封裝CAD技術(shù)概述

1. 引言

CAD技術(shù)起步于20世紀50年代后期。CAD系統的發(fā)展和應用使傳統的產(chǎn)品設計方法與生產(chǎn)模式發(fā)生了深刻的變化，產(chǎn)生了巨大的社會(huì )經(jīng)濟效益。隨著(zhù)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)品設計全過(guò)程各階段(包括概念設計、方案設計、詳細設計、分析及優(yōu)化設計、仿真試驗定型等階段)的設計技術(shù)。CAD技術(shù)作為工程技術(shù)的巨大成就，已廣泛應用于工程設計的各個(gè)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(shí)間內體現在微電子領(lǐng)域，并極大地推動(dòng)其技術(shù)進(jìn)步，反過(guò)來(lái)，微電子的不斷發(fā)展也帶動(dòng)了CAD所依賴(lài)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(gè)重要分支，其發(fā)展結果是實(shí)現電子設計自動(dòng)化(EDA)。傳統上，電子系統或子系統是通過(guò)設計者開(kāi)發(fā)新IC芯片、芯片通過(guò)封裝成為器件、各種元器件再組裝到基板上而實(shí)現的。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(zhuān)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)在電子封裝的應用分以下四個(gè)階段。

2．1 起步階段

20世紀60、70年代，是CAD軟件發(fā)展的初始階段，隨著(zhù)計算機硬件技術(shù)的發(fā)展，在計算機屏幕上進(jìn)行繪圖變?yōu)榭尚?，此時(shí)CAD技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是用傳統的三視圖方法來(lái)表達零件，以圖紙為媒介來(lái)進(jìn)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)，而并非現在所說(shuō)的ComputerAided Design。CAD技術(shù)以二維繪圖為主要目標的算法一直持續到70年代末期，并在以后作為CAD技術(shù)的一個(gè)分支而相對獨立存在。當時(shí)的IC芯片集成度較低，人工繪制有幾百至幾千個(gè)晶體管的版圖，工作量大，也難以一次成功，因此開(kāi)始使用CAD技術(shù)進(jìn)行版圖設計，并有少數軟件程序可以進(jìn)行邏輯仿真和電路仿真。當時(shí)比封裝的形式也很有限，雙列直插封裝(DIP)是中小規模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CAD主要是解決繪圖問(wèn)題，因而對電子封裝來(lái)說(shuō)，CAD技術(shù)應用只是起步階段。那是CAD技術(shù)真正得到廣泛使用的是PCB，在20世紀80年代以前就出現了一系列用于PCB設計、制造和測試的CAD／CAM系統。借助它們不僅擺脫繁瑣、費時(shí)、精度低的傳統手工繪圖，而且縮短交貨周期，提高成品率，成本降低50％。據統計，1983年全年設計的PCB有一牛是基于CAD系統。在這一時(shí)期，電子CAD作為一個(gè)軟件產(chǎn)業(yè)已逐漸形成，微電子開(kāi)始進(jìn)入EDA階段。

2．2 普遍應用階段

20世紀80年代是EDA從工作站軟件到PC軟件迅速發(fā)展和普遍應用的階段。這一時(shí)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(kāi)始發(fā)展，計算機硬件性?xún)r(jià)比不斷提高，計算機圖形技術(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(kāi)始，芯片的開(kāi)發(fā)應用了各種邏輯電路模擬仿真技術(shù)，應用了自動(dòng)布局、布線(xiàn)工具，實(shí)現了LSI的自動(dòng)設計。組裝技術(shù)也在基板CAD的支持下向布線(xiàn)圖形微細化、結構多層化發(fā)展，并開(kāi)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。這些都構成了對電子封裝發(fā)展的巨大推動(dòng)力，要求電子封裝的引腳數更多，引腳節距更窄，體積更小，并適合表面安裝。原有的兩側布置引腳、引腳數目有限、引腳節距2．54mm、通孔安裝的DIP遠遠不能滿(mǎn)足需要。四邊引腳扁平封裝(QFP)、無(wú)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運而生。也出現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的采用THT的封裝形式(后來(lái)短引腳的PGA也可以采用SMT)。另一方面，結合著(zhù)芯片技術(shù)和基板技術(shù)特點(diǎn)的HIC也對封裝提出更高的要求。

對封裝來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)IC組裝密度增加，導致功率密度相應增大，封裝熱設計逐漸成為一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。為此，Hitachi公司開(kāi)發(fā)了HISETS(Hitachi Semiconductor Thermal Stength Design System)，該系統將五個(gè)程序結合在一起，可對6個(gè)重要的封裝設計特性進(jìn)行統一分析，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(gè)合適的封裝結構可以通過(guò)模擬反復修改，直到計算結果滿(mǎn)足設計規范而很快獲得。有限元分析軟件與封裝CAD技術(shù)的結合，開(kāi)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果。Wilkes College開(kāi)發(fā)了穩態(tài)熱分析的CAD軟件，可以快速有效地進(jìn)行熱沉設計。通過(guò)有限元分析的交互式計算機熱模型可以用數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，并可顯示幾何的改變所導致的整個(gè)封裝結構細微溫度分布情況。

封裝設計者面臨的另一個(gè)問(wèn)題是在把封裝設計付諸制造前如何預測它的電性能，Honeywell Physical Sciences Center開(kāi)發(fā)了一種CAD工具，可以對實(shí)際封裝結構得到模型進(jìn)行仿真來(lái)分析電性能。在與芯片模型結合后，這些模型可以對整個(gè)多層封裝進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和timing分析，并對其互連性能做出評價(jià)。

Mentor Graphics公司用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了集封裝電、機、熱設計為一體的系統，可以通過(guò)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(jìn)行熱分。

在這一時(shí)期，對PGA封裝的CAD軟件和專(zhuān)家系統也有不少介紹。通過(guò)在已有IC設計或PCB設計軟件基礎上增添所缺少的HIC專(zhuān)用功能，也開(kāi)發(fā)了很多HIC專(zhuān)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)行設計和制造的情況，可以演示從概念到所制出外殼的設計過(guò)程。

2.3 一體化和智能化的階段

20世紀90年代，在計算機和其他領(lǐng)域不斷出現新技術(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實(shí)等技術(shù)出現為CAD工具的模擬與仿真創(chuàng )造了條件，深化了計算機在各個(gè)工程領(lǐng)域的應用，電子封裝CAD技術(shù)也開(kāi)始進(jìn)入一體化和智能化的階段。從80年代末開(kāi)始，芯片在先進(jìn)的材料加工技術(shù)和EDA的驅動(dòng)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(chǎng)的主流。原有的封裝形式，如QFP盡管不斷縮小引腳節距，甚至達到0．3mm的工藝極限，但仍無(wú)法解決需要高達數百乃至上千引腳的各類(lèi)IC芯片的封裝問(wèn)題。經(jīng)過(guò)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(cháng)期以來(lái)芯片小封裝大，封裝總是落后芯片發(fā)展的問(wèn)題。另一方面，在HIG基礎上研究出多芯片組件(MCM)，它是一種不需要將每個(gè)芯片先封裝好了再組裝到一起，而是將多個(gè)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的專(zhuān)用電子產(chǎn)品。MCM技術(shù)相對于PCB而言有許多優(yōu)點(diǎn)，比如能從本質(zhì)上減少互連延遲。但由于組件數量多，各組件和各種性能之間交互作用，也帶來(lái)了新的問(wèn)題，使電設計、機械設計、熱設計以及模擬仿真等都很復雜，需要把這些問(wèn)題作為設計過(guò)程的一個(gè)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的設計規則大體相同，但在不同的設計部門(mén)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MCM技術(shù)問(wèn)題的要求，也使得芯片、封裝與基板CAD在解決問(wèn)題的過(guò)程中更加緊密融合在一起。MCM設計已有不少專(zhuān)著(zhù)介紹，也有很多專(zhuān)門(mén)軟件問(wèn)世，本文不贅述。

在這一時(shí)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)行設計，認為比有限元法(FEM)能更快得出結果。McMaster University的Lu等用三維有限差分時(shí)域(3D-FDTD)法從電磁場(chǎng)觀(guān)點(diǎn)對電子封裝問(wèn)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)行電設計。Stantord University的Lee等在設計過(guò)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和系統的熱分析集合在一個(gè)模型里，減少了不肯定的邊界條件，可以進(jìn)一步發(fā)展成為電子冷卻設計工具。Geogia Institute of Technology的Zhou等提出了由模塊化FEM(M／FEM)、參數化FEM(P／FEM)和交互FEM(I／FEM)組成的一個(gè)新型建模方法(MPI／FEM)進(jìn)行封裝設計。