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CAD技術在電子封裝中的有哪些應用

壹些軟件公司為此開發了專門的封裝CAD軟件,有實力的微電子制造商也在大學的協助下或獨立開發了封裝CAD系統。如1991年University of Utah在IBM公司贊助下為進行電子封裝設計開發了壹個連接著目標CAD軟件包和相關數據庫的知識庫系統。電性能分析包括串擾分析、ΔI噪聲、電源分配和S-參數分析等。通過分別計算每個參數可使設計者隔離出問題的起源並獨立對每個設計參數求解。每壹個部分都有壹個獨立的軟件包或者壹套設計規則來分析其參數。可布線性分析用來預測布線能力、使互連長度最小化、減少高頻耦合、降低成本並提高可靠性;熱性能分析程序用來模擬穩態下傳熱的情況;力學性能分析用來處理封裝件在不同溫度下的力學行為;最後由壹個知識庫系統外殼將上述分析工具和相關的數據庫連接成壹個壹體化的系統。它為用戶提供了壹個友好的設計界面,它的規則編輯功能還能不斷地發展和修改專家系統的知識庫,使系統具有推理能力。

NEC公司開發了LSI封裝設計的CAD/CAM系統——INCASE,它提供了LSI封裝設計者和LSI芯片設計者壹體化的設計環境。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網絡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,並能確定哪種封裝最適合於他的芯片。當他找不到滿足要求的封裝時,需要為此開發新的封裝,並通過系統把必要的數據送達封裝設計者。該系統已用於開發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,減少交貨時間。

University of Arizona開發了VLSI互連和封裝設計自動化的壹體化系統PDSE(Packaging Design Support Environment),可以對微電子封裝結構進行分析和設計。PDSE提供了某些熱點研究領域的工作平臺,包括互連和封裝形式以及電、熱、電-機械方面的仿真,CAD框架的開發和性能、可制造性、可靠性等。

Pennsylvania State University開發了電子封裝的交互式多學科分析、設計和優化(MDA&O)軟件,可以分析、反向設計和優化二維流體流動、熱傳導、靜電學、磁流體動力學、電流體動力學和彈性力學,同時考慮流體流動、熱傳導、彈性應力和變形。

Intel公司開發了可以在壹個CAD工具中對封裝進行力學、電學和熱學分析的軟件——封裝設計顧問(Package Design Advisor),可以使矽器件設計者把封裝的選擇作為他的產品設計流程的壹部分,模擬芯片設計對封裝的影響,以及封裝對芯片設計的影響。該軟件用戶界面不需要輸入詳細的幾何數據,只要有芯片的規範,如芯片尺寸、大概功率、I/0數等就可在Windows環境下運行。其主要的模塊是:力學、電學和熱學分析,電學模擬發生,封裝規範和焊盤版圖設計指導。力學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,熱學模塊是計算θja和叭,並使用戶在壹個具體用途中(散熱片尺寸,空氣流速等)對封裝的冷卻系統進行配置,電學分析模塊是根據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,電學模擬部分產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發展分析和設計的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,他們提出了壹個提供三個層面服務的計算機輔助設計框架。框架的第壹層支持CAD工具的壹體化和仿真的管理,該層為仿真環境提供了壹個通用的圖形用戶界面;第二層的重點放在設計數據的描述和管理,在這壹層提供了壹個面向對象的接口來發展設計資源和包裝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化要求設計者對芯片和封裝有壹個同步的系統層面的想法,而這就需要同步進入芯片和封裝的系統層面優化要求設計者對芯片和封裝有壹個同步的系統層面想法,而這就需要同步進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壹體化的,否則同步的設計需要就可能延長該系統的設計周期。Tanner MCM Pro實體設計環境能夠用來設計IC和MCM系統。

Samsung公司考慮到微電子封裝的熱性能完全取決於所用材料的性能、幾何參數和工作環境,而它們之間的關系非常復雜且是非線性的,由於包括了大量可變的參數,仿真也是耗時的,故開發了壹種可更新的系統預測封裝熱性能。該系統使用的神經網絡能夠通過訓練建立壹個相當復雜的非線性模型,在封裝開發中對於大量的可變參數不需要進壹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%以內,因此會成為壹種既經濟又有效率的技術。

Motorola公司認為對壹個給定的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。壹個CSP的設計對某些用途是理想的,但對另壹些是不好的,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信息,因此開發了芯片尺寸封裝設計與評價系統(CSPDES)。用戶提供IC的信息,再從系統可能的CSP中選擇壹種,並選擇互連的方式。

系統就會提供用戶使用條件下的電性能與熱性能,也可以選擇另壹種,並選擇互連的方式。系統就會提供用戶使用條件下的電性能與熱性能,也可以選擇另外壹種,以在這些方面之間達到最好的平衡。當分析結束後,系統出口就會接通實際設計的CAD工具,完成封裝的設計過程。

2.4 高度壹體化、智能化和網絡化階段

從20世紀90年代末至今,芯片已發展到UL SI階段,把裸芯片直接安裝在基板上的直接芯片安裝(DCA)技術已開始實用,微電子封裝向系統級封裝(SOP或SIP)發展,即將各類元器件、布線、介質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壹個電子封裝系統裏,這可以通過單級集成組件(SLIM)、三維(簡稱3D)封裝技術(過去的電子封裝系統都是限於xy平面二維電子封裝)而實現,或者向晶圓級封裝(WLP)技術發展。封裝CAD技術也進入高度壹體化、智能化和網絡化的新時期。

新階段的壹體化概念不同於20世紀90年代初提出的壹體化。此時的壹體化已經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(計算機輔助制造)、CAE(計算機輔助工程)、CAPP(計算機輔助工藝過程)、PDM(產品數據管理)、ERP(企業資源計劃管理)等系統集成起來。這些系統如果相互獨立,很難發揮企業的整體效益。系統集成的核心問題是數據的***享問題。系統必須保證數據有效、完整、惟壹而且能及時更新。即使是CAD系統內部,各個部分***享數據也是壹體化的核心問題。要解決這個問題,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***享問題仍然是研究的壹個熱點。

智能CAD是CAD發展的必然方向。智能設計(Intelligent Design)和基於知識庫系統(Knowledge-basedSystem)的工程是出現在產品處理發展過程中的新趨勢。數據庫技術發展到數據倉庫(Data Warehouse)又進壹步發展到知識庫(Knowledge Repository),從單純的數據集到應用壹定的規則從數據中進行知識的挖掘,再到讓數據自身具有自我學習、積累能力,這是壹個對數據處理、應用逐步深入的過程。正是由於數據庫技術的發展,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無法滿足新壹代封裝產品的設計要求,基於整體的三維設計CAD工具開始發展起來。超變量幾何技術(Variational Geometry extended,VGX)開始應用於CAD中,使三維產品的設計更為直觀和實時,從而使CAD軟件更加易於使用,效率更高。虛擬現實(Virtual Reality,VR)技術也開始應用於CAD中,可以用來進行各類可視化模擬(如電性能、熱性能分析等),用以驗證設計的正確性和可行性。

網絡技術的發展又給電子封裝CAD的發展開創了新的空間。局域網和Intranet技術用於企業內部,基本上結束了單機應用的歷史,也只有網絡技術的發展才使得CAD與CAM、CAPP、PDM和ERP等系統實現壹體化成為可能。互聯網和電子商務的發展,將重要的商務系統與關鍵支持者(客戶、雇員、供應商、分銷商)連接起來。為配合電子商務的發展,CAD系統必須實現遠程設計。目前國際上大多數企業的CAD系統基本能實現通過網絡收集客戶需求信息,並完成部分設計進程。

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