基于陶瓷外殼布線的電氣互聯(lián)屬性檢查方法研究

郭志偉，劉林杰

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北 石家莊 050051）

0 引言

隨著航空航天領(lǐng)域的迅速發(fā)展，所應(yīng)用的電子器件不斷微型化、高度集成化，并且可靠性要求越來越高。陶瓷基封裝材料是一種常用的電子封裝材料，相對(duì)于塑料基和金屬基，其優(yōu)勢(shì)在于：（1）低介電常數(shù)，高頻性能好；（2）絕緣性好、可靠性高；（3）強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好；（4）熱膨脹系數(shù)低，熱導(dǎo)率高；（5）氣密性好，化學(xué)性能穩(wěn)定；（6）耐濕性好，不易產(chǎn)生微裂現(xiàn)象[1-2]。

集成電路陶瓷外殼的主體部分為陶瓷體，陶瓷體在加工時(shí)要經(jīng)過沖孔、印刷、層壓等工藝，其中沖孔、印刷工藝實(shí)際上就是將設(shè)計(jì)好的電子版內(nèi)部走線圖形轉(zhuǎn)化到加工瓷片上的過程。

集成電路陶瓷外殼設(shè)計(jì)好的內(nèi)部走線圖形，需通過光感材料轉(zhuǎn)移到瓷片上。目前，印刷線路板圖像轉(zhuǎn)移所用的感光材料包括：光繪片、重氮復(fù)制片（也叫黃片）抗蝕干膜和光固化阻焊油墨等[3]。國內(nèi)集成電路陶瓷外殼內(nèi)部布線設(shè)計(jì)的光繪版加工，多采用CAD 作為輸入文件，所以，最終布線多轉(zhuǎn)為CAD 的形式，或者一開始就采用CAD 進(jìn)行內(nèi)部布線，然后整理成光繪文件，發(fā)給光繪廠家進(jìn)行光繪版的制作。光繪版制作完成后，再通過絲網(wǎng)印刷將導(dǎo)體圖形印制到瓷體單片上。上、下層瓷體單片上的導(dǎo)體圖形是通過瓷片上的互聯(lián)孔實(shí)現(xiàn)電氣連接，因此，若光繪文件中的布線圖形或者互聯(lián)孔的數(shù)量/位置出現(xiàn)了錯(cuò)誤，將導(dǎo)致做出的產(chǎn)品在內(nèi)部電氣互聯(lián)上出現(xiàn)短路或斷路，從而造成產(chǎn)品報(bào)廢，在成本和時(shí)間上都形成了損失。因此，在產(chǎn)品生產(chǎn)前，對(duì)光繪文件正確性的檢查是十分必要的。CAD 軟件中是沒有將導(dǎo)體布線實(shí)現(xiàn)電氣連接功能的，因此，如何高效率地對(duì)CAD 布線進(jìn)行檢查成了問題。

1 CAD中的檢查

陶瓷外殼電氣互聯(lián)的檢查，主要是對(duì)鍵合指（芯片PAD 通過鍵合到陶瓷殼體的鍵合指上，達(dá)到芯片與陶瓷殼體連接的目的）和陶瓷殼體的引出端之間的連接關(guān)系進(jìn)行檢查。其次，對(duì)于一些要求電鍍工藝鍍覆的外殼，其電鍍工藝線的完整性檢查也是十分必要的，每一個(gè)電氣互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)都須有至少一根電鍍工藝線以實(shí)現(xiàn)后期的電鍍鍍覆工藝，否則無法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體表面的鍍覆工藝，影響用戶的后期安裝使用。

首先，可以在CAD 中直接對(duì)電氣互聯(lián)布線進(jìn)行檢查，通常遇到的電氣互聯(lián)布線有以下幾種情況。

1.1 一對(duì)一的電氣互聯(lián)布線

在早期的布線設(shè)計(jì)中，用戶對(duì)器件的電性能要求不是太高，對(duì)外殼的內(nèi)部連接要求也基本上是只要連通就好，布線相對(duì)簡單，基本上只存在一對(duì)一的連接關(guān)系，即一個(gè)鍵合指只與一個(gè)引出端電連接。對(duì)于這種布線，我們?cè)跈z查時(shí)，可以將每層的布線圖形整合成單獨(dú)閉合的多段線或面域后，將所有層的布線和互聯(lián)孔堆疊在一起，從鍵合指或引出端一側(cè)開始，將圖形按照布線走向依次選擇，見圖1。

上述方法會(huì)將這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的走向呈現(xiàn)出來，再對(duì)照互聯(lián)關(guān)系表核對(duì)網(wǎng)絡(luò)走向是否正確，從而完成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的檢查。按照這個(gè)步驟依次將所有的網(wǎng)絡(luò)檢查完畢后，進(jìn)行下一步每層互聯(lián)孔和導(dǎo)體圖形完整性的檢查。

正常情況下，每個(gè)導(dǎo)體圖形中都應(yīng)有互聯(lián)孔連接，每個(gè)互連孔都應(yīng)該有上、下層導(dǎo)體圖形的承接，這樣才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)電通路。我們用Lxx 表示第xx 層瓷片，按照L1 圖形+L1 孔、L1 孔+L2 圖形、L2 圖形+L2 孔、L2 孔+L3 圖形......的順序依次打開、關(guān)閉圖層進(jìn)行檢查。若檢查過程中，出現(xiàn)導(dǎo)體圖形（尤其是過孔的承接托盤）沒有上行孔或下行孔，或者互連孔沒有承接導(dǎo)體圖形的情況，見圖2。

第1 種情況說明承接托盤是多余的圖形，或者缺少上行孔或者下行孔。第2 種情況說明在此層少了承接導(dǎo)體圖形，或者這個(gè)互聯(lián)孔是多余的。若出現(xiàn)上述兩種情況，需結(jié)合互聯(lián)關(guān)系表進(jìn)行有針對(duì)性地檢查，確認(rèn)具體是屬于哪種情況后，再對(duì)布線進(jìn)行修改。

1.2 多對(duì)多的電氣互聯(lián)布線

對(duì)于存在多對(duì)多的電氣互聯(lián)布線（多個(gè)鍵合指和多個(gè)引出端之間相互連通，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)多為電源/地），可以從鍵合指一側(cè)開始，采用對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行顏色標(biāo)識(shí)的方法進(jìn)行檢查，見圖3。

我們可以將不同電源或地的導(dǎo)體圖形及圖形上對(duì)應(yīng)的互聯(lián)孔在檢查時(shí)標(biāo)識(shí)不同的顏色，再按照上文所說的依次打開、關(guān)閉圖層的檢查方法，逐層將對(duì)應(yīng)的孔和圖形標(biāo)識(shí)與該網(wǎng)絡(luò)相同的顏色，同時(shí)也對(duì)孔和導(dǎo)體圖形的完整性進(jìn)行檢查，當(dāng)出現(xiàn)圖4 的情況，則需對(duì)出問題的地方進(jìn)行核查確認(rèn)。

2 使用其他軟件協(xié)助檢查

上文中使用CAD 直接檢查的方法，對(duì)于相對(duì)簡單的布線是有可操作性的，但隨著集成電路器件的發(fā)展，集成電路芯片也隨之發(fā)展，對(duì)配套陶瓷外殼內(nèi)部走線要求也提高，反映到殼體的電氣互聯(lián)也是越來越復(fù)雜，不再像以前那種簡單的電氣互聯(lián)就可以滿足用戶的使用要求。外殼的鍵合指數(shù)量增加，引出端數(shù)增加，內(nèi)部走線的層數(shù)也隨之增加。內(nèi)部走線復(fù)雜度的提升，給CAD 布線的檢查也帶來了困難，對(duì)于這種布線比較復(fù)雜的情況，在CAD 中檢查比較困難，因此，我們采用其他的軟件進(jìn)行協(xié)助檢查。

2.1 采用電性能通斷自動(dòng)測(cè)試軟件

這種軟件適用于電性能自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，可以將布線導(dǎo)入該軟件，通過一些參數(shù)的設(shè)置，生成對(duì)應(yīng)的通斷測(cè)試程序，電性能自動(dòng)測(cè)試設(shè)備再根據(jù)程序自動(dòng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行電氣互聯(lián)通斷測(cè)試。該軟件具有自動(dòng)生成網(wǎng)絡(luò)的功能，因此，可以通過這個(gè)軟件對(duì)CAD 布線進(jìn)行檢查。

這個(gè)軟件雖然可以很直觀地對(duì)布線的電氣互聯(lián)進(jìn)行檢查，但是其內(nèi)部布線的連接路徑有時(shí)候顯示是不正確的，只能進(jìn)行表面導(dǎo)體圖形連接正確性的核對(duì)。導(dǎo)入程序的前期準(zhǔn)備也比較復(fù)雜，需對(duì)CAD 走線進(jìn)行一些處理，如圖形線段閉合，電源/地布線圖形的拆分等。對(duì)于布線層數(shù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)較多的布線，在前期處理時(shí)很容易出現(xiàn)一些不易發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)性錯(cuò)誤，導(dǎo)致不能一次成功，較為耗時(shí)耗力。即使這樣，該軟件也可以基本滿足布線檢查的需求。而且該軟件的接口文件格式比較靈活，可以是dxf 格式，也可以是art 或verber 等文件。

2.2 采用電磁仿真軟件

在對(duì)外殼布線進(jìn)行電性能分析時(shí)，我們還會(huì)經(jīng)常用到電磁仿真軟件，用于對(duì)所需的電阻、電感、電導(dǎo)和電容參數(shù)進(jìn)行提取[4]。若是手中只有CAD 格式的布線文件，也可以使用這類軟件協(xié)助進(jìn)行檢查，使用該軟件進(jìn)行布線檢查的前期準(zhǔn)備，需要將布線在CAD 中由2D 圖形轉(zhuǎn)化為3D 模型，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程可以在CAD 中進(jìn)行。

CAD 中布線繪制界面一般為二維空間，所以要繪制3D 模型，先要將空間轉(zhuǎn)化為“三維建?！蹦Ｊ剑谶@種模式下，空間中會(huì)有X、Y、Z 3 個(gè)軸，從而幫助我們定義設(shè)計(jì)模型的三維方向上的長寬高等具體數(shù)據(jù)[5]。布線圖形被設(shè)定在X、Y 平面上，對(duì)其在Z 方向上進(jìn)行拉伸和平移。首先，將每層導(dǎo)體圖形在Z 方向上拉伸出厚度，一般將導(dǎo)體厚度設(shè)定為15μm，再將每層導(dǎo)體圖形按照實(shí)際空間上下層的關(guān)系在Z 方向上進(jìn)行平移，使每層導(dǎo)體圖形在Z 方向上分開。每層的互聯(lián)孔同樣也進(jìn)行Z 方向的拉伸，使其形成柱體，再平移至相應(yīng)兩層導(dǎo)體圖形之間。需要注意的是相鄰層互連孔及導(dǎo)體圖形不要有重合的地方，見圖5。

將各個(gè)層導(dǎo)體圖形和互連孔均處理好后，即得到了一個(gè)3D 的布線模型，再將圖形輸出為電磁仿真軟件可以識(shí)別導(dǎo)入的格式即可。

以某款陶瓷焊盤陣列外殼（CLGA）的布線為例，將其布線轉(zhuǎn)化為3D 模型，見圖6。

將此模型導(dǎo)入電磁仿真軟件后，見圖7。

點(diǎn)擊某一個(gè)導(dǎo)體圖形，即可突出顯示與這個(gè)圖形連接的所有導(dǎo)體圖形，也可以十分直觀地看到這個(gè)導(dǎo)體圖形的連接關(guān)系，見圖8。

由此，可以依次點(diǎn)擊所需檢查網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)體圖形，再對(duì)照著互聯(lián)關(guān)系表，就可以比較快速地完成一個(gè)CAD 布線的檢查。

該軟件相比于電性能通斷自動(dòng)測(cè)試軟件，它對(duì)內(nèi)部走線的顯示是正確的，可以很直觀地從X、Y、Z 3 個(gè)方向看到每個(gè)網(wǎng)絡(luò)在陶瓷外殼內(nèi)部的連接路徑，而且對(duì)于進(jìn)行一些電氣互聯(lián)的通斷分析也是很便捷的。

在上文的介紹中，提到對(duì)于一些要求電鍍工藝鍍覆的外殼，還需對(duì)其電鍍工藝線的完整性進(jìn)行檢查。用電磁仿真軟件協(xié)助進(jìn)行陶瓷外殼電氣互聯(lián)檢查的優(yōu)勢(shì)還在于，它也可以很直觀地對(duì)電鍍工藝線進(jìn)行檢查。每個(gè)有電連接的網(wǎng)絡(luò)，不僅僅是對(duì)于I/O 信號(hào)，對(duì)于電源/地的電鍍工藝線的檢查也是十分方便的，它可以直觀地看到每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電鍍工藝線的數(shù)量和分布位置。因此，使用這種方法電鍍工藝線完整性的檢查是十分方便的。

3 結(jié)語

目前經(jīng)常用到CAD 進(jìn)行電氣互聯(lián)布線的繪制和生產(chǎn)加工，因此，CAD 的互聯(lián)檢查還是十分必要的。但還沒有一項(xiàng)功能是針對(duì)陶瓷外殼CAD 布線的電氣互聯(lián)檢查，所以，只能在CAD 中一點(diǎn)地進(jìn)行檢查，或者借助其他手段，影響了工作效率和外殼加工的正確率，因此本文根據(jù)工作經(jīng)歷，對(duì)目前如何進(jìn)行CAD 陶瓷外殼電氣互聯(lián)布線的檢查做了總結(jié)。未來，相關(guān)工作者還要探索更便捷的檢查方法來提高工作效率和布線設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度。