COB是芯片板上直接装联[CHIP ON BORAD]的缩语词，早期用于电子手表机芯，七十年代电子游戏机制造商为降低制造成本，程序卡印制板采用COB装联工艺,在印制板上粘贴电路芯片，然后用铝硅线超声键合实现芯片与印制板间的电路互连。图1所示COB典型的电路互连，硅芯片上的铝电极与印制板键合盘之间由铝硅或金线的电气连接称为引线键合工艺。通常芯片背面为接地面,使用环氧基[含银]贴片胶粘贴固定电路芯片，这种贴片胶具用良好的导电导热性能，贴片胶固化后与印制板接地面构成低电阻接地回路和低热阻散热通路。COB已成为高密度印制板装联技术的重要手段之一，其应用范围几乎涉及所有电子领域，包括民用消费类电子产品， 工业自动控制/通讯/计算机 ，军用及航空电子装备等方面。
图 1 COB引线键合的互连
2. COB印制板可加工性设计
COB印制板的装联形式有单面，双面和多层结构,COB印制板的设计与常规印制板相同，器件的定位布局和电路布线是两个最基本因素，但COB导线线宽及间距[0.08-0.1mm]要精细得多，对印制板的设计工艺要求高，目前大部分印制板CAD/SMT软件也是能满足其精度的。图2及表1所示COB芯片引线键合盘[金手指]的相关尺寸。
|
键合工艺
|
角 度
|
A[MIN]
|
B[MIN]
|
C[MIN]
|
D[MIN-MAX]
|
E[MIN]
|
F[MIN]
|
|
热压/热压超声
[Au]
|
60-120
|
0.1mm
[0.004]
|
0.1mm
[0.004]
|
0.15mm
[0.006]
|
1.0-2.5mm
0.040-0.10]
|
0.15mm
[0.006]
|
0.1mm
[0.004]
|
|
超声键合
[Al]
|
60-120
|
0.08mm
[0.003]
|
0.125mm
[0.005]
|
0.15mm
[0.006]
|
1.0-2.5mm
0.040-0.10]
|
0.125mm
[0.005]
|
0.08mm
[0.003]
|
表1 COB引线键合相关尺寸[英寸]
图2 COB引线键合盘[金手指]的相关尺寸
l 印制板芯片固定盘图形至少应大于电路芯片外0.5mm[0.002in]。 这样有足够空间涂布贴片胶固定芯片。
l 印制板键合盘[也称金手指]与芯片固定盘边沿的间隙至少应大于0.5mm,[0.020in]，以避免贴片胶涂布时产生短接。
l 多芯片的排列在X/Y坐标线上必须保持同样间距，这样可以简化COB芯片自动贴装及引线键合设备的编程
l 印制板键合盘宽度至少应大于0.5mm[0.020in]，引线键合的接合面至少应大于0.25mm×0.75mm[0.010in×0.030in]，容许引线键合有足够的固定和返修的面积。
l 芯片与印制板键合盘键合引线的优选长度为1.5-2.0mm[0.060-0.080in]不大于2.5mm[0.100in]，可最大限度降低引线下弯的可能性。
l 邻近两引线的间距应大于0.25mm[0.010in]，避免引线相互短接。
l 键合引线的端头呈方形，使得自动键合设备能容易判别排列的基准点
l 阻焊层窗口图形应大于引线键合部位至少1.25mm，可防止将引线键合到阻焊膜上。
l 容许键合引线跨过印制板上的导线进行键合，但导线表面必须用阻焊层保护。
l 印制板基材由所采用的键合工艺决定，热压或热压超声工艺必须采用高玻璃态转化温度[Tg，>150℃]耐热印制板。
l 印制板键合盘[金手指]的排列呈扇形展开，在键合时可减少引线交接的可能性，如图3所示。
l 芯片固定盘热路设计，导热孔，热沉安装，有效改善芯片的散热效率。
图3 键合盘[金手指]的扇形排列
3. COB印制板装联的典型工艺
COB印制板典型装联工艺流程如图2所示；
检测 滴涂贴片胶
清洗 贴装芯片 目检
再流焊 固化 剥片
表面贴装 引线键合 晶圆片[KGD]
焊膏印刷 目检
PCB 包封布胶
固化
测试
* 裸芯片供货包装形式有晶圆片，华夫盘，带装及散装等。
图4 COB印制板装联典型工艺流程
4. 引线键合技术
4.1键合用的金属引线
在COB引线键合工艺中，两种最常见键合用的金属引线是金和铝，金线是高纯金，为在键合时控制晶格生长添加微量铍铜元素。铝线是含1%硅或含0.5-15%锰的铝合金。
断裂强度和延伸率是表征键合引线两个重要机械性能指标，一般AL+1%SI，线径0.001in超声键合线的断裂强度和延伸率为15.0g/1.5%，线径为0.001in金热压超声线，分别为7.0g，4.00-7.00%。超过存贮期使用对两值也有明显影响。金属引线的容载电流取决于引线合金的组成，线径，长度及键合工艺，大多数电路组件键合引线的容载电流应小于0.5A。
表1-1列举金，铝引线几种不同规格线径与电阻值；
|
线径最小值
|
引线名称
|
电阻值[Ωft]
|
|
[mm/inch]
|
AL+1%SI 金
|
AL+1%SI AL+1%SI 金
|
|
|
|
硬 态 软 态
|
|
0.0018/0.0007
|
×
|
36.06-33 36.06-39.86 34.62-38.27 27.71-29.43
|
|
0.0025/0.001
|
× ×
|
17.67-19.53 16.0-18.75 13.58-14.42
|
|
0.050/0.002
|
×
|
4.41-4.88 4.23-4.68 3.40-3.61
|
表2 铝/金引线线径与电阻值
常用铝/金引线线径为；0.005-0.002in，大线径尺寸为；0.003，0.005，0.008，0.010，0.015in。引线的表面状态应无划痕，凹坑，污染物等缺陷，当引线表面的缺陷大小超出线径的5%[如；0.05mm线径，缺陷大小不超过1μm应为不合格品]。
4． 键合工艺
4.1. 超声键合
超声引线键合是采用超声能量使两种金属在室温条件下形成牢固的机械连接，最为广泛使用的是铝线，金，铜线也适用超声键合工艺。来自超声波发生器的超声波[15-60kHz]，经换能器产生高频振动，通过变幅杆传递到键合劈刀，当劈刀下拉与引线或键合盘接触，在加压和振动的作用下,引线与待键金属的表面相互摩擦，氧化膜被破坏,并发生塑性变形,致使两个纯净的金属面紧密接触,达到原子距离的结合,最终形成牢固的机械连接．超声键合操作的过程如图5所示;
图5 超声引线键合操作过程
超声键合温度较低一般仅为二三十度，特别适用温度敏感印制电路板的引线焊接，且对金属表面洁净要求不高，键合盘的尺寸规格比热压键合盘小得多[如0.025mm[0.001in]线径引线，键合盘尺寸为0.04×0.08mm[0.0016×0.003in]。在第1点超声键合完毕后，键合头劈刀只能以单一方向移动，超声能量，键合头压力及键合时间的测量和控制是保证键合过程质量一致性的三要素。
4.2. 热压键合[TC]
热压键合是最先被人们采用的引线互连工艺，两种金属在高温但不发生熔解的条件下，呈现退火状态[软态]，此时施加压力实现金属的机械连接。一般讲，金属越软，键合就容易得多。热压键合用的毛细管式劈刀是由碳化钛，碳化钨或其他耐融金属材料制成，加热到220-225℃ ，引线穿过劈刀管内孔，电路基板的键合盘加热到300-400℃。在高温度环境下，铝线表面很快被氧化，所以热压键合几乎都是采用金线，且常规有机环氧基电路板也不适用于这种高温工艺，一般热压键合工艺用于陶瓷基板或金属陶瓷复合基板。
4.3 热压超声
顾名思义，热压超声键合是一种由热压和超声结合的引线键合工艺，热压超声键合操作过程；金线伸出劈刀管一小段，电子打火棒移到金线的下端，放电打火金线端头部分熔化，由于表面张力的作用生成小球，小球紧贴劈刀口，键合头下降对准第1点键合盘进行球焊，键合头提升放出金线，到一定高度时，X/Y工作台移动，键合头再次下降，形成弧形，并对准第2个键合盘进行楔焊，键合头提升，金线被锁紧，当键合头继续向上，拉断金线形成无尾楔焊。热压超声键合温度较低，大约120-150℃，采用金线，也有采用铝线键合，但必须在保护气氛中熔化生成小球。热压超声可适用于有机印制电路板的引线连接，焊接表面洁净要求也不高，键合方向无限制，在第1点键合完毕后，引线可任一方向进行键合。
三种键合方法比较
|
项 目
|
热 压[Au]
|
热压超声[Au]
|
超声[Au，Al]
|
|
加工/控制
|
劈刀管过热造成金线退火变软，
|
最易控制影响小球的形成
|
应准确控制超声能量和压力
|
|
键合速度*
|
-20条线/分[人工]
|
-600条线/分** -
|
-240条线/分**
|
|
容载电流
|
0.55A
|
0.55A
|
<0.40A
|
|
键合温度
|
300-400℃
|
150℃
|
室温
|
|
键合压力
|
加压
|
压力小于热压或超声
|
压力小于热压
|
|
键合方向
|
无限制[360°]
|
无限制[360°]
|
单向偏移+/-7.5
|
|
超声能量
|
无
|
可控
|
可控
|
|
键合盘尺寸
[0.001in]
|
球焊尺寸相关
1.5×-5×线径[长]，1.5×-3×线径[宽]
|
球焊尺寸相关寸
1.5×-5×线径[长] ，1.5×-3×线径[宽]
|
楔焊尺寸相关
1.2×-2.5×线径[宽]，
1.5×-5×线径[长]
|
|
表面洁净要求
焊接表面紫斑
|
高
最明显
|
中
随焊接温度上升湿度湿度增加表面紫斑增
加
|
低
随焊接温度上升湿度湿度增加表面紫斑增
加
|
表1-2 三种键合方法的比较
* 每一条引线两个焊点
** 自动键合
5 粘贴和包封
5.1 粘接材料[贴片胶]
COB电路板的装联通过各种连接技术，多道工序才能完成一个功能组件的制作，例如首先把芯片固定安装在电路板平面上，这就必须采用有机粘结剂添加银，铜或氮化铝等微粉，实现电路芯片与电路板间的导电，导热和机械的连接，表1-3列举常用粘接剂的性能；
|
名 称
|
优 点
|
使 用
|
|
酚酰树脂类[Phenolics]
|
连接强度非常高
|
大多数用于结构连接，固化温度较高，有一定腐蚀性.
|
|
聚胺脂类
[Polyurethanes
|
返工容易
|
不适用高于120℃，较高放气率,易分解。
|
|
- 聚酰胺树脂类
[Polyamides]
|
返工容易
|
较高的吸湿性及放气性当组件暴露在高湿气氛中，电绝缘性变化
|
|
聚酰亚胺类
[Polyimides]
|
温度稳定性非常高，温度稳定性非常高
|
固化温度高，需溶剂作为载体。中-低连接强度
|
|
- 有机硅树脂类
[Silicons]
|
返工容易，高纯净低放气性
|
温度膨胀系数高，
|
|
环氧树脂类[Epoxies]
|
采用加热和机械方法容易进行返工，添加60-70% 导电或导热微粉，工艺简单，
|
- 腐蚀性浸析性和放气性，与粘结剂固化温度有关低放气性•
|
|
氢基-丙稀酸树脂类[Cyanocrylates]
|
501/502胶固化速快</=[10sec]，连接强度非常高。
|
- 在潮湿或温度上升 150℃]，连接强度降低。
|
- • 表1-3 几种贴片胶使用性能的比较
在众多种类粘结剂中，最为普遍使用的是环氧树脂类，其剂型可分为单组分和双组分两种，环氧树脂类粘结剂的优点有；
· 较低的固化温度，单组分固化温度约在150℃以下，不会造成对
电路芯片的电性能和可靠性损坏。
· 双组分粘结剂的印后待置时间可达8-24小时。
· 发现芯片故障，加热到环氧树脂粘结剂的软化温度，即可方便更
换。
· 连接点的机械强度高，能承受各种冲击，震动等环境条件。
· 涂布工艺简便，可采用印刷工艺，滴涂工艺。
· 环氧粘结芯片合格率高达100%。
5.2粘结胶涂布方法
粘结胶涂布方法有三种；
l 印刷涂布工艺；适用于大规模批量COB印制电路板粘结胶涂布，
正确设计丝网或模板，准确调整工艺，控制稳定的胶量淀积，印刷机可由人工或自动控制，印制板的定位对准采用定位孔，边沿或光 学基准标志等方法。
l 滴胶涂布工艺；滴胶方法有两种；气动滴胶控制压力或时间，受温度等因素影响，很难达到精确一致的滴胶量。高速精密滴胶现采用转动变量螺旋泵，滴胶机可由人工或自动控制，印制板的定位对准采用定位孔，边沿或光学基准标志等方法。
l 贴膜涂布工艺；粘胶膜可按要求制成各种图形，使用人工或专用 贴膜机，贴膜机有单头或多头，准确贴放到印制板的指定位置， 贴膜机由人工或自动控制，印制板的定位对准采用定位孔，边沿或光学基准标志等方法。
5.3包 封
湿气或离子污染会对芯片铝引线及键合盘造成侵蚀，在引线键合检查后，COB印制板进入包封工序，其目的是给组件提供机械，物理和化学等外来有害因素的保护。包封采用的材料为有机合成树脂都对水气有一定程度的渗透性，可靠的气密性封装指的是陶瓷/金属封装。常用包封材料[又称黑胶]有；
l 有机硅树脂类；具有高的抗水和水汽渗透能力，在高可靠性电子组件应用已可与金属或陶瓷气密性封装比美，但与环氧树脂类相比，机械强度较差，且对氯化烃有机化合物的抗腐蚀性较低。
l 环氧树脂类； 早期用于电子手表等消费类电子产品，在八十年代中期开发成功的第三代环氧树脂较低的离子污染，可直接与芯片接触，高纯度低应力环氧树脂包封胶具用良好的机械，电气，化学的性能,添加一定量的二氧化硅改善了与芯片CTE的匹配，满足了高可靠COB组件的包封要求。
根据包封工艺的不同，环氧树脂包封胶有；围堰型，封盖型，球帽型。尽管三种类型的包封胶的固化性能相同，但其流变特性存在很大差别。一种称之为围堰-封盖包封工艺，先在COB芯片外围区，采用粘度高的围堰型包封胶制作围堰，在围堰内灌入低粘度的封盖型包封胶，然后一次完成固化，这种工艺适用于定位精度要求高的COB芯片的包封。另一种是中等粘度球帽型[Globtop]包封胶，在芯片引线键合面流动性适当，固化后形成弧形球帽包封，是一种最常用的包封材料。
6. 结束语
如上所述，芯片板上装连工艺是实现电路组件小型化的一个重要途径，COB电路芯片必须是已知合格的，称之为KGD，与通用封装器件不同，COB大多采用专用电路，因此也很难做到标准化，且一个高可靠的COB组件将涉及电路芯片，印制板的设计，工艺，材料，设备及测试全过程的质量控制。近年来，国内COB设计及制造技术已有许多可喜成果，但存在一定差距。COB给缩短试制和生产的周期，加速研究成果转化为产品，推向市场增加了助推力。这也是电子同行们所关心的，随着电子产品的升级换代，COB应用必将不断扩大。
