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(jì)效益。隨著計算機(jī)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)，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(jī)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(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，在計算機(jī)屏幕上進(jìn)行繪圖變?yōu)榭尚校藭rCAD技術(shù)的出發(fā)點是用傳統(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，是一種二維計算機(jī)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(jìn)行版圖設(shè)計，并有少數(shù)軟件程序可以進(jìn)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(yùn)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(qiáng)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(fèi)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(jìn)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(jī)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(jī)硬件性價比不斷提高，計算機(jī)圖形技術(shù)也不斷進(jìn)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(xì)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(jìn)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(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)等可以采用SMT的四周布置引腳的封裝形式應(yīng)運(yùn)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(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(jī)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(jìn)行熱沉設(shè)計。通過有限元分析的交互式計算機(jī)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(jī)、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(qiáng)制對流和自然對流情況下進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)在各個工程領(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階段。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(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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行3D可視化處理，可對新的封裝技術(shù)的可制造性進(jìn)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(jìn)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(jìn)行封裝設(shè)計。