CAD技术在电子封装中的应用及其发展

CAD技术在电子封装中的应用及其发展

1. 引言

CAD技术起步于20世纪50年代后期。CAD系统的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，产生了巨大的社会经济效益。随着计算机软、硬件技术的发展，CAD技术已发展成为面向产品设计全过程各阶段(包括概念设计、方案设计、详细设计、分析及优化设计、仿真试验定型等阶段)的设计技术。CAD技术作为工程技术的巨大成就，已广泛应用于工程设计的各个领域，特别是微电子领域。CAD技术的进步和革新总是能在很短的时间内体现在微电子领域，并极大地推动其技术进步，反过来，微电子的不断发展也带动了CAD所依赖的计算机软、硬件技术的发展。

电子CAD是CAD技术的一个重要分支，其发展结果是实现电子设计自动化(EDA)。传统上，电子系统或子系统是通过设计者开发新IC芯片、芯片通过封装成为器件、各种元器件再组装到基板上而实现的。它们之间相互制约和相互促进，因而封装CAD技术的发展与芯片CAD技术和组装CAD技术的发展密不可分，互相渗透和融合。芯片CAD技术和基板CAD技术已有不少专文介绍。本文主要介绍封装CAD技术的发展历程。

2 .发展历程

根据计算机软、硬件以及电子封装技术的发展水平，可以将CAD技术在电子封装的应用分以下四个阶段。

2．1 起步阶段

20世纪60、70年代，是CAD软件发展的初始阶段，随着计算机硬件技术的发展，在计算机屏幕上进行绘图变为可行，此时CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介来进行技术交流，是一种二维计算机绘图技术。CAD的含义仅是Computer-Aided Drawing(or Drafting)，而并非现在所说的ComputerAided Design。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，并在以后作为CAD技术的一个分支而相对独立存在。当时的IC芯片集成度较低，人工绘制有几百至几千个晶体管的版图，工作量大，也难以一次成功，因此开始使用CAD技术进行版图设计，并有少数软件程序可以进行逻辑仿真和电路仿真。当时比封装的形式也很有限，双列直插封装(DIP)是中小规模IC电子封装主导产品，并运用通孔安装技术(THT)布置在PCB上。电子封装对CAD技术的需求并不十分强烈，引入CAD主要是解决绘图问题，因而对电子封装来说，CAD技术应用只是起步阶段。那是CAD技术真正得到广泛使用的是PCB，在20世纪80年代以前就出现了一系列用于PCB设计、制造和测试的CAD／CAM系统。借助它们不仅摆脱繁琐、费时、精度低的传统手工绘图，而且缩短交货周期，提高成品率，成本降低50％。据统计，1983年全年设计的PCB有一牛是基于CAD系统。在这一时期，电子CAD作为一个软件产业已逐渐形成，微电子开始进入EDA阶段。

2．2 普遍应用阶段

20世纪80年代是EDA从工作站软件到PC软件迅速发展和普遍应用的阶段。这一时期计算机硬件技术发展十分迅速：32位工作站兴起，网络技术开始发展，计算机硬件性价比不断提高，计算机图形技术也不断进步，这些为CAD软件的发展提供了有利条件。从70年代末开始，芯片的开发应用了各种逻辑电路模拟仿真技术，应用了自动布局、布线工具，实现了LSI的自动设计。组装技术也在基板CAD的支持下向布线图形微细化、结构多层化发展，并开始了从通孔安装技术(THT)向表面安装技术(SMT)发展的进程。这些都构成了对电子封装发展的巨大推动力，要求电子封装的引脚数更多，引脚节距更窄，体积更小，并适合表面安装。原有的两侧布置引脚、引脚数目有限、引脚节距2．54mm、通孔安装的DIP远远不能满足需要。四边引脚扁平封装(QFP)、无引脚陶瓷片式载体(LCCC)、塑料有引脚片式载体(PLCC)等可以采用SMT的四周布置引脚的封装形式应运而生。也出现了封装引脚从四周型到面阵型的改变，如针栅阵列(PGA)封装，这是一种可布置很高引脚数的采用THT的封装形式(后来短引脚的PGA也可以采用SMT)。另一方面，结合着芯片技术和基板技术特点的HIC也对封装提出更高的要求。

对封装来说，随着IC组装密度增加，导致功率密度相应增大，封装热设计逐渐成为一个至关重要的问题。为此，Hitachi公司开发了HISETS(Hitachi Semiconductor Thermal Stength Design System)，该系统将五个程序结合在一起，可对6个重要的封装设计特性进行统一分析，即(1)热阻、(2)热变形、(3)热应力、(4)芯片和基板的热阻、(5)键合层的寿命、(6)应力引起电性能的改变。一个合适的封装结构可以通过模拟反复修改，直到计算结果满足设计规范而很快获得。有限元分析软件与封装CAD技术的结合，开发出交互式计算机热模型，可以在材料、几何、温度改变等不同情况下得出可视的三维图形结果。Wilkes College开发了稳态热分析的CAD软件，可以快速有效地进行热沉设计。通过有限元分析的交互式计算机热模型可以用数字和图形分析带有热沉的多层复合材料的晶体管封装三维传热系统，并可显示几何的改变所导致的整个封装结构细微温度分布情况。

封装设计者面临的另一个问题是在把封装设计付诸制造前如何预测它的电性能，Honeywell Physical Sciences Center开发了一种CAD工具，可以对实际封装结构得到模型进行仿真来分析电性能。在与芯片模型结合后，这些模型可以对整个多层封装进行实时仿真和timing分析，并对其互连性能做出评价。

Mentor Graphics公司用C++语言开发了集封装电、机、热设计为一体的系统，可以通过有限元分析软件对电子封装在强制对流和自然对流情况下进行热分。

在这一时期，对PGA封装的CAD软件和专家系统也有不少介绍。通过在已有IC设计或PCB设计软件基础上增添所缺少的HIC专用功能，也开发了很多HIC专用CAD软件，其中包括HIC封装的CAD软件。Kesslerll／／介绍了Rockwell International公司微波组件的封装使用CAD／CAM进行设计和制造的情况，可以演示从概念到所制出外壳的设计过程。

2.3 一体化和智能化的阶段

20世纪90年代，在计算机和其他领域不断出现新技术，不同领域技术的融合,彻底改善了人机关系，特别是多媒体和虚拟现实等技术出现为CAD工具的模拟与仿真创造了条件，深化了计算机在各个工程领域的应用，电子封装CAD技术也开始进入一体化和智能化的阶段。从80年代末开始，芯片在先进的材料加工技术和EDA的驱动下，特征尺寸不断减小，集成度不断提高，发展到VLSI阶段，SMT也逐渐成为市场的主流。原有的封装形式，如QFP尽管不断缩小引脚节距，甚至达到0．3mm的工艺极限，但仍无法解决需要高达数百乃至上千引脚的各类IC芯片的封装问题。经过封装工作者的努力，研究出焊球阵列(BGA)以及芯片尺寸封装(CSP)解决了长期以来芯片小封装大，封装总是落后芯片发展的问题。另一方面，在HIG基础上研究出多芯片组件(MCM)，它是一种不需要将每个芯片先封装好了再组装到一起，而是将多个LSI、VLSI芯片和其他元器件高密度组装在多层互连基板上，然后封装在同一壳体内的专用电子产品。MCM技术相对于PCB而言有许多优点，比如能从本质上减少互连延迟。但由于组件数量多，各组件和各种性能之间交互作用，也带来了新的问题，使电设计、机械设计、热设计以及模拟仿真等都很复杂，需要把这些问题作为设计过程的一个完整部分对热和信号一起进行分析才能解决。然而，尽管HIC、PCB／MCM和IC的设计规则大体相同，但在不同的设计部门里却往往使用各自的工具工作，这就对CAD工具提出了要一体化版图设计、灵活解决MCM技术问题的要求，也使得芯片、封装与基板CAD在解决问题的过程中更加紧密融合在一起。MCM设计已有不少专著介绍，也有很多专门软件问世，本文不赘述。

在这一时期，封装CAD的研究十分活跃，如美国Aluminium公司的Liu等使用边界元法(BEM)对电子封装进行设计，认为比有限元法(FEM)能更快得出结果。McMaster University的Lu等用三维有限差分时域(3D-FDTD)法从电磁场观点对电子封装问题进行仿真。University of Arizona的Prince]利用模拟和仿真CAD工具对封装和互连进行电设计。Stantord University的Lee等在设计过程的早期阶段使用AVS进行3D可视化处理，可对新的封装技术的可制造性进行分析并可演示产品。CFD Resarch公司的Przekwas等把封装、芯片、PCB和系统的热分析集合在一个模型里，减少了不肯定的边界条件，可以进一步发展成为电子冷却设计工具。Geogia Institute of Technology的Zhou等提出了由模块化FEM(M／FEM)、参数化FEM(P／FEM)和交互FEM(I／FEM)组成的一个新型建模方法(MPI／FEM)进行封装设计。