基于陶瓷外壳布线的电气互联属性检查方法研究

郭志伟，刘林杰

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北 石家庄 050051）

0 引言

随着航空航天领域的迅速发展，所应用的电子器件不断微型化、高度集成化，并且可靠性要求越来越高。陶瓷基封装材料是一种常用的电子封装材料，相对于塑料基和金属基，其优势在于：（1）低介电常数，高频性能好；（2）绝缘性好、可靠性高；（3）强度高，热稳定性好；（4）热膨胀系数低，热导率高；（5）气密性好，化学性能稳定；（6）耐湿性好，不易产生微裂现象[1-2]。

集成电路陶瓷外壳的主体部分为陶瓷体，陶瓷体在加工时要经过冲孔、印刷、层压等工艺，其中冲孔、印刷工艺实际上就是将设计好的电子版内部走线图形转化到加工瓷片上的过程。

集成电路陶瓷外壳设计好的内部走线图形，需通过光感材料转移到瓷片上。目前，印刷线路板图像转移所用的感光材料包括：光绘片、重氮复制片（也叫黄片）抗蚀干膜和光固化阻焊油墨等[3]。国内集成电路陶瓷外壳内部布线设计的光绘版加工，多采用CAD 作为输入文件，所以，最终布线多转为CAD 的形式，或者一开始就采用CAD 进行内部布线，然后整理成光绘文件，发给光绘厂家进行光绘版的制作。光绘版制作完成后，再通过丝网印刷将导体图形印制到瓷体单片上。上、下层瓷体单片上的导体图形是通过瓷片上的互联孔实现电气连接，因此，若光绘文件中的布线图形或者互联孔的数量/位置出现了错误，将导致做出的产品在内部电气互联上出现短路或断路，从而造成产品报废，在成本和时间上都形成了损失。因此，在产品生产前，对光绘文件正确性的检查是十分必要的。CAD 软件中是没有将导体布线实现电气连接功能的，因此，如何高效率地对CAD 布线进行检查成了问题。

1 CAD中的检查

陶瓷外壳电气互联的检查，主要是对键合指（芯片PAD 通过键合到陶瓷壳体的键合指上，达到芯片与陶瓷壳体连接的目的）和陶瓷壳体的引出端之间的连接关系进行检查。其次，对于一些要求电镀工艺镀覆的外壳，其电镀工艺线的完整性检查也是十分必要的，每一个电气互联网络都须有至少一根电镀工艺线以实现后期的电镀镀覆工艺，否则无法实现导体表面的镀覆工艺，影响用户的后期安装使用。

首先，可以在CAD 中直接对电气互联布线进行检查，通常遇到的电气互联布线有以下几种情况。

1.1 一对一的电气互联布线

在早期的布线设计中，用户对器件的电性能要求不是太高，对外壳的内部连接要求也基本上是只要连通就好，布线相对简单，基本上只存在一对一的连接关系，即一个键合指只与一个引出端电连接。对于这种布线，我们在检查时，可以将每层的布线图形整合成单独闭合的多段线或面域后，将所有层的布线和互联孔堆叠在一起，从键合指或引出端一侧开始，将图形按照布线走向依次选择，见图1。

上述方法会将这个网络的走向呈现出来，再对照互联关系表核对网络走向是否正确，从而完成了一个网络的检查。按照这个步骤依次将所有的网络检查完毕后，进行下一步每层互联孔和导体图形完整性的检查。

正常情况下，每个导体图形中都应有互联孔连接，每个互连孔都应该有上、下层导体图形的承接，这样才能实现一个电通路。我们用Lxx 表示第xx 层瓷片，按照L1 图形+L1 孔、L1 孔+L2 图形、L2 图形+L2 孔、L2 孔+L3 图形......的顺序依次打开、关闭图层进行检查。若检查过程中，出现导体图形（尤其是过孔的承接托盘）没有上行孔或下行孔，或者互连孔没有承接导体图形的情况，见图2。

第1 种情况说明承接托盘是多余的图形，或者缺少上行孔或者下行孔。第2 种情况说明在此层少了承接导体图形，或者这个互联孔是多余的。若出现上述两种情况，需结合互联关系表进行有针对性地检查，确认具体是属于哪种情况后，再对布线进行修改。

1.2 多对多的电气互联布线

对于存在多对多的电气互联布线（多个键合指和多个引出端之间相互连通，形成一个网络，这种网络多为电源/地），可以从键合指一侧开始，采用对不同网络进行颜色标识的方法进行检查，见图3。

我们可以将不同电源或地的导体图形及图形上对应的互联孔在检查时标识不同的颜色，再按照上文所说的依次打开、关闭图层的检查方法，逐层将对应的孔和图形标识与该网络相同的颜色，同时也对孔和导体图形的完整性进行检查，当出现图4 的情况，则需对出问题的地方进行核查确认。

2 使用其他软件协助检查

上文中使用CAD 直接检查的方法，对于相对简单的布线是有可操作性的，但随着集成电路器件的发展，集成电路芯片也随之发展，对配套陶瓷外壳内部走线要求也提高，反映到壳体的电气互联也是越来越复杂，不再像以前那种简单的电气互联就可以满足用户的使用要求。外壳的键合指数量增加，引出端数增加，内部走线的层数也随之增加。内部走线复杂度的提升，给CAD 布线的检查也带来了困难，对于这种布线比较复杂的情况，在CAD 中检查比较困难，因此，我们采用其他的软件进行协助检查。

2.1 采用电性能通断自动测试软件

这种软件适用于电性能自动测试设备，可以将布线导入该软件，通过一些参数的设置，生成对应的通断测试程序，电性能自动测试设备再根据程序自动对产品进行电气互联通断测试。该软件具有自动生成网络的功能，因此，可以通过这个软件对CAD 布线进行检查。

这个软件虽然可以很直观地对布线的电气互联进行检查，但是其内部布线的连接路径有时候显示是不正确的，只能进行表面导体图形连接正确性的核对。导入程序的前期准备也比较复杂，需对CAD 走线进行一些处理，如图形线段闭合，电源/地布线图形的拆分等。对于布线层数和网络数较多的布线，在前期处理时很容易出现一些不易发现的细节性错误，导致不能一次成功，较为耗时耗力。即使这样，该软件也可以基本满足布线检查的需求。而且该软件的接口文件格式比较灵活，可以是dxf 格式，也可以是art 或verber 等文件。

2.2 采用电磁仿真软件

在对外壳布线进行电性能分析时，我们还会经常用到电磁仿真软件，用于对所需的电阻、电感、电导和电容参数进行提取[4]。若是手中只有CAD 格式的布线文件，也可以使用这类软件协助进行检查，使用该软件进行布线检查的前期准备，需要将布线在CAD 中由2D 图形转化为3D 模型，这个转化过程可以在CAD 中进行。

CAD 中布线绘制界面一般为二维空间，所以要绘制3D 模型，先要将空间转化为“三维建模”模式，在这种模式下，空间中会有X、Y、Z 3 个轴，从而帮助我们定义设计模型的三维方向上的长宽高等具体数据[5]。布线图形被设定在X、Y 平面上，对其在Z 方向上进行拉伸和平移。首先，将每层导体图形在Z 方向上拉伸出厚度，一般将导体厚度设定为15μm，再将每层导体图形按照实际空间上下层的关系在Z 方向上进行平移，使每层导体图形在Z 方向上分开。每层的互联孔同样也进行Z 方向的拉伸，使其形成柱体，再平移至相应两层导体图形之间。需要注意的是相邻层互连孔及导体图形不要有重合的地方，见图5。

将各个层导体图形和互连孔均处理好后，即得到了一个3D 的布线模型，再将图形输出为电磁仿真软件可以识别导入的格式即可。

以某款陶瓷焊盘阵列外壳（CLGA）的布线为例，将其布线转化为3D 模型，见图6。

将此模型导入电磁仿真软件后，见图7。

点击某一个导体图形，即可突出显示与这个图形连接的所有导体图形，也可以十分直观地看到这个导体图形的连接关系，见图8。

由此，可以依次点击所需检查网络的导体图形，再对照着互联关系表，就可以比较快速地完成一个CAD 布线的检查。

该软件相比于电性能通断自动测试软件，它对内部走线的显示是正确的，可以很直观地从X、Y、Z 3 个方向看到每个网络在陶瓷外壳内部的连接路径，而且对于进行一些电气互联的通断分析也是很便捷的。

在上文的介绍中，提到对于一些要求电镀工艺镀覆的外壳，还需对其电镀工艺线的完整性进行检查。用电磁仿真软件协助进行陶瓷外壳电气互联检查的优势还在于，它也可以很直观地对电镀工艺线进行检查。每个有电连接的网络，不仅仅是对于I/O 信号，对于电源/地的电镀工艺线的检查也是十分方便的，它可以直观地看到每一个网络的电镀工艺线的数量和分布位置。因此，使用这种方法电镀工艺线完整性的检查是十分方便的。

3 结语

目前经常用到CAD 进行电气互联布线的绘制和生产加工，因此，CAD 的互联检查还是十分必要的。但还没有一项功能是针对陶瓷外壳CAD 布线的电气互联检查，所以，只能在CAD 中一点地进行检查，或者借助其他手段，影响了工作效率和外壳加工的正确率，因此本文根据工作经历，对目前如何进行CAD 陶瓷外壳电气互联布线的检查做了总结。未来，相关工作者还要探索更便捷的检查方法来提高工作效率和布线设计的准确度。