Gute Gründe um auf Chip-On-Board zu setzen Joachim Taube, Rafi Eltec, Überlingen

Die Technologie: Der ungehäuste Halbleiter wird mit einer Silber-Epoxy-Paste direkt auf die Leiterplatte geklebt (Die-Bonden) und bei ca.150 °C ausgehärtet und entgast. Dabei werden die ungehäusten Silizium-Halbleiter entweder aus einem Wafflepack oder direkt von der gesägten Waferscheibe entnommen. Die Bestückgenauigkeit der vollautomatischen Die-Bonder liegt bei ± 7 µm bei 3 Sigma (Winkelgenauigkeit ± 0,15 ° bei 3 Sigma). Dadurch wird der Halbleiter direkt auf Metallschichten der Leiterplatte aufgebracht, was durch die Verwendung der wärmeleitenden Paste zu einer optimalen Wärmeableitung führt. Danach werden die Chip-Kontakte mit Gold- oder Aluminiumdraht mit den Leiterplattenpads verbunden. Beim Aluminiumdraht-Bonden handelt es sich um ein reines Reibschweißen. Die Leiterplatte wird während des Schweißprozesses mechanisch justiert, um die hohe Bestückgenauigkeit zu garantieren. Dies erfolgt durch ein Ansaugen der Leiterplatte durch Vakuumlöcher in der Bond-Aufnahme oder durch Klemmen der Leiterplatte in eine Top-Plate.

Mit einem vorgegebenen Druck werden die beiden reinen Metalle zusammengepresst. Ein Bond-Wedge erzeugt dabei Ultraschallschwingungen mit einer Amplitude von 1 bis 4 µm und reibt die Metalle prozesssicher zusammen. Mit Drahtdurchmessern von 18 bis 50 µm wird eine Genauigkeit von ± 2,75 µm erzielt. Die Prozesskontrolle erfolgt durch einen Abzugstest (Pull-Test), bei dem die Kraft gemessen wird, der die Bond-Verbindung standhält. Nach dem Bonden werden der Chip und die Drahtverbindungen mit Epoxymasse (GlopTop) vergossen, bei 120 °C ausgehärtet und somit vor äußeren Umwelteinflüssen zuverlässig geschützt. Dies erfolgt mit vollautomatischen Präzisionsdispensern, die eine Genauigkeit von ± 75 µm bei 3 Sigma erreichen.

Geringer Platzbedarf

Um einen Chip in der Größe von 3 x 3 mm zu bestücken, ist bei der Chip-On-Board-Technologie lediglich eine Fläche von 5 x 5 mm notwendig. In der gehäusten Bauform (z.B. SOP24) ist bereits mehr als der doppelte Platzbedarf notwendig. Somit lässt sich mehr Funktionalität auf kleinerer Fläche unterbringen. Bei Redesigns ist der Engineering-Aufwand oft deutlich geringer, da nicht komplette Designs geändert werden müssen, sondern Zusatzfunktionen integriert werden können. Durch die Technologie Chip-On-Chip werden sogar zwei Halbleiter übereinander aufgebracht und verbunden. Der obere Halbleiter-Chip verschwendet keinen zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte, wodurch die Bauteildichte pro Leiterplattenfläche gesteigert werden kann.

Geringere thermische Belastung

Temperaturkritische Halbleiter können schonend bestückt werden. Dabei wird zunächst die SMD-Bestückung durchgeführt. Im Anschluss daran wird der Halbleiter im Chip-On-Board-Verfahren auf die Leiterplatte aufgebracht. Der Chip wird dabei lediglich mit der Maximaltemperatur von 150 °C , anstatt mit der Reflow-Prozesstemperatur von 250 bis 260 °C belastet. Die geringere thermische Belastung führt zu Qualitätserhöhungen und ermöglicht die problemlose Verarbeitung temperaturkritischer Bauteile.

Preiswert

Besonders bei komplexen Halbleitern mit einer großen Verbindungsanzahl steckt in den Halbleiterpreisen ein hoher Kostenanteil für das Gehäuse. Durch das Verarbeiten des ungehäusten Siliziumchips lässt sich, trotz aufwändigerem Fertigungsprozess, eine Kostenersparnis erzielen.

Bessere Wärmeableitung

Die Wärmeanbindung bei gehäusten Bauelementen wird in der Regel durch das Gehäuse deutlich verschlechtert. Beim Chip-On-Board-Prozess stellt ein Silberleitkleber die direkte Wärmebrücke von Silizium-Halbleiter auf die metallischen Oberflächen der Leiterplatte her. Diese Optimierung führt in der Regel zur Qualitäts- und Lebensdauererhöhung bei Systemen.

Geringer Übergangswiderstand

Bei gehäusten Halbleitern werden die Bauteil-Pins mit dem Silizium-Chip verbunden, in dem standardmäßig ebenfalls eine Bondverbindung zwischen Halbleiter und Bauteil-Pin hergestellt wird (im Bauteil-Innern). Die zweite Seite des Pins wird im Standard-Lötverfahren mit der Leiterplatte in Verbindung gebracht. Beim Chip-On-Board-Prozess entfallen die zusätzlichen Übergänge, da der Pin als Kontaktierungseinheit entfällt. Die Folge ist eine entsprechende Qualitäts- und Designoptimierung im System.

Kerngeschäft der RAFI Eltec GmbH ist die Entwicklung und Bestückung komplexer Baugruppen und Systeme von der Muster- bis zur Serienfertigung mittlerer Stückzahlen in den Standardtechnologien SMD, THT, Montage und Prüfung der Baugruppen. In direkter Anbindung zur Fertigung der Standardtechnologien erfolgt die Chip-On-Board-Fertigung als vollautomatischer Inlineprozess im Reinraum. Neben Chip-On-Board werden in diesem Bereich auch die Technologien Chip-On-Chip, Chip-On-Flex und Flip Chip prozesssicher realisiert.

Immer häufiger wird der Fertigungs- und Technologiedienstleister in Kundenprojekte eingebunden, bei denen Standardtechnologien und Chip-On-Board-Know-how bzw. die Chip-On-Board-Technologie verbunden werden. Bauformen, wie zum Beispiel miniaturisierte und eng tolerierte Flip-Chips können oft nicht mit SMD-Bestückungsanlagen bestückt werden, da diese die Bestückungsgenauigkeiten nicht sicherstellen können. Dies erfolgt dann prozesssicher auf den Die-Bondern bei RAFI Eltec, die deutlich höhere Bestückgenauigkeiten erreichen. Mit den gleichen Anlagen wird der Underfill-Prozess bei Flip Chip-Produkten realisiert. Die Präzisisionsdispenser ermöglichen auch die Fixierung von Standard-SMD-Bauteilen mit Vergussmasse, damit diese erhöhten mechanischen Belastungen standhalten. Kunden bescheinigen daher dem Dienstleister am Bodensee regelmäßig Fertigungskompetenz, die deutlich über das Maß eines reinen Bestückungsdienstleisters hinausgeht.

Chip-On-Board ist für RAFI Eltec mehr als nur ein technisches Leistungsmerkmal. Nahezu 15 Jahre Chip-On-Board-Erfahrung haben zu einem deutlich höheren Prozess- und Qualitätsverständnis in den Standardtechnologien und über die Grenzen der Standardtechnologien hinaus geführt. Dies sind entscheidende Voraussetzungen für die flexible und zuverlässige Realisierung technisch anspruchsvoller Kundenanforderungen. Da sich das Unternehmen als Technologiedienstleister versteht, fließt dieses Know-how täglich in die Projekte, Aufgaben und Produkte der Neu- und Bestandskunden ein. Aus diesem Grund setzt die Firma weiter auf Chip-On-Board und akquiriert aktiv Neukunden mit anspruchsvollen Produkten von der Entwicklung bis zum kompletten Produkt.

SMT, 9-605i

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