CAD技術(shù)在電子封裝中的應(yīng)用及其發(fā)展

1、CAD技術(shù)在電子封裝中的應(yīng)用及其發(fā)展doc13現(xiàn)代電子信息技術(shù)的進(jìn)展，推動(dòng)電子產(chǎn)品向多功能、高性能、高可靠性、小型化、低成本的方向進(jìn)展，微電子封裝、IC設(shè)計(jì)和IC制造共同構(gòu)成IC產(chǎn)業(yè)的三大支柱。運(yùn)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）作為一種重要的技術(shù)手段在IC產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮了龐大作用，已廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域。本文結(jié)合各個(gè)時(shí)期電子封裝的特點(diǎn)，介紹了封裝CAD技術(shù)的進(jìn)展歷程，并簡(jiǎn)要分析了今后進(jìn)展趨勢(shì)。1.引言CAD技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代后期。CAD系統(tǒng)的進(jìn)展和應(yīng)用使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法與生產(chǎn)模式發(fā)生了深刻的變化，產(chǎn)生了龐大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。隨著運(yùn)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的進(jìn)展，CAD技術(shù)已進(jìn)展成為面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程各時(shí)期

2、（包括概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)定型等時(shí)期）的設(shè)計(jì)技術(shù)。CAD技術(shù)作為工程技術(shù)的龐大成就，已廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，專門是微電子領(lǐng)域。CAD技術(shù)的進(jìn)步和革新總是能在專門短的時(shí)刻內(nèi)體現(xiàn)在微電子領(lǐng)域，并極大地推動(dòng)其技術(shù)進(jìn)步，反過來，微電子的持續(xù)進(jìn)展也帶動(dòng)了CAD所依靠的運(yùn)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的進(jìn)展。電子CAD是CAD技術(shù)的一個(gè)重要分支，其進(jìn)展結(jié)果是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）。傳統(tǒng)上，電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)是通過設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的。它們之間相互制約和相互促進(jìn)，因而封裝CAD技術(shù)的進(jìn)展與芯片CAD技術(shù)和組裝CAD技術(shù)的

3、進(jìn)展密不可分，互相滲透和融合。芯片CAD技術(shù)和基板CAD技術(shù)已有許多專文介紹。本文要緊介紹封裝CAD技術(shù)的進(jìn)展歷程。2.進(jìn)展歷程按照運(yùn)算機(jī)軟、硬件以及電子封裝技術(shù)的進(jìn)展水平，能夠?qū)AD技術(shù)在電子封裝的應(yīng)用分以下四個(gè)時(shí)期。21起步時(shí)期20世紀(jì)60、70年代，是CAD軟件進(jìn)展的初始時(shí)期，隨著運(yùn)算機(jī)硬件技術(shù)的進(jìn)展，在運(yùn)算機(jī)屏幕上進(jìn)行繪圖變?yōu)榭尚?，現(xiàn)在CAD技術(shù)的動(dòng)身點(diǎn)是用傳統(tǒng)的三視圖方法來表達(dá)零件，以圖紙為媒介來進(jìn)行技術(shù)交流，是一種二維運(yùn)算機(jī)繪圖技術(shù)。CAD的含義僅是Computer-AidedDrawing(orDrafting)，而并非現(xiàn)在所講的ComputerAidedDesign。CAD技

4、術(shù)以二維繪圖為要緊目標(biāo)的算法一直連續(xù)到70年代末期，并在以后作為CAD技術(shù)的一個(gè)分支而相對(duì)獨(dú)立存在。當(dāng)時(shí)的IC芯片集成度較低，人工繪制有幾百至幾千個(gè)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(shù)進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，并有少數(shù)軟件程序能夠進(jìn)行邏輯仿真和電路仿真。當(dāng)時(shí)比封裝的形式也專門有限，雙列直插封裝(DIP)是中小規(guī)模IC電子封裝主導(dǎo)產(chǎn)品，并運(yùn)用通孔安裝技術(shù)(THT)布置在PCB上。電子封裝對(duì)CAD技術(shù)的需求并不十分強(qiáng)烈，引入CAD要緊是解決繪圖咨詢題，因而對(duì)電子封裝來講，CAD技術(shù)應(yīng)用只是起步時(shí)期。那是CAD技術(shù)真正得到廣泛使用的是PCB,在20世紀(jì)80年代往常就顯現(xiàn)了一系列用于PC

5、B設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的CADCAM系統(tǒng)。借助它們不僅擺脫繁瑣、費(fèi)時(shí)、精度低的傳統(tǒng)手工繪圖，而且縮短交貨周期，提升成品率，成本降低50。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1983年全年設(shè)計(jì)的PCB有一牛是基于CAD系統(tǒng)。在這一時(shí)期，電子CAD作為一個(gè)軟件產(chǎn)業(yè)已逐步形成，微電子開始進(jìn)入EDA時(shí)期。22普遍應(yīng)用時(shí)期20世紀(jì)80年代是EDA從工作站軟件到PC軟件迅速進(jìn)展和普遍應(yīng)用的時(shí)期。這一時(shí)期運(yùn)算機(jī)硬件技術(shù)進(jìn)展十分迅速：32位工作站興起，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始進(jìn)展，運(yùn)算機(jī)硬件性價(jià)比持續(xù)提升，運(yùn)算機(jī)圖形技術(shù)也持續(xù)進(jìn)步，這些為CAD軟件的進(jìn)展提供了有利條件。從70年代末開始，芯片的開發(fā)應(yīng)用了各種邏輯電路模擬仿真技術(shù)，應(yīng)用了自動(dòng)布局、布線工具

6、，實(shí)現(xiàn)了LSI的自動(dòng)設(shè)計(jì)。組裝技術(shù)也在基板CAD的支持下向布線圖形微細(xì)化、結(jié)構(gòu)多層化進(jìn)展，并開始了從通孔安裝技術(shù)(THT)向表面安裝技術(shù)(SMT)進(jìn)展的進(jìn)程。這些都構(gòu)成了對(duì)電子封裝進(jìn)展的龐大推動(dòng)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(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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)等能夠采納SMT的四周布置引腳的封裝形式應(yīng)運(yùn)而生。也顯現(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，這是一種可布置專門高引腳數(shù)的采納THT的

7、封裝形式(后來短引腳的PGA也能夠采納SMT)。另一方面，結(jié)合著芯片技術(shù)和基板技術(shù)特點(diǎn)的HIC也對(duì)封裝提出更高的要求。對(duì)封裝來講，隨著IC組裝密度增加，導(dǎo)致功率密度相應(yīng)增大，封裝熱設(shè)計(jì)逐步成為一個(gè)至關(guān)重要的咨詢題。為此，Hitachi公司開發(fā)了HISETS(HitachiSemiconductorThermalStengthDesignSystem)，該系統(tǒng)將五個(gè)程序結(jié)合在一起，可對(duì)6個(gè)重要的封裝設(shè)計(jì)特性進(jìn)行統(tǒng)一分析，即(1)熱阻、(2)熱變形、(3)熱應(yīng)力、(4)芯片和基板的熱阻、(5)鍵合層的壽命、(6)應(yīng)力引起電性能的改變。一個(gè)合適的封裝結(jié)構(gòu)能夠通過模擬反復(fù)修改，直到運(yùn)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范

8、而專門快獲得。有限元分析軟件與封裝CAD技術(shù)的結(jié)合，開發(fā)出交互式運(yùn)算機(jī)熱模型，能夠在材料、幾何、溫度改變等不同情形下得出可視的三維圖形結(jié)果。WilkesCollege開發(fā)了穩(wěn)態(tài)熱分析的CAD軟件，能夠快速有效地進(jìn)行熱沉設(shè)計(jì)。通過有限元分析的交互式運(yùn)算機(jī)熱模型能夠用數(shù)字和圖形分析帶有熱沉的多層復(fù)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(dǎo)致的整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)細(xì)微溫度分布情形。封裝設(shè)計(jì)者面臨的另一個(gè)咨詢題是在把封裝設(shè)計(jì)付諸制造前如何推測(cè)它的電性能，HoneywellPhysicalSciencesCenter開發(fā)了一種CAD工具，能夠?qū)?shí)際封裝結(jié)構(gòu)得到模型進(jìn)行仿真來分析電性能。在與芯片模型結(jié)

9、合后，這些模型能夠?qū)φ麄€(gè)多層封裝進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和timing分析，并對(duì)其互連性能做出評(píng)判。MentorGraphics公司用C+語言開發(fā)了集封裝電、機(jī)、熱設(shè)計(jì)為一體的系統(tǒng)，能夠通過有限元分析軟件對(duì)電子封裝在強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流情形下進(jìn)行熱分。在這一時(shí)期，對(duì)PGA封裝的CAD軟件和專家系統(tǒng)也有許多介紹。通過在已有IC設(shè)計(jì)或PCB設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)上增加所缺少的HIC專用功能，也開發(fā)了專門多HIC專用CAD軟件，其中包括HIC封裝的CAD軟件。Kesslerll/介紹了RockwellInternational公司微波組件的封裝使用CADCAM進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的情形，能夠演示從概念到所制出外殼的設(shè)計(jì)過程。2.

10、3一體化和智能化的時(shí)期20世紀(jì)90年代，在運(yùn)算機(jī)和其它領(lǐng)域持續(xù)顯現(xiàn)新技術(shù)，不同領(lǐng)域技術(shù)的融合,完全改善了人機(jī)關(guān)系，專門是多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)顯現(xiàn)為CAD工具的模擬與仿真制造了條件，深化了運(yùn)算機(jī)在各個(gè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，電子封裝CAD技術(shù)也開始進(jìn)入一體化和智能化的時(shí)期。從80年代末開始，芯片在先進(jìn)的材料加工技術(shù)和EDA的驅(qū)動(dòng)下，特點(diǎn)尺寸持續(xù)減小，集成度持續(xù)提升，進(jìn)展到VLSI時(shí)期，SMT也逐步成為市場(chǎng)的主流。原有的封裝形式，如QFP盡管持續(xù)縮小引腳節(jié)距，甚至達(dá)到0.3mm的工藝極限，但仍無法解決需要高達(dá)數(shù)百乃至上千引腳的各類IC芯片的封裝咨詢題。通過封裝工作者的努力，研究出焊球陣列（BGA）以及芯

11、片尺寸封裝（CSP）解決了長(zhǎng)期以來芯片小封裝大，封裝總是落后芯片進(jìn)展的咨詢題。另一方面，在HIG基礎(chǔ)上研究出多芯片組件（MCM），它是一種不需要將每個(gè)芯片先封裝好了再組裝到一起，而是將多個(gè)LSI、VLSI芯片和其它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(shù)有關(guān)于PCB而言有許多優(yōu)點(diǎn)，例如能從本質(zhì)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，也帶來了新的咨詢題，使電設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)以及模擬仿真等都專門復(fù)雜，需要把這些咨詢題作為設(shè)計(jì)過程的一個(gè)完整部分對(duì)熱和信號(hào)一起進(jìn)行分析才能解決。然而，盡管HIC、PCBMCM和IC的設(shè)計(jì)規(guī)則大體相同，

12、但在不同的設(shè)計(jì)部門里卻往往使用各自的工具工作，這就對(duì)CAD工具提出了要一體化版圖設(shè)計(jì)、靈活解決MCM技術(shù)咨詢題的要求，也使得芯片、封裝與基板CAD在解決咨詢題的過程中更加緊密融合在一起。MCM設(shè)計(jì)已有許多專著介紹，也有專門多專門軟件咨詢世，本文不贅述。在這一時(shí)期，封裝CAD的研究十分活躍，如美國(guó)Aluminium公司的Liu等使用邊界元法（BEM）對(duì)電子封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，認(rèn)為比有限元法（FEM）能更快得出結(jié)果。McMasterUniversity的Lu等用三維有限差分時(shí)域（3D-FDTD)法從電磁場(chǎng)觀點(diǎn)對(duì)電子封裝咨詢題進(jìn)行仿真。UniversityofArizona的Prince利用模擬和仿真CA

13、D工具對(duì)封裝和互連進(jìn)行電設(shè)計(jì)。StantordUniversity的Lee等在設(shè)計(jì)過程的早期時(shí)期使用AVS進(jìn)行3D可視化處理，可對(duì)新的封裝技術(shù)的可制造性進(jìn)行分析并可演示產(chǎn)品。CFDResarch公司的Przekwas等把封裝、芯片、PCB和系統(tǒng)的熱分析集合在一個(gè)模型里，減少了不確信的邊界條件，能夠進(jìn)一步進(jìn)展成為電子冷卻設(shè)計(jì)工具。GeogiaInstituteofTechnology的Zhou等提出了由模塊化FEM(MFEM)、參數(shù)化FEM(P/FEM)和交互FEM(I/FEM)組成的一個(gè)新型建模方法(MPI/FEM)進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)。一些軟件公司為此開發(fā)了專門的封裝CAD軟件，有實(shí)力的微電子制造商

14、也在大學(xué)的協(xié)助下或獨(dú)立開發(fā)了封裝CAD系統(tǒng)。如1991年UniversityofUtah在IBM公司贊助下為進(jìn)行電子封裝設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)連接著目標(biāo)CAD軟件包和有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)。電性能分析包括串?dāng)_分析、I噪聲、電源分配和S-#數(shù)分析等。通過分不運(yùn)算每個(gè)參數(shù)可使設(shè)計(jì)者隔離出咨詢題的起源并獨(dú)立對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)求解。每一個(gè)部分都有一個(gè)獨(dú)立的軟件包或者一套設(shè)計(jì)規(guī)則來分析其參數(shù)。可布線性分析用來推測(cè)布線能力、使互連長(zhǎng)度最小化、減少高頻耦合、降低成本并提升可靠性；熱性能分析程序用來模擬穩(wěn)態(tài)下傳熱的情形；力學(xué)性能分析用來處理封裝件在不同溫度下的力學(xué)行為；最后由一個(gè)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)外殼將上述分析工具和有關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)

15、連接成一個(gè)一體化的系統(tǒng)。它為用戶提供了一個(gè)友好的設(shè)計(jì)界面，它的規(guī)則編輯功能還能持續(xù)地進(jìn)展和修改專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，使系統(tǒng)具有推理能力。NEC公司開發(fā)了LSI封裝設(shè)計(jì)的CADCAM系統(tǒng)INCASE,它提供了LSI封裝設(shè)計(jì)者和LSI芯片設(shè)計(jì)者一體化的設(shè)計(jì)環(huán)境。封裝設(shè)計(jì)者能夠利用INCASE系統(tǒng)有效地設(shè)計(jì)封裝，芯片設(shè)計(jì)者能夠通過網(wǎng)絡(luò)從已儲(chǔ)存封裝設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)中查找最佳封裝的數(shù)據(jù)，并能確定哪種封裝最適合于他的芯片。當(dāng)他找不到滿足要求的封裝時(shí)，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(dá)封裝設(shè)計(jì)者。該系統(tǒng)已用于開發(fā)ASIC上，能夠?yàn)橥瑯拥男酒A(yù)備不同的封裝。利用該系統(tǒng)能夠有效地改善設(shè)計(jì)流程，減少交

16、貨時(shí)刻。UniversityofArizona開發(fā)了VLSI互連和封裝設(shè)計(jì)自動(dòng)化的一體化系統(tǒng)PDSE(PackagingDesignSupportEnvironment),能夠?qū)ξ㈦娮臃庋b結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。PDSE提供了某些熱點(diǎn)研究領(lǐng)域的工作平臺(tái)，包括互連和封裝形式以及電、熱、電-機(jī)械方面的仿真，CAD框架的開發(fā)和性能、可制造性、可靠性等。PennsylvaniaStateUniversity開發(fā)了電子封裝的交互式多學(xué)科分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化(MDA&O)軟件，能夠分析、反向設(shè)計(jì)和優(yōu)化二維流體流淌、熱傳導(dǎo)、靜電學(xué)、磁流體動(dòng)力學(xué)、電流體動(dòng)力學(xué)和彈性力學(xué)，同時(shí)考慮流體流淌、熱傳導(dǎo)、彈性應(yīng)力和變

17、形。LSILogic公司認(rèn)為VLSI的顯現(xiàn)使互連和封裝結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜，對(duì)應(yīng)用模擬和仿真技術(shù)進(jìn)展分析和設(shè)計(jì)的CAD工具需求更為迫切。為了有效地治理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和涉及電子封裝模擬和仿確實(shí)CAD工具，他們提出了一個(gè)提供三個(gè)層面服務(wù)的運(yùn)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)框架?？蚣艿牡谝粚又С諧AD工具的一體化和仿確實(shí)治理，該層為仿真環(huán)境提供了一個(gè)通用的圖形用戶界面；第二層的重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的描述和治理，在這一層提供了一個(gè)面向?qū)ο蟮慕涌趤磉M(jìn)展設(shè)計(jì)資源和包裝CAD工具；框架的第三層是在系統(tǒng)層面上強(qiáng)調(diào)對(duì)多芯片系統(tǒng)的模擬和仿真。TannerResearch司認(rèn)為高帶寬數(shù)字、混合信號(hào)和RF系統(tǒng)需要用新方法對(duì)IC和高性能封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)該

18、在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者對(duì)芯片和封裝有一個(gè)同步的系統(tǒng)層面的方法，而這就需要同步進(jìn)入芯片和封裝的系統(tǒng)層面優(yōu)化要求設(shè)計(jì)者對(duì)芯片和封裝有一個(gè)同步的系統(tǒng)層面方法，而這就需要同步進(jìn)入芯片封裝的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，同步完成IC和封裝的版圖設(shè)計(jì)，同步仿真和分析，同步分離寄生參數(shù)，同步驗(yàn)證以保證制造成功。除非芯片及其封裝的版圖設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證的工具是一體化的，否則同步的設(shè)計(jì)需要就可能延長(zhǎng)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期。TannerMCMPro實(shí)體設(shè)計(jì)環(huán)境能夠用來設(shè)計(jì)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(guān)

19、系專門復(fù)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(shí)的，故開發(fā)了一種可更新的系統(tǒng)推測(cè)封裝熱性能。該系統(tǒng)使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過訓(xùn)練建立一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的非線性模型，在封裝開發(fā)中關(guān)于大量的可變參數(shù)不需要進(jìn)一步的仿真或試驗(yàn)就能快速給出準(zhǔn)確的結(jié)果，提供了快速、準(zhǔn)確選擇和設(shè)計(jì)微電子封裝的指南。與仿確實(shí)結(jié)果相比，誤差在1以內(nèi)，因此會(huì)成為一種既經(jīng)濟(jì)又有效率的技術(shù)。Motorola公司認(rèn)為對(duì)一個(gè)給定的IC，封裝的設(shè)計(jì)要在封裝的尺寸、I0的布局、電性能與熱性能、費(fèi)用之間平穩(wěn)。一個(gè)CSP的設(shè)計(jì)對(duì)某些用途是理想的，但對(duì)另一些是不行的，需要早期分析工具給出對(duì)任何用途的選擇和設(shè)計(jì)差不多上最好的封裝技術(shù)信息，因此開

20、發(fā)了芯片尺寸封裝設(shè)計(jì)與評(píng)判系統(tǒng)（CSPDES）。用戶提供IC的信息，再?gòu)南到y(tǒng)可能的CSP中選擇一種，并選擇互連的方式。系統(tǒng)就會(huì)提供用戶使用條件下的電性能與熱性能，也能夠選擇另一種，并選擇互連的方式。系統(tǒng)就會(huì)提供用戶使用條件下的電性能與熱性能，也能夠選擇另外一種，以在這些方面之間達(dá)到最好的平穩(wěn)。當(dāng)分析終止后，系統(tǒng)出口就會(huì)接通實(shí)際設(shè)計(jì)的CAD工具，完成封裝的設(shè)計(jì)過程。2.4高度一體化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)期從20世紀(jì)90年代末至今，芯片已進(jìn)展到ULSI時(shí)期，把裸芯片直截了當(dāng)安裝在基板上的直截了當(dāng)芯片安裝（DCA）技術(shù)已開始有用，微電子封裝向系統(tǒng)級(jí)封裝（SOP或SIP）進(jìn)展，立即各類元器件、布線、介質(zhì)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(gè)電子封裝系統(tǒng)里，這能夠通過單級(jí)集成組件（SLIM）、三維（簡(jiǎn)稱3D）封裝技術(shù)（過去的電子封裝系統(tǒng)差不多上限于xy平面二維電子封裝）而實(shí)現(xiàn)，或者向晶圓級(jí)封裝（WLP）技術(shù)進(jìn)展。封裝CAD技術(shù)也進(jìn)入高度一體化