CAD技術(shù)在電子封裝中的應(yīng)用及其發(fā)展

一些軟件公司為此開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的封裝CAD軟件，有實(shí)力的微電子制造商也在大學(xué)的協(xié)助下或獨(dú)立開(kāi)發(fā)了封裝CAD系統(tǒng)。如1991年University of Utah在IBM公司贊助下為進(jìn)行電子封裝設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)連接著目標(biāo)CAD軟件包和相關(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、ΔI噪聲、電源分配和S-參數(shù)分析等。通過(guò)分別計(jì)算每個(gè)參數(shù)可使設(shè)計(jì)者隔離出問(wèn)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(lái)分析其參數(shù)?？刹季€性分析用來(lái)預(yù)測(cè)布線能力、使互連長(zhǎng)度最小化、減少高頻耦合、降低成本并提高可靠性；熱性能分析程序用來(lái)模擬穩(wěn)態(tài)下傳熱的情況；力學(xué)性能分析用來(lái)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相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)連接成一個(gè)一體化的系統(tǒng)。它為用戶(hù)提供了一個(gè)友好的設(shè)計(jì)界面，它的規(guī)則編輯功能還能不斷地發(fā)展和修改專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，使系統(tǒng)具有推理能力。

NEC公司開(kāi)發(fā)了LSI封裝設(shè)計(jì)的CAD／CAM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(guò)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)中尋找最佳封裝的數(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(mǎn)足要求的封裝時(shí)，需要為此開(kāi)發(fā)新的封裝，并通過(guò)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(kāi)發(fā)ASIC上，可以為同樣的芯片準(zhǔn)備不同的封裝。利用該系統(tǒng)可以有效地改善設(shè)計(jì)流程，減少交貨時(shí)間。

University of Arizona開(kāi)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(Packaging Design Support Environment)，可以對(duì)微電子封裝結(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(kāi)發(fā)和性能、可制造性、可靠性等。

Pennsylvania State University開(kāi)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(MDAO)軟件，可以分析、反向設(shè)計(jì)和優(yōu)化二維流體流動(dòng)、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)考慮流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)、彈性應(yīng)力和變形。

Intel公司開(kāi)發(fā)了可以在一個(gè)CAD工具中對(duì)封裝進(jìn)行力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)分析的軟件――封裝設(shè)計(jì)顧問(wèn)(Package Design Advisor)，可以使硅器件設(shè)計(jì)者把封裝的選擇作為他的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的一部分，模擬芯片設(shè)計(jì)對(duì)封裝的影響，以及封裝對(duì)芯片設(shè)計(jì)的影響。該軟件用戶(hù)界面不需要輸入詳細(xì)的幾何數(shù)據(jù)，只要有芯片的規(guī)范，如芯片尺寸、大概功率、I／0數(shù)等就可在Windows環(huán)境下運(yùn)行。其主要的模塊是：力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)分析，電學(xué)模擬發(fā)生，封裝規(guī)范和焊盤(pán)版圖設(shè)計(jì)指導(dǎo)。力學(xué)模塊是選擇和檢查為不同種類(lèi)封裝和組裝要求所允許的最大和最小芯片尺寸，熱學(xué)模塊是計(jì)算θja和叭，并使用戶(hù)在一個(gè)具體用途中(散熱片尺寸，空氣流速等)對(duì)封裝的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行配置，電學(xué)分析模塊是根據(jù)用戶(hù)輸入的緩沖層和母線計(jì)算中間和四周所需要的電源和接地引腳數(shù)，電學(xué)模擬部分產(chǎn)生封裝和用戶(hù)指定的要在電路仿真中使用的傳輸線模型(微帶線，帶狀線等)的概圖。

LSI Logic公司認(rèn)為VLSI的出現(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)發(fā)展分析和設(shè)計(jì)的CAD工具需求更為迫切。為了有效地管理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和涉及電子封裝模擬和仿真的CAD工具，他們提出了一個(gè)提供三個(gè)層面服務(wù)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)框架。框架的第一層支持CAD工具的一體化和仿真的管理，該層為仿真環(huán)境提供了一個(gè)通用的圖形用戶(hù)界面；第二層的重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的描述和管理，在這一層提供了一個(gè)面向?qū)ο蟮慕涌趤?lái)發(fā)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。

Tanner Research公司認(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)層面的想法，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)層面想法，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。Tanner MCM Pro實(shí)體設(shè)計(jì)環(huán)境能夠用來(lái)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)系非常復(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(kāi)發(fā)了一種可更新的系統(tǒng)預(yù)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(guò)訓(xùn)練建立一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的非線性模型，在封裝開(kāi)發(fā)中對(duì)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。與仿真的結(jié)果相比，誤差在1％以?xún)?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、I／0的布局、電性能與熱性能、費(fèi)用之間平衡。一個(gè)CSP的設(shè)計(jì)對(duì)某些用途是理想的，但對(duì)另一些是不好的，需要早期分析工具給出對(duì)任何用途的選擇和設(shè)計(jì)都是最好的封裝技術(shù)信息，因此開(kāi)發(fā)了芯片尺寸封裝設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)(CSPDES)。用戶(hù)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(hù)使用條件下的電性能與熱性能，也可以選擇另一種，并選擇互連的方式。系統(tǒng)就會(huì)提供用戶(hù)使用條件下的電性能與熱性能，也可以選擇另外一種，以在這些方面之間達(dá)到最好的平衡。當(dāng)分析結(jié)束后，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(guò)程。

2.4 高度一體化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化階段

從20世紀(jì)90年代末至今，芯片已發(fā)展到UL SI階段，把裸芯片直接安裝在基板上的直接芯片安裝(DCA)技術(shù)已開(kāi)始實(shí)用，微電子封裝向系統(tǒng)級(jí)封裝(SOP或SIP)發(fā)展，即將各類(lèi)元器件、布線、介質(zhì)以及各種通用比芯片和專(zhuān)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，這可以通過(guò)單級(jí)集成組件(SLIM)、三維(簡(jiǎn)稱(chēng)3D)封裝技術(shù)(過(guò)去的電子封裝系統(tǒng)都是限于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)發(fā)展。封裝CAD技術(shù)也進(jìn)入高度一體化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的新時(shí)期。

新階段的一體化概念不同于20世紀(jì)90年代初提出的一體化。此時(shí)的一體化已經(jīng)不僅僅是將各種不同的CAD工具集成起來(lái)，而且還要將CAD與CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)、CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)、CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程)、PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)、ERP(企業(yè)資源計(jì)劃管理)等系統(tǒng)集成起來(lái)。這些系統(tǒng)如果相互獨(dú)立，很難發(fā)揮企業(yè)的整體效益。系統(tǒng)集成的核心問(wèn)題是數(shù)據(jù)的共享問(wèn)題。系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)有效、完整、惟一而且能及時(shí)更新。即使是CAD系統(tǒng)內(nèi)部，各個(gè)部分共享數(shù)據(jù)也是一體化的核心問(wèn)題。要解決這個(gè)問(wèn)題，需要將數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化。目前有很多分析軟件可以直接輸入CAD的SAT格式數(shù)據(jù)。當(dāng)前，數(shù)據(jù)共享問(wèn)題仍然是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

智能CAD是CAD發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計(jì)(Intelligent Design)和基于知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)(Knowledge-basedSystem)的工程是出現(xiàn)在產(chǎn)品處理發(fā)展過(guò)程中的新趨勢(shì)。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)發(fā)展到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)(Data Warehouse)又進(jìn)一步發(fā)展到知識(shí)庫(kù)(Knowledge Repository)，從單純的數(shù)據(jù)集到應(yīng)用一定的規(guī)則從數(shù)據(jù)中進(jìn)行知識(shí)的挖掘，再到讓數(shù)據(jù)自身具有自我學(xué)習(xí)、積累能力，這是一個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用逐步深入的過(guò)程。正是由于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，使得軟件系統(tǒng)高度智能化成為可能。 二維平面設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新一代封裝產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，基于整體的三維設(shè)計(jì)CAD工具開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。超變量幾何技術(shù)(Variational Geometry extended，VGX)開(kāi)始應(yīng)用于CAD中，使三維產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更為直觀和實(shí)時(shí)，從而使CAD軟件更加易于使用，效率更高。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于CAD中，可以用來(lái)進(jìn)行各類(lèi)可視化模擬(如電性能、熱性能分析等)，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展又給電子封裝CAD的發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了新的空間。局域網(wǎng)和Intranet技術(shù)用于企業(yè)內(nèi)部，基本上結(jié)束了單機(jī)應(yīng)用的歷史，也只有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展才使得CAD與CAM、CAPP、PDM和ERP等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化成為可能。互聯(lián)網(wǎng)和電子商務(wù)的發(fā)展，將重要的商務(wù)系統(tǒng)與關(guān)鍵支持者(客戶(hù)、雇員、供應(yīng)商、分銷(xiāo)商)連接起來(lái)。為配合電子商務(wù)的發(fā)展，CAD系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)。目前國(guó)際上大多數(shù)企業(yè)的CAD系統(tǒng)基本能實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收集客戶(hù)需求信息，并完成部分設(shè)計(jì)進(jìn)程。

3 .結(jié)束語(yǔ)

強(qiáng)大的需要牽引和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展會(huì)給電子封裝CAD提出新的要求。不難想象，電子封裝CAD將很快完成從單點(diǎn)技術(shù)到知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的綜合應(yīng)用，從信息孤島到企業(yè)級(jí)協(xié)同甚至全球性協(xié)同的轉(zhuǎn)換。我國(guó)封裝行業(yè)面臨著巨大的考驗(yàn)，但這也給我們提供了新的發(fā)展空間。