CAD技術在電子封裝中的應用及其發(fā)展

CAD技術在電子封裝中的應用及其發(fā)展

        1. 引言

        CAD技術起步于20世紀50年代后期。CAD系統(tǒng)的發(fā)展和應用使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計方法與生產(chǎn)模式發(fā)生了深刻的變化，產(chǎn)生了巨大的社會經(jīng)濟效益。隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，CAD技術已發(fā)展成為面向產(chǎn)品設計全過程各階段(包括概念設計、方案設計、詳細設計、分析及優(yōu)化設計、仿真試驗定型等階段)的設計技術。CAD技術作為工程技術的巨大成就，已廣泛應用于工程設計的各個領域，特別是微電子領域。CAD技術的進步和革新總是能在很短的時間內(nèi)體現(xiàn)在微電子領域，并極大地推動其技術進步，反過來，微電子的不斷發(fā)展也帶動了CAD所依賴的計算機軟、硬件技術的發(fā)展。

        電子CAD是CAD技術的一個重要分支，其發(fā)展結果是實現(xiàn)電子設計自動化(EDA)。傳統(tǒng)上，電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)是通過設計者開發(fā)新IC芯片、芯片通過封裝成為器件、各種元器件再組裝到基板上而實現(xiàn)的。它們之間相互制約和相互促進，因而封裝CAD技術的發(fā)展與芯片CAD技術和組裝CAD技術的發(fā)展密不可分，互相滲透和融合。芯片CAD技術和基板CAD技術已有不少專文介紹。本文主要介紹封裝CAD技術的發(fā)展歷程。

        2 .發(fā)展歷程

根據(jù)計算機軟、硬件以及電子封裝技術的發(fā)展水平，可以將CAD技術在電子封裝的應用分以下四個階段。

        2．1 起步階段

        20世紀60、70年代，是CAD軟件發(fā)展的初始階段，隨著計算機硬件技術的發(fā)展，在計算機屏幕上進行繪圖變?yōu)榭尚校藭rCAD技術的出發(fā)點是用傳統(tǒng)的三視圖方法來表達零件，以圖紙為媒介來進行技術交流，是一種二維計算機繪圖技術。CAD的含義僅是Computer-Aided Drawing(or Drafting)，而并非現(xiàn)在所說的ComputerAided Design。CAD技術以二維繪圖為主要目標的算法一直持續(xù)到70年代末期，并在以后作為CAD技術的一個分支而相對獨立存在。當時的IC芯片集成度較低，人工繪制有幾百至幾千個晶體管的版圖，工作量大，也難以一次成功，因此開始使用CAD技術進行版圖設計，并有少數(shù)軟件程序可以進行邏輯仿真和電路仿真。當時比封裝的形式也很有限，雙列直插封裝(DIP)是中小規(guī)模IC電子封裝主導產(chǎn)品，并運用通孔安裝技術(THT)布置在PCB上。電子封裝對CAD技術的需求并不十分強烈，引入CAD主要是解決繪圖問題，因而對電子封裝來說，CAD技術應用只是起步階段。那是CAD技術真正得到廣泛使用的是PCB，在20世紀80年代以前就出現(xiàn)了一系列用于PCB設計、制造和測試的CAD／CAM系統(tǒng)。借助它們不僅擺脫繁瑣、費時、精度低的傳統(tǒng)手工繪圖，而且縮短交貨周期，提高成品率，成本降低50％。據(jù)統(tǒng)計，1983年全年設計的PCB有一牛是基于CAD系統(tǒng)。在這一時期，電子CAD作為一個軟件產(chǎn)業(yè)已逐漸形成，微電子開始進入EDA階段。

        2．2 普遍應用階段

        20世紀80年代是EDA從工作站軟件到PC軟件迅速發(fā)展和普遍應用的階段。這一時期計算機硬件技術發(fā)展十分迅速：32位工作站興起，網(wǎng)絡技術開始發(fā)展，計算機硬件性價比不斷提高，計算機圖形技術也不斷進步，這些為CAD軟件的發(fā)展提供了有利條件。從70年代末開始，芯片的開發(fā)應用了各種邏輯電路模擬仿真技術，應用了自動布局、布線工具，實現(xiàn)了LSI的自動設計。組裝技術也在基板CAD的支持下向布線圖形微細化、結構多層化發(fā)展，并開始了從通孔安裝技術(THT)向表面安裝技術(SMT)發(fā)展的進程。這些都構成了對電子封裝發(fā)展的巨大推動力，要求電子封裝的引腳數(shù)更多，引腳節(jié)距更窄，體積更小，并適合表面安裝。原有的兩側布置引腳、引腳數(shù)目有限、引腳節(jié)距2．54mm、通孔安裝的DIP遠遠不能滿足需要。四邊引腳扁平封裝(QFP)、無引腳陶瓷片式載體(LCCC)、塑料有引腳片式載體(PLCC)等可以采用SMT的四周布置引腳的封裝形式應運而生。也出現(xiàn)了封裝引腳從四周型到面陣型的改變，如針柵陣列(PGA)封裝，這是一種可布置很高引腳數(shù)的采用THT的封裝形式(后來短引腳的PGA也可以采用SMT)。另一方面，結合著芯片技術和基板技術特點的HIC也對封裝提出更高的要求。

        對封裝來說，隨著IC組裝密度增加，導致功率密度相應增大，封裝熱設計逐漸成為一個至關重要的問題。為此，Hitachi公司開發(fā)了HISETS(Hitachi Semiconductor Thermal Stength Design System)，該系統(tǒng)將五個程序結合在一起，可對6個重要的封裝設計特性進行統(tǒng)一分析，即(1)熱阻、(2)熱變形、(3)熱應力、(4)芯片和基板的熱阻、(5)鍵合層的壽命、(6)應力引起電性能的改變。一個合適的封裝結構可以通過模擬反復修改，直到計算結果滿足設計規(guī)范而很快獲得。有限元分析軟件與封裝CAD技術的結合，開發(fā)出交互式計算機熱模型，可以在材料、幾何、溫度改變等不同情況下得出可視的三維圖形結果。Wilkes College開發(fā)了穩(wěn)態(tài)熱分析的CAD軟件，可以快速有效地進行熱沉設計。通過有限元分析的交互式計算機熱模型可以用數(shù)字和圖形分析帶有熱沉的多層復合材料的晶體管封裝三維傳熱系統(tǒng)，并可顯示幾何的改變所導致的整個封裝結構細微溫度分布情況。

        封裝設計者面臨的另一個問題是在把封裝設計付諸制造前如何預測它的電性能，Honeywell Physical Sciences Center開發(fā)了一種CAD工具，可以對實際封裝結構得到模型進行仿真來分析電性能。在與芯片模型結合后，這些模型可以對整個多層封裝進行實時仿真和timing分析，并對其互連性能做出評價。

        Mentor Graphics公司用C++語言開發(fā)了集封裝電、機、熱設計為一體的系統(tǒng)，可以通過有限元分析軟件對電子封裝在強制對流和自然對流情況下進行熱分。

        在這一時期，對PGA封裝的CAD軟件和專家系統(tǒng)也有不少介紹。通過在已有IC設計或PCB設計軟件基礎上增添所缺少的HIC專用功能，也開發(fā)了很多HIC專用CAD軟件，其中包括HIC封裝的CAD軟件。Kesslerll／／介紹了Rockwell International公司微波組件的封裝使用CAD／CAM進行設計和制造的情況，可以演示從概念到所制出外殼的設計過程。

        2.3 一體化和智能化的階段

        20世紀90年代，在計算機和其他領域不斷出現(xiàn)新技術，不同領域技術的融合,徹底改善了人機關系，特別是多媒體和虛擬現(xiàn)實等技術出現(xiàn)為CAD工具的模擬與仿真創(chuàng)造了條件，深化了計算機在各個工程領域的應用，電子封裝CAD技術也開始進入一體化和智能化的階段。從80年代末開始，芯片在先進的材料加工技術和EDA的驅動下，特征尺寸不斷減小，集成度不斷提高，發(fā)展到VLSI階段，SMT也逐漸成為市場的主流。原有的封裝形式，如QFP盡管不斷縮小引腳節(jié)距，甚至達到0．3mm的工藝極限，但仍無法解決需要高達數(shù)百乃至上千引腳的各類IC芯片的封裝問題。經(jīng)過封裝工作者的努力，研究出焊球陣列(BGA)以及芯片尺寸封裝(CSP)解決了長期以來芯片小封裝大，封裝總是落后芯片發(fā)展的問題。另一方面，在HIG基礎上研究出多芯片組件(MCM)，它是一種不需要將每個芯片先封裝好了再組裝到一起，而是將多個LSI、VLSI芯片和其他元器件高密度組裝在多層互連基板上，然后封裝在同一殼體內(nèi)的專用電子產(chǎn)品。MCM技術相對于PCB而言有許多優(yōu)點，比如能從本質上減少互連延遲。但由于組件數(shù)量多，各組件和各種性能之間交互作用，也帶來了新的問題，使電設計、機械設計、熱設計以及模擬仿真等都很復雜，需要把這些問題作為設計過程的一個完整部分對熱和信號一起進行分析才能解決。然而，盡管HIC、PCB／MCM和IC的設計規(guī)則大體相同，但在不同的設計部門里卻往往使用各自的工具工作，這就對CAD工具提出了要一體化版圖設計、靈活解決MCM技術問題的要求，也使得芯片、封裝與基板CAD在解決問題的過程中更加緊密融合在一起。MCM設計已有不少專著介紹，也有很多專門軟件問世，本文不贅述。

        在這一時期，封裝CAD的研究十分活躍，如美國Aluminium公司的Liu等使用邊界元法(BEM)對電子封裝進行設計，認為比有限元法(FEM)能更快得出結果。McMaster University的Lu等用三維有限差分時域(3D-FDTD)法從電磁場觀點對電子封裝問題進行仿真。University of Arizona的Prince]利用模擬和仿真CAD工具對封裝和互連進行電設計。Stantord University的Lee等在設計過程的早期階段使用AVS進行3D可視化處理，可對新的封裝技術的可制造性進行分析并可演示產(chǎn)品。CFD Resarch公司的Przekwas等把封裝、芯片、PCB和系統(tǒng)的熱分析集合在一個模型里，減少了不肯定的邊界條件，可以進一步發(fā)展成為電子冷卻設計工具。Geogia Institute of Technology的Zhou等提出了由模塊化FEM(M／FEM)、參數(shù)化FEM(P／FEM)和交互FEM(I／FEM)組成的一個新型建模方法(MPI／FEM)進行封裝設計。

        一些軟件公司為此開發(fā)了專門的封裝CAD軟件，有實力的微電子制造商也在大學的協(xié)助下或獨立開發(fā)了封裝CAD系統(tǒng)。如1991年University of Utah在IBM公司贊助下為進行電子封裝設計開發(fā)了一個連接著目標CAD軟件包和相關數(shù)據(jù)庫的知識庫系統(tǒng)。電性能分析包括串擾分析、ΔI噪聲、電源分配和S-參數(shù)分析等。通過分別計算每個參數(shù)可使設計者隔離出問題的起源并獨立對每個設計參數(shù)求解。每一個部分都有一個獨立的軟件包或者一套設計規(guī)則來分析其參數(shù)。可布線性分析用來預測布線能力、使互連長度最小化、減少高頻耦合、降低成本并提高可靠性；熱性能分析程序用來模擬穩(wěn)態(tài)下傳熱的情況；力學性能分析用來處理封裝件在不同溫度下的力學行為；最后由一個知識庫系統(tǒng)外殼將上述分析工具和相關的數(shù)據(jù)庫連接成一個一體化的系統(tǒng)。它為用戶提供了一個友好的設計界面，它的規(guī)則編輯功能還能不斷地發(fā)展和修改專家系統(tǒng)的知識庫，使系統(tǒng)具有推理能力。

        NEC公司開發(fā)了LSI封裝設計的CAD／CAM系統(tǒng)——INCASE，它提供了LSI封裝設計者和LSI芯片設計者一體化的設計環(huán)境。封裝設計者能夠利用INCASE系統(tǒng)有效地設計封裝，芯片設計者能夠通過網(wǎng)絡從已儲存封裝設計者設計的數(shù)據(jù)庫中尋找最佳封裝的數(shù)據(jù)，并能確定哪種封裝最適合于他的芯片。當他找不到滿足要求的封裝時，需要為此開發(fā)新的封裝，并通過系統(tǒng)把必要的數(shù)據(jù)送達封裝設計者。該系統(tǒng)已用于開發(fā)ASIC上，可以為同樣的芯片準備不同的封裝。利用該系統(tǒng)可以有效地改善設計流程，減少交貨時間。

        University of Arizona開發(fā)了VLSI互連和封裝設計自動化的一體化系統(tǒng)PDSE(Packaging Design Support Environment)，可以對微電子封裝結構進行分析和設計。PDSE提供了某些熱點研究領域的工作平臺，包括互連和封裝形式以及電、熱、電-機械方面的仿真，CAD框架的開發(fā)和性能、可制造性、可靠性等。

        Pennsylvania State University開發(fā)了電子封裝的交互式多學科分析、設計和優(yōu)化(MDA&O)軟件，可以分析、反向設計和優(yōu)化二維流體流動、熱傳導、靜電學、磁流體動力學、電流體動力學和彈性力學，同時考慮流體流動、熱傳導、彈性應力和變形。

        Intel公司開發(fā)了可以在一個CAD工具中對封裝進行力學、電學和熱學分析的軟件——封裝設計顧問(Package Design Advisor)，可以使硅器件設計者把封裝的選擇作為他的產(chǎn)品設計流程的一部分，模擬芯片設計對封裝的影響，以及封裝對芯片設計的影響。該軟件用戶界面不需要輸入詳細的幾何數(shù)據(jù)，只要有芯片的規(guī)范，如芯片尺寸、大概功率、I／0數(shù)等就可在Windows環(huán)境下運行。其主要的模塊是：力學、電學和熱學分析，電學模擬發(fā)生，封裝規(guī)范和焊盤版圖設計指導。力學模塊是選擇和檢查為不同種類封裝和組裝要求所允許的最大和最小芯片尺寸，熱學模塊是計算θja和叭，并使用戶在一個具體用途中(散熱片尺寸，空氣流速等)對封裝的冷卻系統(tǒng)進行配置，電學分析模塊是根據(jù)用戶輸入的緩沖層和母線計算中間和四周所需要的電源和接地引腳數(shù)，電學模擬部分產(chǎn)生封裝和用戶指定的要在電路仿真中使用的傳輸線模型(微帶線，帶狀線等)的概圖。

        LSI Logic公司認為VLSI的出現(xiàn)使互連和封裝結構變得更復雜，對應用模擬和仿真技術發(fā)展分析和設計的CAD工具需求更為迫切。為了有效地管理設計數(shù)據(jù)和涉及電子封裝模擬和仿真的CAD工具，他們提出了一個提供三個層面服務的計算機輔助設計框架?？蚣艿牡谝粚又С諧AD工具的一體化和仿真的管理，該層為仿真環(huán)境提供了一個通用的圖形用戶界面；第二層的重點放在設計數(shù)據(jù)的描述和管理，在這一層提供了一個面向對象的接口來發(fā)展設計資源和包裝CAD工具；框架的第三層是在系統(tǒng)層面上強調對多芯片系統(tǒng)的模擬和仿真。

        Tanner Research公司認為高帶寬數(shù)字、混合信號和RF系統(tǒng)需要用新方法對IC和高性能封裝進行設計，應該在設計的初期就考慮基板和互連的性能。芯片及其封裝的系統(tǒng)層面優(yōu)化要求設計者對芯片和封裝有一個同步的系統(tǒng)層面的想法，而這就需要同步進入芯片和封裝的系統(tǒng)層面優(yōu)化要求設計者對芯片和封裝有一個同步的系統(tǒng)層面想法，而這就需要同步進入芯片封裝的設計數(shù)據(jù)庫，同步完成IC和封裝的版圖設計，同步仿真和分析，同步分離寄生參數(shù)，同步驗證以保證制造成功。除非芯片及其封裝的版圖設計、仿真和驗證的工具是一體化的，否則同步的設計需要就可能延長該系統(tǒng)的設計周期。Tanner MCM Pro實體設計環(huán)境能夠用來設計IC和MCM系統(tǒng)。

        Samsung公司考慮到微電子封裝的熱性能完全取決于所用材料的性能、幾何參數(shù)和工作環(huán)境，而它們之間的關系非常復雜且是非線性的，由于包括了大量可變的參數(shù)，仿真也是耗時的，故開發(fā)了一種可更新的系統(tǒng)預測封裝熱性能。該系統(tǒng)使用的神經(jīng)網(wǎng)絡能夠通過訓練建立一個相當復雜的非線性模型，在封裝開發(fā)中對于大量的可變參數(shù)不需要進一步的仿真或試驗就能快速給出準確的結果，提供了快速、準確選擇和設計微電子封裝的指南。與仿真的結果相比，誤差在1％以內(nèi)，因此會成為一種既經(jīng)濟又有效率的技術。

        Motorola公司認為對一個給定的IC，封裝的設計要在封裝的尺寸、I／0的布局、電性能與熱性能、費用之間平衡。一個CSP的設計對某些用途是理想的，但對另一些是不好的，需要早期分析工具給出對任何用途的選擇和設計都是最好的封裝技術信息，因此開發(fā)了芯片尺寸封裝設計與評價系統(tǒng)(CSPDES)。用戶提供IC的信息，再從系統(tǒng)可能的CSP中選擇一種，并選擇互連的方式。

        系統(tǒng)就會提供用戶使用條件下的電性能與熱性能，也可以選擇另一種，并選擇互連的方式。系統(tǒng)就會提供用戶使用條件下的電性能與熱性能，也可以選擇另外一種，以在這些方面之間達到最好的平衡。當分析結束后，系統(tǒng)出口就會接通實際設計的CAD工具，完成封裝的設計過程。

        2.4 高度一體化、智能化和網(wǎng)絡化階段

        從20世紀90年代末至今，芯片已發(fā)展到UL SI階段，把裸芯片直接安裝在基板上的直接芯片安裝(DCA)技術已開始實用，微電子封裝向系統(tǒng)級封裝(SOP或SIP)發(fā)展，即將各類元器件、布線、介質以及各種通用比芯片和專用IC芯片甚至射頻和光電器件都集成在一個電子封裝系統(tǒng)里，這可以通過單級集成組件(SLIM)、三維(簡稱3D)封裝技術(過去的電子封裝系統(tǒng)都是限于xy平面二維電子封裝)而實現(xiàn)，或者向晶圓級封裝(WLP)技術發(fā)展。封裝CAD技術也進入高度一體化、智能化和網(wǎng)絡化的新時期。

        新階段的一體化概念不同于20世紀90年代初提出的一體化。此時的一體化已經(jīng)不僅僅是將各種不同的CAD工具集成起來，而且還要將CAD與CAM(計算機輔助制造)、CAE(計算機輔助工程)、CAPP(計算機輔助工藝過程)、PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)、ERP(企業(yè)資源計劃管理)等系統(tǒng)集成起來。這些系統(tǒng)如果相互獨立，很難發(fā)揮企業(yè)的整體效益。系統(tǒng)集成的核心問題是數(shù)據(jù)的共享問題。系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)有效、完整、惟一而且能及時更新。即使是CAD系統(tǒng)內(nèi)部，各個部分共享數(shù)據(jù)也是一體化的核心問題。要解決這個問題，需要將數(shù)據(jù)格式標準化。目前有很多分析軟件可以直接輸入CAD的SAT格式數(shù)據(jù)。當前，數(shù)據(jù)共享問題仍然是研究的一個熱點。

        智能CAD是CAD發(fā)展的必然方向。智能設計(Intelligent Design)和基于知識庫系統(tǒng)(Knowledge-basedSystem)的工程是出現(xiàn)在產(chǎn)品處理發(fā)展過程中的新趨勢。數(shù)據(jù)庫技術發(fā)展到數(shù)據(jù)倉庫(Data Warehouse)又進一步發(fā)展到知識庫(Knowledge Repository)，從單純的數(shù)據(jù)集到應用一定的規(guī)則從數(shù)據(jù)中進行知識的挖掘，再到讓數(shù)據(jù)自身具有自我學習、積累能力，這是一個對數(shù)據(jù)處理、應用逐步深入的過程。正是由于數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展，使得軟件系統(tǒng)高度智能化成為可能。 二維平面設計方法已經(jīng)無法滿足新一代封裝產(chǎn)品的設計要求，基于整體的三維設計CAD工具開始發(fā)展起來。超變量幾何技術(Variational Geometry extended，VGX)開始應用于CAD中，使三維產(chǎn)品的設計更為直觀和實時，從而使CAD軟件更加易于使用，效率更高。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術也開始應用于CAD中，可以用來進行各類可視化模擬(如電性能、熱性能分析等)，用以驗證設計的正確性和可行性。

        網(wǎng)絡技術的發(fā)展又給電子封裝CAD的發(fā)展開創(chuàng)了新的空間。局域網(wǎng)和Intranet技術用于企業(yè)內(nèi)部，基本上結束了單機應用的歷史，也只有網(wǎng)絡技術的發(fā)展才使得CAD與CAM、CAPP、PDM和ERP等系統(tǒng)實現(xiàn)一體化成為可能?；ヂ?lián)網(wǎng)和電子商務的發(fā)展，將重要的商務系統(tǒng)與關鍵支持者(客戶、雇員、供應商、分銷商)連接起來。為配合電子商務的發(fā)展，CAD系統(tǒng)必須實現(xiàn)遠程設計。目前國際上大多數(shù)企業(yè)的CAD系統(tǒng)基本能實現(xiàn)通過網(wǎng)絡收集客戶需求信息，并完成部分設計進程。

        3 .結束語

        強大的需要牽引和計算機軟硬件技術、網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展會給電子封裝CAD提出新的要求。不難想象，電子封裝CAD將很快完成從單點技術到知識網(wǎng)絡的綜合應用，從信息孤島到企業(yè)級協(xié)同甚至全球性協(xié)同的轉換。我國封裝行業(yè)面臨著巨大的考驗，但這也給我們提供了新的發(fā)展空間。