. Enregistrez le mode de rupture ainsi que la force : rupture au col, rupture au talon, rupture en milieu de portée ou décollement à la liaison. Un décollement à l’interface indique un procédé limite, même lorsque la valeur de force est conforme.
Essai de traction non destructif (MIL-STD-883, Méthode 2023).Il applique une force fixe à chaque fil et est utilisé lorsque un blindage à 100 % est justifié.
Essai de cisaillement de billes (JEDEC JESD22-B116).Il évalue la liaison bille‑vers‑plot, ce qu’un test de traction ne mesure pas directement.
Exécuter des échantillons destructifs lors de la mise en place, après chaque changement de paramètre et à une fréquence définie pendant la production. Documenter le plan d’échantillonnage dans le plan de contrôle.
Encapsulation par glob top : matériaux et contrôles de procédé
La résine de protection (glob top) protège mécaniquement les fils et empêche l’humidité et la contamination ionique d’atteindre la puce. C’est également là que commencent de nombreux problèmes de fiabilité. Le choix suit en grande partie la même logique querevêtement conforme, avec des contraintes plus strictes parce que le matériau touche des fils non supportés.
Propriétés matérielles clés :
Tg par rapport à la température de fonctionnement.Au-dessus de Tg, le CTE augmente fortement et la contrainte sur les fils s’accroît.
CTE et contenu de remplissage.Les résines époxydes chargées réduisent le décalage de dilatation avec la puce et les fils.
Module.Les silicones génèrent peu de contraintes et conviennent aux MEMS et aux puces de pression, mais elles offrent une protection mécanique moindre et absorbent davantage d’humidité.
Pureté ionique.La faible teneur en chlorure et en sodium limite la corrosion des coussinets en aluminium.
Retrait de cure et absorption d’humidité.Les deux augmentent les contraintes sur les fils de connexion au cours de la durée de vie du module.
Contrôles clés des processus :
Méthode digue-et-remplissage vs. unique goutte.Un barrage thixotrope définit l’empreinte et un remplissage à faible viscosité s’écoule autour des fils. Cela permet de mieux contrôler la hauteur et les bords qu’un simple dépôt unique.
Température de distribution, viscosité et trajet d’écoulement.Ceux-ci déterminent le balayage des fils. Remplissez depuis le côté opposé aux fils les plus longs.
Précuisson et dégazage.L’élimination de l’humidité de la carte et de l’air de la résine empêche la formation de vides.
Durcissement en plusieurs étapes.Les montées progressives réduisent les contraintes de retrait et empêchent l’expansion des gaz emprisonnés.
L’imprimante/distributeur à jet MYCRONIC de PCBCart permet un dépôt programmable et sans contact. La possibilité de projeter une barrière ou un matériau de remplissage spécifique dépend de sa rhéologie et doit être qualifiée au cas par cas, matériau par matériau.
Comment les exigences de fiabilité diffèrent selon trois secteurs
Modules de capteurs industriels
Des cycles de température étendus, des vibrations, de l’humidité et une possible exposition à des produits chimiques prédominent. Les priorités sont la stabilité des intermétalliques à haute température, une température de transition vitreuse (Tg) de l’encapsulant bien au‑dessus du plafond de fonctionnement, et des formes de boucles qui résistent à la fatigue due aux vibrations. Les capteurs de surveillance dans les onduleurs stationnaires, les équipements de réseau et les systèmes UPS sont également exposés à une chaleur soutenue provenant des étages de puissance voisins.
Capteurs de diagnostic médical
PCBCart ne détient pas la certification ISO 13485. Pour les modules COB utilisés dans les instruments de diagnostic, les priorités d’ingénierie sont la propreté, une faible teneur en résidus ioniques, une dérive de l’offset du capteur stable après encapsulation, ainsi qu’une traçabilité au niveau du lot pour la puce, le fil et le matériau d’encapsulation. Les contraintes dues à l’encapsulation peuvent décaler l’offset du capteur, de sorte que, au niveau du module,étalonnage et testdoit être réalisé après la polymérisation. Les équipes dont la voie de conformité réglementaire exige un fournisseur certifié ISO 13485 doivent en tenir compte dans leurs décisions de cadrage.
Modules d’équipements de test de semi-conducteurs
Les modules de capteurs dans les équipements de test effectuent des cycles répétés à travers différentes températures de test et se trouvent souvent à proximité de chemins de mesure à faible courant. Les priorités sont une faible fuite de surface, une propreté ionique élevée, des matériaux d’encapsulation à faible dégazage pour les chambres thermiques fermées, ainsi qu’une grande planéité aux endroits où les modules s’assemblent mécaniquement avec les interfaces de sondes.
Ce que l’inspection peut – et ne peut pas – confirmer
Aucune méthode d’inspection unique ne couvre un module COB. Chaque étape nécessite sa propre vérification :
Inspection optique à fort grossissement avant encapsulation.La méthode 2010 de la norme MIL-STD-883 définit des critères de contrôle visuel interne pour la déformation des bonds, leur positionnement, la hauteur des boucles, les dommages au col et le dégagement entre fils. Les défauts manqués à ce stade ne peuvent pas être détectés ultérieurement.
AOI 3Dest conçu pour les joints de soudure, pas pour les boucles de fils de la classe 25 µm, et ne doit pas être présenté comme une inspection de connexions par fil. Dans les flux COB, il confirme la présence, la position et la rotation de la puce. Il mesure également l’empreinte du glob top et la hauteur du dôme à partir de profils 3D et contrôle les composants CMS environnants. En amont, la SPI 3D confirme qu’aucune pâte à braser n’a été déposée à proximité des zones de pastilles de connexion.
Rayons X hors lignevoit à travers l’encapsulant polymérisé. Le fil d’or présente un contraste élevé, ce qui permet de vérifier le déplacement des fils et les courts-circuits après le moulage.Imagerie à angle obliquesépare les boucles qui se chevauchent. Le fil d’aluminium a un faible contraste aux rayons X, ce qui limite cette méthode pour les modules à liaison en coin. Les rayons X mesurent également la présence de vides dans la brasure ou dans l’attache de puce remplie d’argent.
MES intelligent avec marquage laser UIDrelie chaque numéro de série de module aux lots de matériaux enregistrés à chaque étape. La traçabilité au niveau de la puce dépend de la réception et de l’enregistrement des puces nues par lot.
Liste de contrôle DFM pour les modules de capteurs COB
Soudez d’abord, collez ensuite.Effectuer le refusion SMT complète et le nettoyage avant la pose de la puce et le bonding des fils, afin que les résidus de flux n’atteignent jamais les plots de connexion.
Spécifiez une finition pouvant être liée.Utiliser l’ENEPIG ou l’or doux pour le bonding à bille d’or, et spécifier les épaisseurs de dépôt conformément à l’IPC-4556 plutôt que des valeurs nominales.
Laisser un dégagement pour l’outil.Évitez de placer des composants CMS de grande hauteur dans une zone d’exclusion autour de la puce, dimensionnée en fonction de l’outil capillaire ou en coin utilisé.
Dimensionner les plots de connexion.Rendez les pastilles du circuit plus grandes que les pastilles de la puce, gardez les fils courts et évitez les croisements de fils.
Définissez la limite de l’encapsulant.Indiquer le contour du barrage et la hauteur maximale du dôme sur le dessin d’assemblage, et utiliser un anneau de vernis épargne pour empêcher les fuites de résine.
Protégez les zones de détection.Indiquez toute zone devant rester non encapsulée et précisez l’utilisation d’un couvercle ou d’une fenêtre.
Contrôler la planéité.Prévoir le gauchissement des panneaux pendant la cuisson ; des dispositifs en pierre synthétique maintiennent les cartes à plat durant les étapes thermiques.
Plan pour des substrats flexibles.Si le module utilise unsubstrat flexible ou rigide-flexgardez le poinçon à l’écart des zones de flexion actives ou ajoutez un renforcement local.
Confirmer l’approvisionnement en matrices.Précisez les dés à qualité garantie (KGD) ou les tests de tri sur tranche, ainsi que les exigences de stockage et de gestion de l’humidité.
Soumettez votre projet COB pour examen technique
L’approche COB appropriée dépend de votre puce, de la finition du substrat, de l’encapsulant et du profil de fiabilité de votre secteur cible. Envoyez vos fichiers Gerber, votre nomenclature (BOM), votre dessin d’assemblage (y compris le schéma de bonding et le contour de l’encapsulant), ainsi que vos exigences environnementales. Notre équipe d’ingénierie effectuera une revue DFM et confirmera quelles étapes de votre flux COB relèvent de notre périmètre d’assemblage.
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Ressources utiles
Capacités avancées d’assemblage de PCB
Test AOI dans l’assemblage de PCB
