CAD技術(shù)在電子封裝中的應用及其發(fā)展doc13.doc

1、CAD 技術(shù)在電子封裝中的應用及其發(fā)展doc13現(xiàn)代電子信息技術(shù)的進展，推動電子產(chǎn)品向多功能、高性能、高可靠性、小型化、低成本的方向進展，微電子封裝、IC 設計和 IC 制造共同構(gòu)成IC 產(chǎn)業(yè)的三大支柱。運算機輔助設計 (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，已廣泛應用于電子封裝領域。本文結(jié)合各個時期電子封裝的特點，介紹了封裝 CAD 技術(shù)的進展歷程，并簡要分析了今后進展趨勢。1. 引言CAD 技術(shù)起步于 20 世紀 50 年代后期。 CAD 系統(tǒng)的進展和應用使傳統(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)生了龐大的社會經(jīng)濟效益。隨著運算機軟、硬件技術(shù)的進展， CA

2、D 技術(shù)已進展成為面向產(chǎn)品設計全過程各時期 (包括概念設計、方案設計、詳細設計、分析及優(yōu)化設計、仿真試驗定型等時期 )的設計技術(shù)。 CAD 技術(shù)作為工程技術(shù)的龐大成就，已廣泛應用于工程設計的各個領域，專門是微電子領域。 CAD 技術(shù)的進步和革新總是能在專門短的時刻內(nèi)體現(xiàn)在微電子領域，并極大地推動其技術(shù)進步，反過來，微電子的持續(xù)進展也帶動了CAD 所依靠的運算機軟、硬件技術(shù)的進展。電子 CAD 是 CAD 技術(shù)的一個重要分支， 其進展結(jié)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

3、制約和相互促進，因而封裝CAD 技術(shù)的進展與芯片CAD 技術(shù)和組裝 CAD 技術(shù)的進展密不可分，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)的進展歷程。 2 .進展歷程按照運算機軟、硬件以及電子封裝技術(shù)的進展水平，能夠?qū)AD 技術(shù)在電子封裝的應用分以下四個時期。21 起步時期20 世紀 60、70 年代，是 CAD 軟件進展的初始時期， 隨著運算機硬件技術(shù)的進展，在運算機屏幕上進行繪圖變?yōu)榭尚?，現(xiàn)在CAD 技術(shù)的動身點是用傳統(tǒng)的三視圖方法來表達零件，以圖紙為媒介來進行技術(shù)交流，是一種二維運算機繪圖技術(shù)。CAD 的含義僅是 Comput

4、er-Aided Drawing(orDrafting) ，而并非現(xiàn)在所講的ComputerAided Design。CAD 技術(shù)以二維繪圖為要緊目標的算法一直連續(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(shù)進行版圖設計，并有少數(shù)軟件程序能夠進行邏輯仿真和電路仿真。當時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 電子封裝主導產(chǎn)品，并運用通孔安裝技術(shù)(THT) 布置在 PCB 上。電子封裝對 CAD 技術(shù)的需求并不十分強烈，引入 CA

5、D 要緊是解決繪圖咨詢題，因而對電子封裝來講，CAD 技術(shù)應用只是起步時期。 那是 CAD 技術(shù)真正得到廣泛使用的是 P CB，在 20 世紀 80 年代往常就顯現(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，提升成品率，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)已逐步形成，微電子開始進入 EDA 時期。22 普遍應用時期20 世紀 80 年代是 EDA 從工作站軟件到 PC 軟件迅速進展和普遍應用的時期。 這一時期運算機

6、硬件技術(shù)進展十分迅速： 32 位工作站興起，網(wǎng)絡技術(shù)開始進展，運算機硬件性價比持續(xù)提升，運算機圖形技術(shù)也持續(xù)進步，這些為 CAD 軟件的進展提供了有利條件。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(shù)，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(shù)也在基板 CAD 的支持下向布線圖形微細化、結(jié)構(gòu)多層化進展，并開始了從通孔安裝技術(shù) (THT) 向表面安裝技術(shù) (SMT) 進展的進程。這些都構(gòu)成了對電子封裝進展的龐大推動力，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(cè)布置引腳、引腳數(shù)目有限、引腳節(jié)距254mm、通孔安裝的 DIP 遠

7、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)等能夠采納 SMT 的四周布置引腳的封裝形式應運而生。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)特點的 HIC 也對封裝提出更高的要求。對封裝來講，隨著 IC 組裝密度增加，導致功率密度相應增大，封裝熱設計逐步成為一個至關重要的咨詢題。為此， Hitachi 公司開發(fā)了 HI SETS(Hitachi Semicon

8、ductor Thermal Stength Design System)，該系統(tǒng)將五個程序結(jié)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(jié)構(gòu)能夠通過模擬反復修改，直到運算結(jié)果滿足設計規(guī)范而專門快獲得。有限元分析軟件與封裝CAD 技術(shù)的結(jié)合，開發(fā)出交互式運算機熱模型，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。Wilkes College 開發(fā)了穩(wěn)態(tài)熱分析的CAD 軟件，能夠快速有效地進行熱沉設計。 通過有限元分析的交互式運算

9、機熱模型能夠用數(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(jié)構(gòu)細微溫度分布情形。封裝設計者面臨的另一個咨詢題是在把封裝設計付諸制造前如何推測它的電性能，Honeywell Physical Sciences Center開發(fā)了一種 CAD 工具，能夠?qū)嶋H封裝結(jié)構(gòu)得到模型進行仿真來分析電性能。在與芯片模型結(jié)合后，這些模型能夠?qū)φ麄€多層封裝進行實時仿真和timing 分析，并對其互連性能做出評判。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)，能夠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形下進

10、行熱分。在這一時期，對 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 設計或 PCB 設計軟件基礎上增加所缺少的 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 Rockwell International 公司微波組件的封裝使用CAD CAM 進行設計和制造的情形，能夠演示從概念到所制出外殼的設計過程。2.3 一體化和智能化的時期20 世紀 90 年代，在運算機和其它領域持續(xù)顯現(xiàn)新技術(shù)，不同領域技術(shù)的融合 ,完全改善了人機關系，專門是多媒體和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)顯現(xiàn)為 CAD 工具的模擬與仿真制

11、造了條件， 深化了運算機在各個工程領域的應用，電子封裝 CAD 技術(shù)也開始進入一體化和智能化的時期。從 80 年代末開始，芯片在先進的材料加工技術(shù)和 EDA 的驅(qū)動下，特點尺寸持續(xù)減小，集成度持續(xù)提升，進展到 VLSI 時期， SMT 也逐步成為市場的主流。原有的封裝形式，如QFP 盡管持續(xù)縮小引腳節(jié)距，甚至達到03mm 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 芯片的封裝咨詢題。通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，封裝總是落后芯片進展的咨詢題。另一方面，在 HIG 基礎上研究出多芯片組件 (MCM) ，

12、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)有關于 PCB 而言有許多優(yōu)點，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，使電設計、機械設計、熱設計以及模擬仿真等都專門復雜，需要把這些咨詢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 、PCBMCM 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 MC

13、M 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 設計已有許多專著介紹， 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 (F EM) 能更快得出結(jié)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咨詢題進行仿真。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。 Stant

14、ordUniversity 的 Lee 等在設計過程的早期時期使用AVS 進行 3D 可視化處理，可對新的封裝技術(shù)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，減少了不確信的邊界條件，能夠進一步進展成為電子冷卻設計工具。GeogiaInstitute of Technology 的 Zhou 等提出了由模塊化 FEM(M FEM) 、參數(shù)化FEM(PFEM) 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)了專門的封裝電子制造商也在大學的協(xié)助下或獨

15、立開發(fā)了封裝CAD 軟件，有實力的微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 軟件包和有關數(shù)據(jù)庫的知識庫系統(tǒng)。電性能分析包括串擾分析、I 噪聲、電源分配和 S-參數(shù)分析等。通過分不運算每個參數(shù)可使設計者隔離出咨詢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)。可布線性分析用來推測布線能力、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

16、殼將上述分析工具和有關的數(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)則編輯功能還能持續(xù)地進展和修改專家系統(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) INCAS E，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，能夠為同樣的芯

17、片預備不同的封裝。利用該系統(tǒng)能夠有效地改善設計流程，減少交貨時刻。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)，能夠?qū)ξ㈦娮臃庋b結(jié)構(gòu)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，能夠分析、反向設計和優(yōu)化二維流體流淌、熱傳

18、導、靜電學、磁流體動力學、電流體動力學和彈性力學，同時考慮流體流淌、熱傳導、彈性應力和變形。LSI Logic 公司認為 VLSI 的顯現(xiàn)使互連和封裝結(jié)構(gòu)變得更復雜，對應用模擬和仿真技術(shù)進展分析和設計的CAD 工具需求更為迫切。為了有效地治理設計數(shù)據(jù)和涉及電子封裝模擬和仿確實CAD 工具，他們提出了一個提供三個層面服務的運算機輔助設計框架?？蚣艿牡谝粚又С諧AD工具的一體化和仿確實治理，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)的描述和治理，在這一層提供了一個面向?qū)ο蟮慕涌趤磉M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(diào)對多芯片系統(tǒng)的模擬和仿真。Tan

19、ner 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)層面的方法，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)層面方法，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

20、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，而它們之間的關系專門復雜且是非線性的，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)推測封裝熱性能。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)中關于大量的可變參數(shù)不需要進一步的仿真或試驗就能快速給出準確的結(jié)果，提供了快速、準確選擇和設計微電子封裝的指南。與仿確實結(jié)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(shù)。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、費用之間平穩(wěn)。

21、一個CSP 的設計對某些用途是理想的，但對另一些是不行的，需要早期分析工具給出對任何用途的選擇和設計差不多上最好的封裝技術(shù)信息，因此開發(fā)了芯片尺寸封裝設計與評判系統(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，也能夠選擇另一種，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，也能夠選擇另外一種，以在這些方面之間達到最好的平穩(wěn)。當分析終止后，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)絡化時期從 20 世紀 90 年代末至今， 芯片已進展到 UL SI 時期，把裸芯片直截了當安裝在基板上的直截了當芯片安裝 (DCA) 技術(shù)已開始有用，微電子封裝向系統(tǒng)級封裝 (SOP 或 SIP)進展，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電子封裝系統(tǒng)里，這能夠通過單級集成組件 (SLIM) 、三維 (簡稱 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 )而實現(xiàn)，或者向晶圓級封裝(WLP) 技術(shù)進展。封裝 CAD 技術(shù)也進入高度一體化、智能