基于體硅MEMS 工藝的射頻微系統(tǒng)沖擊特性仿真研究*

馮政森，王輅，曾燕萍，楊兵，祁冬，王志輝，張睿

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035；2.中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

航空航天設備的發(fā)展趨勢是小型化、輕量化，同時需要高可靠性以適應強沖擊與高過載環(huán)境，射頻微系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的射頻類板卡產(chǎn)品，集成度高、質(zhì)量輕、慣性小，非常適用于各類高速飛行體。在高速飛行系統(tǒng)中應用微系統(tǒng)技術(shù),能夠有效縮小系統(tǒng)的體積、減輕系統(tǒng)的重量、提高系統(tǒng)的性能和可靠性[1]。

體硅微機械系統(tǒng)（Micro-electromechanical System，MEMS）工藝以單晶硅材料為載體，通過對硅襯底材料進行深刻蝕等工藝，實現(xiàn)高深寬比的硅槽，具有一致性好、成本低、加工精度高的特點[2]，在射頻微系統(tǒng)加工領域已經(jīng)有較多的應用。航空航天產(chǎn)品在發(fā)射等狀態(tài)時，高過載環(huán)境使電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，引發(fā)局部較大振幅導致結(jié)構(gòu)變形開裂，需要研究高過載沖擊對射頻微系統(tǒng)的具體影響。目前國內(nèi)在體硅工藝的微系統(tǒng)抗過載方面研究較少，大多數(shù)文獻探討了基于體硅MEMS 工藝的產(chǎn)品設計[3]，在高過載沖擊可靠性方面的試驗與仿真等研究不足。

高過載沖擊試驗方法利用機械沖擊來模擬實際環(huán)境中的沖擊，常采用的試驗模擬方法有4 種，即馬歇特錘擊、霍普金斯桿、氣體炮和實彈靶試。馬歇特錘擊法是利用擺錘獲得機械沖擊，YOU 采用馬歇特錘擊法對球柵陣列(Ball Grid Array,BGA)焊點的強度進行了分析和研究[4]；霍普金斯桿法是以壓縮空氣作動力源，以不同的氣壓產(chǎn)生不同的強沖擊載荷，LEE 等應用分離式霍普金斯壓桿對鉛錫焊料的動態(tài)特性進行了測試[5]；氣體炮試驗法是利用突然釋放的壓縮氣體對試驗彈產(chǎn)生的壓力模擬膛壓；實彈靶試則可獲得更真實的強沖擊載荷，雖然氣體炮試驗和實彈靶試均可獲得較真實的強沖擊，但是該方法程序復雜、費用昂貴。此外，通過試驗方法僅能探究試驗樣品抗高過載性，無法得到固有頻率和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應力分布等結(jié)果，因此一般只能用于測試或驗證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度。

高過載沖擊試驗成本高、周期長，同時失效檢測手段較少，難以定位失效點。本文針對體硅MEMS 工藝的射頻微系統(tǒng)，采用沖擊仿真的方法，研究結(jié)構(gòu)在高過載下的沖擊特性，在設計階段實現(xiàn)射頻微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高產(chǎn)品抗沖擊性能。

1 體硅MEMS 工藝射頻微系統(tǒng)簡介

本文研究的射頻微系統(tǒng)包含末級功放（WFDN180400-P40）和前級驅(qū)動放大器（WFD190380-P22）等結(jié)構(gòu)。該射頻微系統(tǒng)采用體硅MEMS 加工工藝，通過晶圓級金-金鍵合與硅通孔（Through Silicon Via，TSV）垂直互連實現(xiàn)層間信號傳遞[6]，如圖1 所示。

圖1 射頻微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于體硅MEMS 工藝的射頻微系統(tǒng)通過晶圓級光刻加工而成[7]，從底部到頂部共有6 層金屬和4 層高阻硅片，在高阻硅片的正、反兩面鋪設金層。在硅片上通過深反應離子刻蝕等工藝進行開槽和TSV 加工，在第四層硅片開槽，放置功放與驅(qū)動放大器等芯片，最終實現(xiàn)射頻微系統(tǒng)集成方案。

2 板級沖擊特性分析

為模擬射頻微系統(tǒng)沖擊試驗，首先進行板級結(jié)構(gòu)響應譜分析，研究射頻微系統(tǒng)在高過載下的沖擊響應特性。本節(jié)采用ANSYS 沖擊響應譜模塊，確定微系統(tǒng)的模態(tài)和振型，得出頻率響應傳遞函數(shù)，采用響應譜分析得出射頻微系統(tǒng)的動態(tài)響應特性。

2.1 沖擊理論概述

根據(jù)應力波衰減理論可定性分析模塊現(xiàn)防護措施并指出優(yōu)化方向，但也存在一定缺陷，如無法分析高沖擊載荷加載頻率（或脈寬）的影響，無法定量給出灌封厚度、硅片厚度等對系統(tǒng)動力學響應特性的影響。本文利用機械振動理論構(gòu)建金層-硅片-電路板的分析模型，將微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等效為具有阻尼特性的線性彈簧，建立簡化的雙自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)。兩個自由度分別代表電路板和硅片的運動。分析模型如圖2 所示。

圖2 微系統(tǒng)-電路板模型

圖中，xM、xm分別代表微系統(tǒng)、電路板相對于初始位置的位移，由結(jié)構(gòu)受力分析可知，電路板不僅受到微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形引起的彈簧力和阻尼力，還受外部傳導進來的高沖擊載荷作用。依據(jù)牛頓第二定律可建立雙自由度系統(tǒng)動力學微分方程。

對式（1）進行拉普拉斯變換，并化簡、消除中間變量，可以得到以外部高沖擊載荷AM(s)為輸入、以電路板過載Am(s)為輸出的傳遞函數(shù)。

式中，ωn為分析系統(tǒng)的固有頻率，單位為rad/s；ξ為分析系統(tǒng)的無量綱阻尼比。根據(jù)式（2）可建立基于機械振動理論的高沖擊動力響應分析模型。

常用的仿真方法包含沖擊響應譜(Shock Response Spectra，SRS)方法和結(jié)構(gòu)沖擊動力學方法。沖擊響應譜分析是一種頻域分析，通常使用加速度頻譜進行峰值響應計算。結(jié)構(gòu)沖擊動力學方法是將產(chǎn)品的主要部件抽象成簡單的結(jié)構(gòu)元件如梁、板、殼等，然后分析這些結(jié)構(gòu)元件在瞬態(tài)沖擊載荷作用下的響應。

2.2 射頻微系統(tǒng)仿真模型

本射頻微系統(tǒng)仿真模型如圖3 所示，微系統(tǒng)底部硅層通過導電膠與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）互連。在PCB 四角螺釘孔處建立固定約束，與實際工裝一致。封裝結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)如表1 所示。

表1 有限元模型尺寸及材料參數(shù)

圖3 射頻微系統(tǒng)板級測試環(huán)境有限元模型

由于本微系統(tǒng)包含Au、Cu 等金屬層，與芯片、PCB之間有較大的尺度跨度，需要對多尺度結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格精細化處理。采用掃略法，分別設定每層的上下表面為源面與目標面，同時對芯片與PCB 進行尺寸控制，以得到合理貼體的網(wǎng)格。

考慮到 PCB 板可能存在翹曲變形，選取底面中心點施加厚度方向位移約束，微系統(tǒng)各部件與PCB 之間采用綁定（Bonded）接觸方式約束。根據(jù)環(huán)境應力試驗要求，沖擊試驗條件如表2 所示。

表2 沖擊響應譜試驗條件

2.3 仿真分析

模態(tài)分析是動態(tài)響應分析的基礎，其目標是計算系統(tǒng)的固有頻率等模態(tài)參數(shù)，進而分析結(jié)構(gòu)的動力學特性。模態(tài)分析求解參數(shù)為結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型，本仿真采用Lanczos 方法計算該邊界條件下的固有頻率[8]，前6 階振型如圖4 所示。

圖4 板級射頻微系統(tǒng)模態(tài)

高速飛行體在沖擊瞬間的固有頻率一般為2 000 Hz以上[9]，表3 為本射頻微系統(tǒng)的固有頻率，從結(jié)果可以看出，固有頻率整體在2 000 Hz 以下，模態(tài)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能較好地抑制共振。

表3 微系統(tǒng)前6 階固有頻率

將固有頻率導入瞬態(tài)沖擊動力學模塊中，對微系統(tǒng)進行動力學仿真分析，仿真計算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 板級模型應力與形變

從仿真計算結(jié)果可知，微系統(tǒng)上最大沖擊形變?yōu)?.015 mm，在Y方向上集中于中間部位，其他兩個方向形變量均較小，最大應力為14.44 MPa，位于微系統(tǒng)與PCB 板接觸面的四角邊緣處，整體應力較小，產(chǎn)生沖擊失效的風險概率較小。

3 沖擊試驗仿真分析

對該微系統(tǒng)的實際沖擊試驗過程進行仿真計算，采用瞬態(tài)動力學方法進行沖擊仿真分析。射頻微系統(tǒng)實際稱重為0.4 g，重量較輕，為提高計算效率與精度，將板級射頻微系統(tǒng)簡化為等效質(zhì)量點，位于PCB 板中心處，根據(jù)沖擊試驗建立試驗工裝，如圖6 所示。

圖6 試驗工裝結(jié)構(gòu)圖

3.1 沖擊試驗設計

通過仿真分析能夠有效規(guī)避結(jié)構(gòu)風險點，指導工裝結(jié)構(gòu)設計。根據(jù)試驗臺面的螺釘孔位置，設計如表4 所示的3 種工裝壁厚，通過對比仿真結(jié)果，得到較優(yōu)的工裝壁厚值。

表4 模型尺寸及材料參數(shù)

采用workbench 瞬態(tài)動力學模塊對工裝結(jié)構(gòu)體進行仿真。由于該模型包含圓角連接臺等裝配結(jié)構(gòu)，影響計算效率，對細節(jié)特征進行必要簡化。對仿真模型賦予鋁合金等材料，結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)如表4 所示。

試驗沖擊載荷為半正弦波，沖擊總時長為0.13 ms，脈沖寬度為0.03 ms，加速度變化量為7.48 m/s，擬合出20 000 g 載荷條件輸入波形，如圖7 所示，設置底面為固定約束，進行瞬態(tài)沖擊仿真。

圖7 沖擊載荷曲線

3.2 仿真結(jié)果分析

本射頻微系統(tǒng)包含多層硅片結(jié)構(gòu)，本文采用更適用于動態(tài)響應分析的顯式非線性算法[10]。由于接觸的外表面不能發(fā)生互相穿透，全局設定為單一自動接觸。沙漏能夠反映計算收斂性，其出現(xiàn)會導致結(jié)果無效，如果總的沙漏能大于模型內(nèi)能的10%，則分析結(jié)果準確率較低，本文設置總沙漏能不超過模型總內(nèi)能的 10% 。

設置求解步數(shù)為100，求解時間為0.1 s。通過對比不同工裝厚度，得出工裝厚度變化的動態(tài)響應規(guī)律，同時得到板級射頻微系統(tǒng)的受力情況，分別從X和Z兩個方向進行試驗工裝與射頻微系統(tǒng)的應力結(jié)果分析，沖擊方向如圖8 所示。

圖8 試驗方向Z、X

3.2.1 Z 方向仿真結(jié)果

對3種壁厚的工裝沖擊仿真結(jié)果進行對比，如圖9所示。

圖9 Z 方向不同壁厚對比

從仿真結(jié)果對比可知，3 種壁厚的工裝結(jié)構(gòu)的最大應力點均為殼體內(nèi)部靠底面部分，蓋板處受力較小，最大應力點位于底面與側(cè)壁交叉位置，最大應力均集中在400 MPa～700 MPa，均已超出鋁合金的屈服強度（280 MPa），因此有發(fā)生塑封形變和沖擊斷裂的風險[11]。對比微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力情況，如圖10 所示。

圖10 Z 方向不同壁厚對比

從圖10 中可以看出，3 種情況下微系統(tǒng)受力大小幾乎一致，最大沖擊應力集中在微系統(tǒng)中心。最大應力為109 MPa，小于微系統(tǒng)材料的屈服強度，在該沖擊載荷下失效風險小。將工裝殼體在沖擊載荷下的變形圖進行對比，如圖11 所示。

圖11 工裝殼體變形情況

從圖11 中可以看出，3 種情況下工裝殼體的最大變形量為0.14 mm～0.16 mm，相對于壁厚變形量較小，產(chǎn)生變形失效的風險較低。

3.2.2 X 方向仿真結(jié)果

由于X方向不像Z方向為對稱結(jié)構(gòu)，首先對比X方向的正負兩個方向微系統(tǒng)受到的應力，結(jié)果如圖12所示。

圖12 兩種方向微系統(tǒng)受力情況

從圖12 中可以看出，X負向的應力較小為32 MPa，該方向上微系統(tǒng)所受沖擊應力較小，正向瞬態(tài)沖擊為108.4 MPa，射頻微系統(tǒng)測試板的安裝位置對沖擊載荷的響應不同。

3 種壁厚工裝X方向受力情況如圖13 所示。從圖中對比可知，3 種壁厚的工裝結(jié)構(gòu)最大應力點均位于底部螺釘孔內(nèi)壁，最大應力為308 MPa～740 MPa，均超過鋁合金的屈服強度（280 MPa），在沖擊試驗中均有發(fā)生變形及斷裂的風險。

圖13 3 種壁厚工裝X 方向受力情況

3.2.3 輸入載荷橫向?qū)Ρ?/p>

以14 mm 壁厚工裝結(jié)構(gòu)為參照，第二組載荷設置為30 000 g，對比兩種載荷的應力分布，如圖14 所示。通過仿真計算可知，在30 000 g 的沖擊載荷下，工裝殼體受到的最大應力為210.98 MPa，低于鋁合金的屈服應力強度（280 MPa），在該載荷條件下，14 mm 壁厚能夠承受該沖擊載荷，失效風險較小。

圖14 兩種沖擊載荷工裝殼體應力分布

從圖14 可以看出，在高過載沖擊下，工裝殼體在Z和X方向受力均較大，存在形變和斷裂等風險，微系統(tǒng)在Z和X方向受力均較小，失效風險較小。通過預先模擬沖擊瞬間工裝殼體與微系統(tǒng)沖擊應力及變形量，能夠降低試驗成本，縮短試驗周期。

4 結(jié)論

本文針對體硅MEMS 工藝射頻微系統(tǒng)在高過載沖擊條件下的動態(tài)響應特性，采用沖擊響應譜和瞬態(tài)動力學方法，分別對板級射頻微系統(tǒng)與試驗工裝下的射頻微系統(tǒng)進行了仿真分析，對射頻微系統(tǒng)的失效風險進行了整體評估。結(jié)果表明射頻微系統(tǒng)能夠承受高加速度值沖擊載荷，產(chǎn)品可靠性較高，該方法能夠提前對微系統(tǒng)及試驗工裝等預判結(jié)構(gòu)風險，提高沖擊試驗成功率，提高產(chǎn)品的抗沖擊可靠性。