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發(fā)了專門的封裝CAD軟件，有實力的微電子制造商也在大學(xué)的協(xié)助下或獨立開發(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)計開發(fā)了一個連接著目標(biāo)CAD軟件包和相關(guān)數(shù)據(jù)庫的知識庫系統(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。通過分別計算每個參數(shù)可使設(shè)計者隔離出問題的起源并獨立對每個設(shè)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(shè)計規(guī)則來分析其參數(shù)。可布線性分析用來預(yù)測布線能力、使互連長度最小化、減少高頻耦合、降低成本并提高可靠性；熱性能分析程序用來模擬穩(wěn)態(tài)下傳熱的情況；力學(xué)性能分析用來處理封裝件在不同溫度下的力學(xué)行為；最后由一個知識庫系統(tǒng)外殼將上述分析工具和相關(guān)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(shè)計界面，它的規(guī)則編輯功能還能不斷地發(fā)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(shè)計的CAD／CAM系統(tǒng)――INCASE，它提供了LSI封裝設(shè)計者和LSI芯片設(shè)計者一體化的設(shè)計環(huán)境。封裝設(shè)計者能夠利用INCASE系統(tǒng)有效地設(shè)計封裝，芯片設(shè)計者能夠通過網(wǎng)絡(luò)從已儲存封裝設(shè)計者設(shè)計的數(shù)據(jù)庫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(dá)封裝設(shè)計者。該系統(tǒng)已用于開發(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)計流程，減少交貨時間。

University of Arizona開發(fā)了VLSI互連和封裝設(shè)計自動化的一體化系統(tǒng)PDSE(Packaging Design Support Environment)，可以對微電子封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計。PDSE提供了某些熱點研究領(lǐng)域的工作平臺，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(xué)科分析、設(shè)計和優(yōu)化(MDAO)軟件，可以分析、反向設(shè)計和優(yōu)化二維流體流動、熱傳導(dǎo)、靜電學(xué)、磁流體動力學(xué)、電流體動力學(xué)和彈性力學(xué)，同時考慮流體流動、熱傳導(dǎo)、彈性應(yīng)力和變形。

Intel公司開發(fā)了可以在一個CAD工具中對封裝進(jìn)行力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)分析的軟件――封裝設(shè)計顧問(Package Design Advisor)，可以使硅器件設(shè)計者把封裝的選擇作為他的產(chǎn)品設(shè)計流程的一部分，模擬芯片設(shè)計對封裝的影響，以及封裝對芯片設(shè)計的影響。該軟件用戶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)范和焊盤版圖設(shè)計指導(dǎo)。力學(xué)模塊是選擇和檢查為不同種類封裝和組裝要求所允許的最大和最小芯片尺寸，熱學(xué)模塊是計算θja和叭，并使用戶在一個具體用途中(散熱片尺寸，空氣流速等)對封裝的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行配置，電學(xué)分析模塊是根據(jù)用戶輸入的緩沖層和母線計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，對應(yīng)用模擬和仿真技術(shù)發(fā)展分析和設(shè)計的CAD工具需求更為迫切。為了有效地管理設(shè)計數(shù)據(jù)和涉及電子封裝模擬和仿真的CAD工具，他們提出了一個提供三個層面服務(wù)的計算機(jī)輔助設(shè)計框架。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)境提供了一個通用的圖形用戶界面；第二層的重點放在設(shè)計數(shù)據(jù)的描述和管理，在這一層提供了一個面向?qū)ο蟮慕涌趤?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/發(fā)展">發(fā)展設(shè)計資源和包裝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、混合信號和RF系統(tǒng)需要用新方法對IC和高性能封裝進(jìn)行設(shè)計，應(yīng)該在設(shè)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(shè)計者對芯片和封裝有一個同步的系統(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)計者對芯片和封裝有一個同步的系統(tǒng)層面想法，而這就需要同步進(jìn)入芯片封裝的設(shè)計數(shù)據(jù)庫，同步完成IC和封裝的版圖設(shè)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(shè)計、仿真和驗證的工具是一體化的，否則同步的設(shè)計需要就可能延長該系統(tǒng)的設(shè)計周期。Tanner MCM Pro實體設(shè)計環(huán)境能夠用來設(shè)計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)，仿真也是耗時的，故開發(fā)了一種可更新的系統(tǒng)預(yù)測封裝熱性能。該系統(tǒng)使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過訓(xùn)練建立一個相當(dāng)復(fù)雜的非線性模型，在封裝開發(fā)中對于大量的可變參數(shù)不需要進(jìn)一步的仿真或試驗就能快速給出準(zhǔn)確的結(jié)果，提供了快速、準(zhǔn)確選擇和設(shè)計微電子封裝的指南。與仿真的結(jié)果相比，誤差在1％以內(nèi)，因此會成為一種既經(jīng)濟(jì)又有效率的技術(shù)。

Motorola公司認(rèn)為對一個給定的IC，封裝的設(shè)計要在封裝的尺寸、I／0的布局、電性能與熱性能、費用之間平衡。一個CSP的設(shè)計對某些用途是理想的，但對另一些是不好的，需要早期分析工具給出對任何用途的選擇和設(shè)計都是最好的封裝技術(shù)信息，因此開發(fā)了芯片尺寸封裝設(shè)計與評價系統(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，也可以選擇另一種，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)出口就會接通實際設(shè)計的CAD工具，完成封裝的設(shè)計過程。

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)已開始實用，微電子封裝向系統(tǒng)級封裝(SOP或SIP)發(fā)展，即將各類元器件、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，這可以通過單級集成組件(SLIM)、三維(簡稱3D)封裝技術(shù)(過去的電子封裝系統(tǒng)都是限于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)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。此時的一體化已經(jīng)不僅僅是將各種不同的CAD工具集成起來，而且還要將CAD與CAM(計算機(jī)輔助制造)、CAE(計算機(jī)輔助工程)、CAPP(計算機(jī)輔助工藝過程)、PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)、ERP(企業(yè)資源計劃管理)等系統(tǒng)集成起來。這些系統(tǒng)如果相互獨立，很難發(fā)揮企業(yè)的整體效益。系統(tǒng)集成的核心問題是數(shù)據(jù)的共享問題。系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)有效、完整、惟一而且能及時更新。即使是CAD系統(tǒng)內(nèi)部，各個部分共享數(shù)據(jù)也是一體化的核心問題。要解決這個問題，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)共享問題仍然是研究的一個熱點。

智能CAD是CAD發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計(Intelligent Design)和基于知識庫系統(tǒng)(Knowledge-basedSystem)的工程是出現(xiàn)在產(chǎn)品處理發(fā)展過程中的新趨勢。數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展到數(shù)據(jù)倉庫(Data Warehouse)又進(jìn)一步發(fā)展到知識庫(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，這是一個對數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用逐步深入的過程。正是由于數(shù)據(jù)庫技術(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)計方法已經(jīng)無法滿足新一代封裝產(chǎn)品的設(shè)計要求，基于整體的三維設(shè)計CAD工具開始發(fā)展起來。超變量幾何技術(shù)(Variational Geometry extended，VGX)開始應(yīng)用于CAD中，使三維產(chǎn)品的設(shè)計更為直觀和實時，從而使CAD軟件更加易于使用，效率更高。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術(shù)也開始應(yīng)用于CAD中，可以用來進(jìn)行各類可視化模擬(如電性能、熱性能分析等)，用以驗證設(shè)計的正確性和可行性。

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、雇員、供應(yīng)商、分銷商)連接起來。為配合電子商務(wù)的發(fā)展，CAD系統(tǒng)必須實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)計。目前國際上大多數(shù)企業(yè)的CAD系統(tǒng)基本能實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)收集客戶需求信息，并完成部分設(shè)計進(jìn)程。

3 .結(jié)束語

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