CAD技术在电子封装中的应用及其发展

CAD技术在电子封装中的应用及其发展

        1. 引言

        CAD技术起步于20世纪50年代后期。CAD系统的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，产生了巨大的社会经济效益。随着计算机软、硬件技术的发展，CAD技术已发展成为面向产品设计全过程各阶段(包括概念设计、方案设计、详细设计、分析及优化设计、仿真试验定型等阶段)的设计技术。CAD技术作为工程技术的巨大成就，已广泛应用于工程设计的各个领域，特别是微电子领域。CAD技术的进步和革新总是能在很短的时间内体现在微电子领域，并极大地推动其技术进步，反过来，微电子的不断发展也带动了CAD所依赖的计算机软、硬件技术的发展。

        电子CAD是CAD技术的一个重要分支，其发展结果是实现电子设计自动化(EDA)。传统上，电子系统或子系统是通过设计者开发新IC芯片、芯片通过封装成为器件、各种元器件再组装到基板上而实现的。它们之间相互制约和相互促进，因而封装CAD技术的发展与芯片CAD技术和组装CAD技术的发展密不可分，互相渗透和融合。芯片CAD技术和基板CAD技术已有不少专文介绍。本文主要介绍封装CAD技术的发展历程。

        2 .发展历程

根据计算机软、硬件以及电子封装技术的发展水平，可以将CAD技术在电子封装的应用分以下四个阶段。

        2．1 起步阶段

        20世纪60、70年代，是CAD软件发展的初始阶段，随着计算机硬件技术的发展，在计算机屏幕上进行绘图变为可行，此时CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介来进行技术交流，是一种二维计算机绘图技术。CAD的含义仅是Computer-Aided Drawing(or Drafting)，而并非现在所说的ComputerAided Design。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，并在以后作为CAD技术的一个分支而相对独立存在。当时的IC芯片集成度较低，人工绘制有几百至几千个晶体管的版图，工作量大，也难以一次成功，因此开始使用CAD技术进行版图设计，并有少数软件程序可以进行逻辑仿真和电路仿真。当时比封装的形式也很有限，双列直插封装(DIP)是中小规模IC电子封装主导产品，并运用通孔安装技术(THT)布置在PCB上。电子封装对CAD技术的需求并不十分强烈，引入CAD主要是解决绘图问题，因而对电子封装来说，CAD技术应用只是起步阶段。那是CAD技术真正得到广泛使用的是PCB，在20世纪80年代以前就出现了一系列用于PCB设计、制造和测试的CAD／CAM系统。借助它们不仅摆脱繁琐、费时、精度低的传统手工绘图，而且缩短交货周期，提高成品率，成本降低50％。据统计，1983年全年设计的PCB有一牛是基于CAD系统。在这一时期，电子CAD作为一个软件产业已逐渐形成，微电子开始进入EDA阶段。

        2．2 普遍应用阶段

        20世纪80年代是EDA从工作站软件到PC软件迅速发展和普遍应用的阶段。这一时期计算机硬件技术发展十分迅速：32位工作站兴起，网络技术开始发展，计算机硬件性价比不断提高，计算机图形技术也不断进步，这些为CAD软件的发展提供了有利条件。从70年代末开始，芯片的开发应用了各种逻辑电路模拟仿真技术，应用了自动布局、布线工具，实现了LSI的自动设计。组装技术也在基板CAD的支持下向布线图形微细化、结构多层化发展，并开始了从通孔安装技术(THT)向表面安装技术(SMT)发展的进程。这些都构成了对电子封装发展的巨大推动力，要求电子封装的引脚数更多，引脚节距更窄，体积更小，并适合表面安装。原有的两侧布置引脚、引脚数目有限、引脚节距2．54mm、通孔安装的DIP远远不能满足需要。四边引脚扁平封装(QFP)、无引脚陶瓷片式载体(LCCC)、塑料有引脚片式载体(PLCC)等可以采用SMT的四周布置引脚的封装形式应运而生。也出现了封装引脚从四周型到面阵型的改变，如针栅阵列(PGA)封装，这是一种可布置很高引脚数的采用THT的封装形式(后来短引脚的PGA也可以采用SMT)。另一方面，结合着芯片技术和基板技术特点的HIC也对封装提出更高的要求。

        对封装来说，随着IC组装密度增加，导致功率密度相应增大，封装热设计逐渐成为一个至关重要的问题。为此，Hitachi公司开发了HISETS(Hitachi Semiconductor Thermal Stength Design System)，该系统将五个程序结合在一起，可对6个重要的封装设计特性进行统一分析，即(1)热阻、(2)热变形、(3)热应力、(4)芯片和基板的热阻、(5)键合层的寿命、(6)应力引起电性能的改变。一个合适的封装结构可以通过模拟反复修改，直到计算结果满足设计规范而很快获得。有限元分析软件与封装CAD技术的结合，开发出交互式计算机热模型，可以在材料、几何、温度改变等不同情况下得出可视的三维图形结果。Wilkes College开发了稳态热分析的CAD软件，可以快速有效地进行热沉设计。通过有限元分析的交互式计算机热模型可以用数字和图形分析带有热沉的多层复合材料的晶体管封装三维传热系统，并可显示几何的改变所导致的整个封装结构细微温度分布情况。

        封装设计者面临的另一个问题是在把封装设计付诸制造前如何预测它的电性能，Honeywell Physical Sciences Center开发了一种CAD工具，可以对实际封装结构得到模型进行仿真来分析电性能。在与芯片模型结合后，这些模型可以对整个多层封装进行实时仿真和timing分析，并对其互连性能做出评价。

        Mentor Graphics公司用C++语言开发了集封装电、机、热设计为一体的系统，可以通过有限元分析软件对电子封装在强制对流和自然对流情况下进行热分。

        在这一时期，对PGA封装的CAD软件和专家系统也有不少介绍。通过在已有IC设计或PCB设计软件基础上增添所缺少的HIC专用功能，也开发了很多HIC专用CAD软件，其中包括HIC封装的CAD软件。Kesslerll／／介绍了Rockwell International公司微波组件的封装使用CAD／CAM进行设计和制造的情况，可以演示从概念到所制出外壳的设计过程。

        2.3 一体化和智能化的阶段

        20世纪90年代，在计算机和其他领域不断出现新技术，不同领域技术的融合,彻底改善了人机关系，特别是多媒体和虚拟现实等技术出现为CAD工具的模拟与仿真创造了条件，深化了计算机在各个工程领域的应用，电子封装CAD技术也开始进入一体化和智能化的阶段。从80年代末开始，芯片在先进的材料加工技术和EDA的驱动下，特征尺寸不断减小，集成度不断提高，发展到VLSI阶段，SMT也逐渐成为市场的主流。原有的封装形式，如QFP尽管不断缩小引脚节距，甚至达到0．3mm的工艺极限，但仍无法解决需要高达数百乃至上千引脚的各类IC芯片的封装问题。经过封装工作者的努力，研究出焊球阵列(BGA)以及芯片尺寸封装(CSP)解决了长期以来芯片小封装大，封装总是落后芯片发展的问题。另一方面，在HIG基础上研究出多芯片组件(MCM)，它是一种不需要将每个芯片先封装好了再组装到一起，而是将多个LSI、VLSI芯片和其他元器件高密度组装在多层互连基板上，然后封装在同一壳体内的专用电子产品。MCM技术相对于PCB而言有许多优点，比如能从本质上减少互连延迟。但由于组件数量多，各组件和各种性能之间交互作用，也带来了新的问题，使电设计、机械设计、热设计以及模拟仿真等都很复杂，需要把这些问题作为设计过程的一个完整部分对热和信号一起进行分析才能解决。然而，尽管HIC、PCB／MCM和IC的设计规则大体相同，但在不同的设计部门里却往往使用各自的工具工作，这就对CAD工具提出了要一体化版图设计、灵活解决MCM技术问题的要求，也使得芯片、封装与基板CAD在解决问题的过程中更加紧密融合在一起。MCM设计已有不少专著介绍，也有很多专门软件问世，本文不赘述。

        在这一时期，封装CAD的研究十分活跃，如美国Aluminium公司的Liu等使用边界元法(BEM)对电子封装进行设计，认为比有限元法(FEM)能更快得出结果。McMaster University的Lu等用三维有限差分时域(3D-FDTD)法从电磁场观点对电子封装问题进行仿真。University of Arizona的Prince]利用模拟和仿真CAD工具对封装和互连进行电设计。Stantord University的Lee等在设计过程的早期阶段使用AVS进行3D可视化处理，可对新的封装技术的可制造性进行分析并可演示产品。CFD Resarch公司的Przekwas等把封装、芯片、PCB和系统的热分析集合在一个模型里，减少了不肯定的边界条件，可以进一步发展成为电子冷却设计工具。Geogia Institute of Technology的Zhou等提出了由模块化FEM(M／FEM)、参数化FEM(P／FEM)和交互FEM(I／FEM)组成的一个新型建模方法(MPI／FEM)进行封装设计。 [p]

        一些软件公司为此开发了专门的封装CAD软件，有实力的微电子制造商也在大学的协助下或独立开发了封装CAD系统。如1991年University of Utah在IBM公司赞助下为进行电子封装设计开发了一个连接着目标CAD软件包和相关数据库的知识库系统。电性能分析包括串扰分析、ΔI噪声、电源分配和S-参数分析等。通过分别计算每个参数可使设计者隔离出问题的起源并独立对每个设计参数求解。每一个部分都有一个独立的软件包或者一套设计规则来分析其参数。可布线性分析用来预测布线能力、使互连长度最小化、减少高频耦合、降低成本并提高可靠性；热性能分析程序用来模拟稳态下传热的情况；力学性能分析用来处理封装件在不同温度下的力学行为；最后由一个知识库系统外壳将上述分析工具和相关的数据库连接成一个一体化的系统。它为用户提供了一个友好的设计界面，它的规则编辑功能还能不断地发展和修改专家系统的知识库，使系统具有推理能力。

        NEC公司开发了LSI封装设计的CAD／CAM系统——INCASE，它提供了LSI封装设计者和LSI芯片设计者一体化的设计环境。封装设计者能够利用INCASE系统有效地设计封装，芯片设计者能够通过网络从已储存封装设计者设计的数据库中寻找最佳封装的数据，并能确定哪种封装最适合于他的芯片。当他找不到满足要求的封装时，需要为此开发新的封装，并通过系统把必要的数据送达封装设计者。该系统已用于开发ASIC上，可以为同样的芯片准备不同的封装。利用该系统可以有效地改善设计流程，减少交货时间。

        University of Arizona开发了VLSI互连和封装设计自动化的一体化系统PDSE(Packaging Design Support Environment)，可以对微电子封装结构进行分析和设计。PDSE提供了某些热点研究领域的工作平台，包括互连和封装形式以及电、热、电-机械方面的仿真，CAD框架的开发和性能、可制造性、可靠性等。

        Pennsylvania State University开发了电子封装的交互式多学科分析、设计和优化(MDA&O)软件，可以分析、反向设计和优化二维流体流动、热传导、静电学、磁流体动力学、电流体动力学和弹性力学，同时考虑流体流动、热传导、弹性应力和变形。

        Intel公司开发了可以在一个CAD工具中对封装进行力学、电学和热学分析的软件——封装设计顾问(Package Design Advisor)，可以使硅器件设计者把封装的选择作为他的产品设计流程的一部分，模拟芯片设计对封装的影响，以及封装对芯片设计的影响。该软件用户界面不需要输入详细的几何数据，只要有芯片的规范，如芯片尺寸、大概功率、I／0数等就可在Windows环境下运行。其主要的模块是：力学、电学和热学分析，电学模拟发生，封装规范和焊盘版图设计指导。力学模块是选择和检查为不同种类封装和组装要求所允许的最大和最小芯片尺寸，热学模块是计算θja和叭，并使用户在一个具体用途中(散热片尺寸，空气流速等)对封装的冷却系统进行配置，电学分析模块是根据用户输入的缓冲层和母线计算中间和四周所需要的电源和接地引脚数，电学模拟部分产生封装和用户指定的要在电路仿真中使用的传输线模型(微带线，带状线等)的概图。

        LSI Logic公司认为VLSI的出现使互连和封装结构变得更复杂，对应用模拟和仿真技术发展分析和设计的CAD工具需求更为迫切。为了有效地管理设计数据和涉及电子封装模拟和仿真的CAD工具，他们提出了一个提供三个层面服务的计算机辅助设计框架。框架的第一层支持CAD工具的一体化和仿真的管理，该层为仿真环境提供了一个通用的图形用户界面；第二层的重点放在设计数据的描述和管理，在这一层提供了一个面向对象的接口来发展设计资源和包装CAD工具；框架的第三层是在系统层面上强调对多芯片系统的模拟和仿真。

        Tanner Research公司认为高带宽数字、混合信号和RF系统需要用新方法对IC和高性能封装进行设计，应该在设计的初期就考虑基板和互连的性能。芯片及其封装的系统层面优化要求设计者对芯片和封装有一个同步的系统层面的想法，而这就需要同步进入芯片和封装的系统层面优化要求设计者对芯片和封装有一个同步的系统层面想法，而这就需要同步进入芯片封装的设计数据库，同步完成IC和封装的版图设计，同步仿真和分析，同步分离寄生参数，同步验证以保证制造成功。除非芯片及其封装的版图设计、仿真和验证的工具是一体化的，否则同步的设计需要就可能延长该系统的设计周期。Tanner MCM Pro实体设计环境能够用来设计IC和MCM系统。

        Samsung公司考虑到微电子封装的热性能完全取决于所用材料的性能、几何参数和工作环境，而它们之间的关系非常复杂且是非线性的，由于包括了大量可变的参数，仿真也是耗时的，故开发了一种可更新的系统预测封装热性能。该系统使用的神经网络能够通过训练建立一个相当复杂的非线性模型，在封装开发中对于大量的可变参数不需要进一步的仿真或试验就能快速给出准确的结果，提供了快速、准确选择和设计微电子封装的指南。与仿真的结果相比，误差在1％以内，因此会成为一种既经济又有效率的技术。

        Motorola公司认为对一个给定的IC，封装的设计要在封装的尺寸、I／0的布局、电性能与热性能、费用之间平衡。一个CSP的设计对某些用途是理想的，但对另一些是不好的，需要早期分析工具给出对任何用途的选择和设计都是最好的封装技术信息，因此开发了芯片尺寸封装设计与评价系统(CSPDES)。用户提供IC的信息，再从系统可能的CSP中选择一种，并选择互连的方式。

        系统就会提供用户使用条件下的电性能与热性能，也可以选择另一种，并选择互连的方式。系统就会提供用户使用条件下的电性能与热性能，也可以选择另外一种，以在这些方面之间达到最好的平衡。当分析结束后，系统出口就会接通实际设计的CAD工具，完成封装的设计过程。

        2.4 高度一体化、智能化和网络化阶段

        从20世纪90年代末至今，芯片已发展到UL SI阶段，把裸芯片直接安装在基板上的直接芯片安装(DCA)技术已开始实用，微电子封装向系统级封装(SOP或SIP)发展，即将各类元器件、布线、介质以及各种通用比芯片和专用IC芯片甚至射频和光电器件都集成在一个电子封装系统里，这可以通过单级集成组件(SLIM)、三维(简称3D)封装技术(过去的电子封装系统都是限于xy平面二维电子封装)而实现，或者向晶圆级封装(WLP)技术发展。封装CAD技术也进入高度一体化、智能化和网络化的新时期。

        新阶段的一体化概念不同于20世纪90年代初提出的一体化。此时的一体化已经不仅仅是将各种不同的CAD工具集成起来，而且还要将CAD与CAM(计算机辅助制造)、CAE(计算机辅助工程)、CAPP(计算机辅助工艺过程)、PDM(产品数据管理)、ERP(企业资源计划管理)等系统集成起来。这些系统如果相互独立，很难发挥企业的整体效益。系统集成的核心问题是数据的共享问题。系统必须保证数据有效、完整、惟一而且能及时更新。即使是CAD系统内部，各个部分共享数据也是一体化的核心问题。要解决这个问题，需要将数据格式标准化。目前有很多分析软件可以直接输入CAD的SAT格式数据。当前，数据共享问题仍然是研究的一个热点。

        智能CAD是CAD发展的必然方向。智能设计(Intelligent Design)和基于知识库系统(Knowledge-basedSystem)的工程是出现在产品处理发展过程中的新趋势。数据库技术发展到数据仓库(Data Warehouse)又进一步发展到知识库(Knowledge Repository)，从单纯的数据集到应用一定的规则从数据中进行知识的挖掘，再到让数据自身具有自我学习、积累能力，这是一个对数据处理、应用逐步深入的过程。正是由于数据库技术的发展，使得软件系统高度智能化成为可能。 二维平面设计方法已经无法满足新一代封装产品的设计要求，基于整体的三维设计CAD工具开始发展起来。超变量几何技术(Variational Geometry extended，VGX)开始应用于CAD中，使三维产品的设计更为直观和实时，从而使CAD软件更加易于使用，效率更高。虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术也开始应用于CAD中，可以用来进行各类可视化模拟(如电性能、热性能分析等)，用以验证设计的正确性和可行性。

        网络技术的发展又给电子封装CAD的发展开创了新的空间。局域网和Intranet技术用于企业内部，基本上结束了单机应用的历史，也只有网络技术的发展才使得CAD与CAM、CAPP、PDM和ERP等系统实现一体化成为可能。互联网和电子商务的发展，将重要的商务系统与关键支持者(客户、雇员、供应商、分销商)连接起来。为配合电子商务的发展，CAD系统必须实现远程设计。目前国际上大多数企业的CAD系统基本能实现通过网络收集客户需求信息，并完成部分设计进程。

        3 .结束语

        强大的需要牵引和计算机软硬件技术、网络技术的不断发展会给电子封装CAD提出新的要求。不难想象，电子封装CAD将很快完成从单点技术到知识网络的综合应用，从信息孤岛到企业级协同甚至全球性协同的转换。我国封装行业面临着巨大的考验，但这也给我们提供了新的发展空间。