基于体硅MEMS 工艺的射频微系统冲击特性仿真研究*

冯政森，王辂，曾燕萍，杨兵，祁冬，王志辉，张睿

（1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035；2.中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

航空航天设备的发展趋势是小型化、轻量化，同时需要高可靠性以适应强冲击与高过载环境，射频微系统相较于传统的射频类板卡产品，集成度高、质量轻、惯性小，非常适用于各类高速飞行体。在高速飞行系统中应用微系统技术,能够有效缩小系统的体积、减轻系统的重量、提高系统的性能和可靠性[1]。

体硅微机械系统（Micro-electromechanical System，MEMS）工艺以单晶硅材料为载体，通过对硅衬底材料进行深刻蚀等工艺，实现高深宽比的硅槽，具有一致性好、成本低、加工精度高的特点[2]，在射频微系统加工领域已经有较多的应用。航空航天产品在发射等状态时，高过载环境使电子系统结构发生共振，引发局部较大振幅导致结构变形开裂，需要研究高过载冲击对射频微系统的具体影响。目前国内在体硅工艺的微系统抗过载方面研究较少，大多数文献探讨了基于体硅MEMS 工艺的产品设计[3]，在高过载冲击可靠性方面的试验与仿真等研究不足。

高过载冲击试验方法利用机械冲击来模拟实际环境中的冲击，常采用的试验模拟方法有4 种，即马歇特锤击、霍普金斯杆、气体炮和实弹靶试。马歇特锤击法是利用摆锤获得机械冲击，YOU 采用马歇特锤击法对球栅阵列(Ball Grid Array,BGA)焊点的强度进行了分析和研究[4]；霍普金斯杆法是以压缩空气作动力源，以不同的气压产生不同的强冲击载荷，LEE 等应用分离式霍普金斯压杆对铅锡焊料的动态特性进行了测试[5]；气体炮试验法是利用突然释放的压缩气体对试验弹产生的压力模拟膛压；实弹靶试则可获得更真实的强冲击载荷，虽然气体炮试验和实弹靶试均可获得较真实的强冲击，但是该方法程序复杂、费用昂贵。此外，通过试验方法仅能探究试验样品抗高过载性，无法得到固有频率和结构内部的应力分布等结果，因此一般只能用于测试或验证产品的结构强度。

高过载冲击试验成本高、周期长，同时失效检测手段较少，难以定位失效点。本文针对体硅MEMS 工艺的射频微系统，采用冲击仿真的方法，研究结构在高过载下的冲击特性，在设计阶段实现射频微系统结构的优化，提高产品抗冲击性能。

1 体硅MEMS 工艺射频微系统简介

本文研究的射频微系统包含末级功放（WFDN180400-P40）和前级驱动放大器（WFD190380-P22）等结构。该射频微系统采用体硅MEMS 加工工艺，通过晶圆级金-金键合与硅通孔（Through Silicon Via，TSV）垂直互连实现层间信号传递[6]，如图1 所示。

图1 射频微系统结构示意图

基于体硅MEMS 工艺的射频微系统通过晶圆级光刻加工而成[7]，从底部到顶部共有6 层金属和4 层高阻硅片，在高阻硅片的正、反两面铺设金层。在硅片上通过深反应离子刻蚀等工艺进行开槽和TSV 加工，在第四层硅片开槽，放置功放与驱动放大器等芯片，最终实现射频微系统集成方案。

2 板级冲击特性分析

为模拟射频微系统冲击试验，首先进行板级结构响应谱分析，研究射频微系统在高过载下的冲击响应特性。本节采用ANSYS 冲击响应谱模块，确定微系统的模态和振型，得出频率响应传递函数，采用响应谱分析得出射频微系统的动态响应特性。

2.1 冲击理论概述

根据应力波衰减理论可定性分析模块现防护措施并指出优化方向，但也存在一定缺陷，如无法分析高冲击载荷加载频率（或脉宽）的影响，无法定量给出灌封厚度、硅片厚度等对系统动力学响应特性的影响。本文利用机械振动理论构建金层-硅片-电路板的分析模型，将微系统结构等效为具有阻尼特性的线性弹簧，建立简化的双自由度弹簧-质量-阻尼系统。两个自由度分别代表电路板和硅片的运动。分析模型如图2 所示。

图2 微系统-电路板模型

图中，xM、xm分别代表微系统、电路板相对于初始位置的位移，由结构受力分析可知，电路板不仅受到微系统结构变形引起的弹簧力和阻尼力，还受外部传导进来的高冲击载荷作用。依据牛顿第二定律可建立双自由度系统动力学微分方程。

对式（1）进行拉普拉斯变换，并化简、消除中间变量，可以得到以外部高冲击载荷AM(s)为输入、以电路板过载Am(s)为输出的传递函数。

式中，ωn为分析系统的固有频率，单位为rad/s；ξ为分析系统的无量纲阻尼比。根据式（2）可建立基于机械振动理论的高冲击动力响应分析模型。

常用的仿真方法包含冲击响应谱(Shock Response Spectra，SRS)方法和结构冲击动力学方法。冲击响应谱分析是一种频域分析，通常使用加速度频谱进行峰值响应计算。结构冲击动力学方法是将产品的主要部件抽象成简单的结构元件如梁、板、壳等，然后分析这些结构元件在瞬态冲击载荷作用下的响应。

2.2 射频微系统仿真模型

本射频微系统仿真模型如图3 所示，微系统底部硅层通过导电胶与印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）互连。在PCB 四角螺钉孔处建立固定约束，与实际工装一致。封装结构尺寸及材料参数如表1 所示。

表1 有限元模型尺寸及材料参数

图3 射频微系统板级测试环境有限元模型

由于本微系统包含Au、Cu 等金属层，与芯片、PCB之间有较大的尺度跨度，需要对多尺度结构进行网格精细化处理。采用扫略法，分别设定每层的上下表面为源面与目标面，同时对芯片与PCB 进行尺寸控制，以得到合理贴体的网格。

考虑到 PCB 板可能存在翘曲变形，选取底面中心点施加厚度方向位移约束，微系统各部件与PCB 之间采用绑定（Bonded）接触方式约束。根据环境应力试验要求，冲击试验条件如表2 所示。

表2 冲击响应谱试验条件

2.3 仿真分析

模态分析是动态响应分析的基础，其目标是计算系统的固有频率等模态参数，进而分析结构的动力学特性。模态分析求解参数为结构的固有频率与振型，本仿真采用Lanczos 方法计算该边界条件下的固有频率[8]，前6 阶振型如图4 所示。

图4 板级射频微系统模态

高速飞行体在冲击瞬间的固有频率一般为2 000 Hz以上[9]，表3 为本射频微系统的固有频率，从结果可以看出，固有频率整体在2 000 Hz 以下，模态结果表明该结构能较好地抑制共振。

表3 微系统前6 阶固有频率

将固有频率导入瞬态冲击动力学模块中，对微系统进行动力学仿真分析，仿真计算结果如图5 所示。

图5 板级模型应力与形变

从仿真计算结果可知，微系统上最大冲击形变为0.015 mm，在Y方向上集中于中间部位，其他两个方向形变量均较小，最大应力为14.44 MPa，位于微系统与PCB 板接触面的四角边缘处，整体应力较小，产生冲击失效的风险概率较小。

3 冲击试验仿真分析

对该微系统的实际冲击试验过程进行仿真计算，采用瞬态动力学方法进行冲击仿真分析。射频微系统实际称重为0.4 g，重量较轻，为提高计算效率与精度，将板级射频微系统简化为等效质量点，位于PCB 板中心处，根据冲击试验建立试验工装，如图6 所示。

图6 试验工装结构图

3.1 冲击试验设计

通过仿真分析能够有效规避结构风险点，指导工装结构设计。根据试验台面的螺钉孔位置，设计如表4 所示的3 种工装壁厚，通过对比仿真结果，得到较优的工装壁厚值。

表4 模型尺寸及材料参数

采用workbench 瞬态动力学模块对工装结构体进行仿真。由于该模型包含圆角连接台等装配结构，影响计算效率，对细节特征进行必要简化。对仿真模型赋予铝合金等材料，结构尺寸及材料参数如表4 所示。

试验冲击载荷为半正弦波，冲击总时长为0.13 ms，脉冲宽度为0.03 ms，加速度变化量为7.48 m/s，拟合出20 000 g 载荷条件输入波形，如图7 所示，设置底面为固定约束，进行瞬态冲击仿真。

图7 冲击载荷曲线

3.2 仿真结果分析

本射频微系统包含多层硅片结构，本文采用更适用于动态响应分析的显式非线性算法[10]。由于接触的外表面不能发生互相穿透，全局设定为单一自动接触。沙漏能够反映计算收敛性，其出现会导致结果无效，如果总的沙漏能大于模型内能的10%，则分析结果准确率较低，本文设置总沙漏能不超过模型总内能的 10% 。

设置求解步数为100，求解时间为0.1 s。通过对比不同工装厚度，得出工装厚度变化的动态响应规律，同时得到板级射频微系统的受力情况，分别从X和Z两个方向进行试验工装与射频微系统的应力结果分析，冲击方向如图8 所示。

图8 试验方向Z、X

3.2.1 Z 方向仿真结果

对3种壁厚的工装冲击仿真结果进行对比，如图9所示。

图9 Z 方向不同壁厚对比

从仿真结果对比可知，3 种壁厚的工装结构的最大应力点均为壳体内部靠底面部分，盖板处受力较小，最大应力点位于底面与侧壁交叉位置，最大应力均集中在400 MPa～700 MPa，均已超出铝合金的屈服强度（280 MPa），因此有发生塑封形变和冲击断裂的风险[11]。对比微系统结构受力情况，如图10 所示。

图10 Z 方向不同壁厚对比

从图10 中可以看出，3 种情况下微系统受力大小几乎一致，最大冲击应力集中在微系统中心。最大应力为109 MPa，小于微系统材料的屈服强度，在该冲击载荷下失效风险小。将工装壳体在冲击载荷下的变形图进行对比，如图11 所示。

图11 工装壳体变形情况

从图11 中可以看出，3 种情况下工装壳体的最大变形量为0.14 mm～0.16 mm，相对于壁厚变形量较小，产生变形失效的风险较低。

3.2.2 X 方向仿真结果

由于X方向不像Z方向为对称结构，首先对比X方向的正负两个方向微系统受到的应力，结果如图12所示。

图12 两种方向微系统受力情况

从图12 中可以看出，X负向的应力较小为32 MPa，该方向上微系统所受冲击应力较小，正向瞬态冲击为108.4 MPa，射频微系统测试板的安装位置对冲击载荷的响应不同。

3 种壁厚工装X方向受力情况如图13 所示。从图中对比可知，3 种壁厚的工装结构最大应力点均位于底部螺钉孔内壁，最大应力为308 MPa～740 MPa，均超过铝合金的屈服强度（280 MPa），在冲击试验中均有发生变形及断裂的风险。

图13 3 种壁厚工装X 方向受力情况

3.2.3 输入载荷横向对比

以14 mm 壁厚工装结构为参照，第二组载荷设置为30 000 g，对比两种载荷的应力分布，如图14 所示。通过仿真计算可知，在30 000 g 的冲击载荷下，工装壳体受到的最大应力为210.98 MPa，低于铝合金的屈服应力强度（280 MPa），在该载荷条件下，14 mm 壁厚能够承受该冲击载荷，失效风险较小。

图14 两种冲击载荷工装壳体应力分布

从图14 可以看出，在高过载冲击下，工装壳体在Z和X方向受力均较大，存在形变和断裂等风险，微系统在Z和X方向受力均较小，失效风险较小。通过预先模拟冲击瞬间工装壳体与微系统冲击应力及变形量，能够降低试验成本，缩短试验周期。

4 结论

本文针对体硅MEMS 工艺射频微系统在高过载冲击条件下的动态响应特性，采用冲击响应谱和瞬态动力学方法，分别对板级射频微系统与试验工装下的射频微系统进行了仿真分析，对射频微系统的失效风险进行了整体评估。结果表明射频微系统能够承受高加速度值冲击载荷，产品可靠性较高，该方法能够提前对微系统及试验工装等预判结构风险，提高冲击试验成功率，提高产品的抗冲击可靠性。