CAD技術(shù)在電子封裝中的應(yīng)用及其發(fā)展

CAD技術(shù)在電子封裝中的應(yīng)用及其發(fā)展

1. 引言

CAD技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代后期。CAD系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)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(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已發(fā)展成為面向產(chǎn)品設(shè)計全過程各階段(包括概念設(shè)計、方案設(shè)計、詳細設(shè)計、分析及優(yōu)化設(shè)計、仿真試驗定型等階段)的設(shè)計技術(shù)。CAD技術(shù)作為工程技術(shù)的巨大成就，已廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計的各個領(lǐng)域，特別是微電子領(lǐng)域。CAD技術(shù)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(lǐng)域，并極大地推動其技術(shù)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(shù)的發(fā)展。

電子CAD是CAD技術(shù)的一個重要分支，其發(fā)展結(jié)果是實現(xiàn)電子設(shè)計自動化(EDA)。傳統(tǒng)上，電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)是通過設(shè)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(shù)的發(fā)展與芯片CAD技術(shù)和組裝CAD技術(shù)的發(fā)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)已有不少專文介紹。本文主要介紹封裝CAD技術(shù)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(shù)的發(fā)展水平，可以將CAD技術(shù)在電子封裝的應(yīng)用分以下四個階段。

2．1 起步階段

20世紀(jì)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(shù)的發(fā)展，在計算機屏幕上進行繪圖變?yōu)榭尚?，此時CAD技術(shù)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(shù)交流，是一種二維計算機繪圖技術(shù)。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(shù)以二維繪圖為主要目標(biāo)的算法一直持續(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(dāng)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(shè)計，并有少數(shù)軟件程序可以進行邏輯仿真和電路仿真。當(dāng)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(dǎo)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CAD主要是解決繪圖問題，因而對電子封裝來說，CAD技術(shù)應(yīng)用只是起步階段。那是CAD技術(shù)真正得到廣泛使用的是PCB，在20世紀(jì)80年代以前就出現(xiàn)了一系列用于PCB設(shè)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(shè)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(yīng)用階段

20世紀(jì)80年代是EDA從工作站軟件到PC軟件迅速發(fā)展和普遍應(yīng)用的階段。這一時期計算機硬件技術(shù)發(fā)展十分迅速：32位工作站興起，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始發(fā)展，計算機硬件性價比不斷提高，計算機圖形技術(shù)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(yīng)用了各種邏輯電路模擬仿真技術(shù)，應(yīng)用了自動布局、布線工具，實現(xiàn)了LSI的自動設(shè)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)多層化發(fā)展，并開始了從通孔安裝技術(shù)(THT)向表面安裝技術(shù)(SMT)發(fā)展的進程。這些都構(gòu)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(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(yīng)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(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。

對封裝來說，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)計逐漸成為一個至關(guān)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(jié)合在一起，可對6個重要的封裝設(shè)計特性進行統(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。一個合適的封裝結(jié)構(gòu)可以通過模擬反復(fù)修改，直到計算結(jié)果滿足設(shè)計規(guī)范而很快獲得。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(jié)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(shè)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(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)致的整個封裝結(jié)構(gòu)細微溫度分布情況。

封裝設(shè)計者面臨的另一個問題是在把封裝設(shè)計付諸制造前如何預(yù)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(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(shè)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(shè)計或PCB設(shè)計軟件基礎(chǔ)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(shè)計和制造的情況，可以演示從概念到所制出外殼的設(shè)計過程。

2.3 一體化和智能化的階段

20世紀(jì)90年代，在計算機和其他領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新技術(shù)，不同領(lǐng)域技術(shù)的融合,徹底改善了人機關(guān)系，特別是多媒體和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)用，電子封裝CAD技術(shù)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(shù)和EDA的驅(qū)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(chǔ)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(shù)相對于PCB而言有許多優(yōu)點，比如能從本質(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，也帶來了新的問題，使電設(shè)計、機械設(shè)計、熱設(shè)計以及模擬仿真等都很復(fù)雜，需要把這些問題作為設(shè)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(shè)計規(guī)則大體相同，但在不同的設(shè)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(shè)計、靈活解決MCM技術(shù)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(shè)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(shè)計，認(rèn)為比有限元法(FEM)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(shè)計。Stantord University的Lee等在設(shè)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(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，減少了不肯定的邊界條件，可以進一步發(fā)展成為電子冷卻設(shè)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(shè)計。