封裝CAD技術(shù)概述

NEC公司開(kāi)發(fā)了LSI封裝設計的CAD／CAM系統——INCASE，它提供了LSI封裝設計者和LSI芯片設計者一體化的設計環(huán)境。封裝設計者能夠利用INCASE系統有效地設計封裝，芯片設計者能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )從已儲存封裝設計者設計的數據庫中尋找最佳封裝的數據，并能確定哪種封裝最適合于他的芯片。當他找不到滿(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)系統把必要的數據送達封裝設計者。該系統已用于開(kāi)發(fā)ASIC上，可以為同樣的芯片準備不同的封裝。利用該系統可以有效地改善設計流程，減少交貨時(shí)間。

University of Arizona開(kāi)發(fā)了VLSI互連和封裝設計自動(dòng)化的一體化系統PDSE(Packaging Design Support Environment)，可以對微電子封裝結構進(jìn)行分析和設計。PDSE提供了某些熱點(diǎn)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、設計和優(yōu)化(MDAO)軟件，可以分析、反向設計和優(yōu)化二維流體流動(dòng)、熱傳導、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、彈性應力和變形。

Intel公司開(kāi)發(fā)了可以在一個(gè)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——封裝設計顧問(wèn)(Package Design Advisor)，可以使硅器件設計者把封裝的選擇作為他的產(chǎn)品設計流程的一部分，模擬芯片設計對封裝的影響，以及封裝對芯片設計的影響。該軟件用戶(hù)界面不需要輸入詳細的幾何數據，只要有芯片的規范，如芯片尺寸、大概功率、I／0數等就可在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，封裝規范和焊盤(pán)版圖設計指導。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)對封裝的冷卻系統進(jìn)行配置，電學(xué)分析模塊是根據用戶(hù)輸入的緩沖層和母線(xiàn)計算中間和四周所需要的電源和接地引腳數，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(xiàn)模型(微帶線(xiàn)，帶狀線(xiàn)等)的概圖。

LSI Logic公司認為VLSI的出現使互連和封裝結構變得更復雜，對應用模擬和仿真技術(shù)發(fā)展分析和設計的CAD工具需求更為迫切。為了有效地管理設計數據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)的計算機輔助設計框架?？蚣艿牡谝粚又С諧AD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)放在設計數據的描述和管理，在這一層提供了一個(gè)面向對象的接口來(lái)發(fā)展設計資源和包裝CAD工具；框架的第三層是在系統層面上強調對多芯片系統的模擬和仿真。

Tanner Research公司認為高帶寬數字、混合信號和RF系統需要用新方法對IC和高性能封裝進(jìn)行設計，應該在設計的初期就考慮基板和互連的性能。芯片及其封裝的系統層面優(yōu)化要求設計者對芯片和封裝有一個(gè)同步的系統層面的想法，而這就需要同步進(jìn)入芯片和封裝的系統層面優(yōu)化要求設計者對芯片和封裝有一個(gè)同步的系統層面想法，而這就需要同步進(jìn)入芯片封裝的設計數據庫，同步完成IC和封裝的版圖設計，同步仿真和分析，同步分離寄生參數，同步驗證以保證制造成功。除非芯片及其封裝的版圖設計、仿真和驗證的工具是一體化的，否則同步的設計需要就可能延長(cháng)該系統的設計周期。Tanner MCM Pro實(shí)體設計環(huán)境能夠用來(lái)設計IC和MCM系統。

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、幾何參數和工作環(huán)境，而它們之間的關(guān)系非常復雜且是非線(xiàn)性的，由于包括了大量可變的參數，仿真也是耗時(shí)的，故開(kāi)發(fā)了一種可更新的系統預測封裝熱性能。該系統使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )能夠通過(guò)訓練建立一個(gè)相當復雜的非線(xiàn)性模型，在封裝開(kāi)發(fā)中對于大量的可變參數不需要進(jìn)一步的仿真或試驗就能快速給出準確的結果，提供了快速、準確選擇和設計微電子封裝的指南。與仿真的結果相比，誤差在1％以?xún)?，因此?huì )成為一種既經(jīng)濟又有效率的技術(shù)。

Motorola公司認為對一個(gè)給定的IC，封裝的設計要在封裝的尺寸、I／0的布局、電性能與熱性能、費用之間平衡。一個(gè)CSP的設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計都是最好的封裝技術(shù)信息，因此開(kāi)發(fā)了芯片尺寸封裝設計與評價(jià)系統(CSPDES)。用戶(hù)提供IC的信息，再從系統可能的CSP中選擇一種，并選擇互連的方式。

系統就會(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到最好的平衡。當分析結束后，系統出口就會(huì )接通實(shí)際設計的CAD工具，完成封裝的設計過(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，微電子封裝向系統級封裝(SOP或SIP)發(fā)展，即將各類(lèi)元器件、布線(xiàn)、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)電子封裝系統里，這可以通過(guò)單級集成組件(SLIM)、三維(簡(jiǎn)稱(chēng)3D)封裝技術(shù)(過(guò)去的電子封裝系統都是限于xy平面二維電子封裝)而實(shí)現，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(shí)期。

新階段的一體化概念不同于20世紀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(計算機輔助制造)、CAE(計算機輔助工程)、CAPP(計算機輔助工藝過(guò)程)、PDM(產(chǎn)品數據管理)、ERP(企業(yè)資源計劃管理)等系統集成起來(lái)。這些系統如果相互獨立，很難發(fā)揮企業(yè)的整體效益。系統集成的核心問(wèn)題是數據的共享問(wèn)題。系統必須保證數據有效、完整、惟一而且能及時(shí)更新。即使是CAD系統內部，各個(gè)部分共享數據也是一體化的核心問(wèn)題。要解決這個(gè)問(wèn)題，需要將數據格式標準化。目前有很多分析軟件可以直接輸入CAD的SAT格式數據。當前，數據共享問(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。智能設計(Intelligent Design)和基于知識庫系統(Knowledge-basedSystem)的工程是出現在產(chǎn)品處理發(fā)展過(guò)程中的新趨勢。數據庫技術(shù)發(fā)展到數據倉庫(Data Warehouse)又進(jìn)一步發(fā)展到知識庫(Knowledge Repository)，從單純的數據集到應用一定的規則從數據中進(jìn)行知識的挖掘，再到讓數據自身具有自我學(xué)習、積累能力，這是一個(gè)對數據處理、應用逐步深入的過(guò)程。正是由于數據庫技術(shù)的發(fā)展，使得軟件系統高度智能化成為可能。 二維平面設計方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新一代封裝產(chǎn)品的設計要求，基于整體的三維設計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)始應用于CAD中，使三維產(chǎn)品的設計更為直觀(guān)和實(shí)時(shí)，從而使CAD軟件更加易于使用，效率更高。虛擬現實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)也開(kāi)始應用于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)，用以驗證設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(kāi)創(chuàng )了新的空間。局域網(wǎng)和Intranet技術(shù)用于企業(yè)內部，基本上結束了單機應用的歷史，也只有網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展才使得CAD與CAM、CAPP、PDM和ERP等系統實(shí)現一體化成為可能?；ヂ?lián)網(wǎng)和電子商務(wù)的發(fā)展，將重要的商務(wù)系統與關(guān)鍵支持者(客戶(hù)、雇員、供應商、分銷(xiāo)商)連接起來(lái)。為配合電子商務(wù)的發(fā)展，CAD系統必須實(shí)現遠程設計。目前國際上大多數企業(yè)的CAD系統基本能實(shí)現通過(guò)網(wǎng)絡(luò )收集客戶(hù)需求信息，并完成部分設計進(jìn)程。

3 .結束語(yǔ)

強大的需要牽引和計算機軟硬件技術(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)到知識網(wǎng)絡(luò )的綜合應用，從信息孤島到企業(yè)級協(xié)同甚至全球性協(xié)同的轉換。我國封裝行業(yè)面臨著(zhù)巨大的考驗，但這也給我們提供了新的發(fā)展空間。