基于體硅MEMS 工藝的射頻微系統沖擊特性仿真研究*

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境，射頻微系統相較于傳統的射頻類板卡產品，集成度高、質量輕、慣性小，非常適用于各類高速飛行體。在高速飛行系統中應用微系統技術,能夠有效縮小系統的體積、減輕系統的重量、提高系統的性能和可靠性[1]。

體硅微機械系統（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]，在射頻微系統加工領域已經有較多的應用。航空航天產品在發射等狀態時，高過載環境使電子系統結構發生共振，引發局部較大振幅導致結構變形開裂，需要研究高過載沖擊對射頻微系統的具體影響。目前國內在體硅工藝的微系統抗過載方面研究較少，大多數文獻探討了基于體硅MEMS 工藝的產品設計[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構內部的應力分布等結果，因此一般只能用于測試或驗證產品的結構強度。

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，采用沖擊仿真的方法，研究結構在高過載下的沖擊特性，在設計階段實現射頻微系統結構的優化，提高產品抗沖擊性能。

1 體硅MEMS 工藝射頻微系統簡介

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

圖1 射頻微系統結構示意圖

基于體硅MEMS 工藝的射頻微系統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，放置功放與驅動放大器等芯片，最終實現射頻微系統集成方案。

2 板級沖擊特性分析

為模擬射頻微系統沖擊試驗，首先進行板級結構響應譜分析，研究射頻微系統在高過載下的沖擊響應特性。本節采用ANSYS 沖擊響應譜模塊，確定微系統的模態和振型，得出頻率響應傳遞函數，采用響應譜分析得出射頻微系統的動態響應特性。

2.1 沖擊理論概述

根據應力波衰減理論可定性分析模塊現防護措施并指出優化方向，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、硅片厚度等對系統動力學響應特性的影響。本文利用機械振動理論構建金層-硅片-電路板的分析模型，將微系統結構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-質量-阻尼系統。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-電路板模型

圖中，xM、xm分別代表微系統、電路板相對于初始位置的位移，由結構受力分析可知，電路板不僅受到微系統結構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。依據牛頓第二定律可建立雙自由度系統動力學微分方程。

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。

式中，ωn為分析系統的固有頻率，單位為rad/s；ξ為分析系統的無量綱阻尼比。根據式（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)方法和結構沖擊動力學方法。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。結構沖擊動力學方法是將產品的主要部件抽象成簡單的結構元件如梁、板、殼等，然后分析這些結構元件在瞬態沖擊載荷作用下的響應。

2.2 射頻微系統仿真模型

本射頻微系統仿真模型如圖3 所示，微系統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。封裝結構尺寸及材料參數如表1 所示。

表1 有限元模型尺寸及材料參數

圖3 射頻微系統板級測試環境有限元模型

由于本微系統包含Au、Cu 等金屬層，與芯片、PCB之間有較大的尺度跨度，需要對多尺度結構進行網格精細化處理。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，微系統各部件與PCB 之間采用綁定（Bonded）接觸方式約束。根據環境應力試驗要求，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

模態分析是動態響應分析的基礎，其目標是計算系統的固有頻率等模態參數，進而分析結構的動力學特性。模態分析求解參數為結構的固有頻率與振型，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 板級射頻微系統模態

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 為本射頻微系統的固有頻率，從結果可以看出，固有頻率整體在2 000 Hz 以下，模態結果表明該結構能較好地抑制共振。

表3 微系統前6 階固有頻率

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

圖5 板級模型應力與形變

從仿真計算結果可知，微系統上最大沖擊形變為0.015 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，位于微系統與PCB 板接觸面的四角邊緣處，整體應力較小，產生沖擊失效的風險概率較小。

3 沖擊試驗仿真分析

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

圖6 試驗工裝結構圖

3.1 沖擊試驗設計

通過仿真分析能夠有效規避結構風險點，指導工裝結構設計。根據試驗臺面的螺釘孔位置，設計如表4 所示的3 種工裝壁厚，通過對比仿真結果，得到較優的工裝壁厚值。

表4 模型尺寸及材料參數

采用workbench 瞬態動力學模塊對工裝結構體進行仿真。由于該模型包含圓角連接臺等裝配結構，影響計算效率，對細節特征進行必要簡化。對仿真模型賦予鋁合金等材料，結構尺寸及材料參數如表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，進行瞬態沖擊仿真。

圖7 沖擊載荷曲線

3.2 仿真結果分析

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

設置求解步數為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響應規律，同時得到板級射頻微系統的受力情況，分別從X和Z兩個方向進行試驗工裝與射頻微系統的應力結果分析，沖擊方向如圖8 所示。

圖8 試驗方向Z、X

3.2.1 Z 方向仿真結果

對3種壁厚的工裝沖擊仿真結果進行對比，如圖9所示。

圖9 Z 方向不同壁厚對比

從仿真結果對比可知，3 種壁厚的工裝結構的最大應力點均為殼體內部靠底面部分，蓋板處受力較小，最大應力點位于底面與側壁交叉位置，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），因此有發生塑封形變和沖擊斷裂的風險[11]。對比微系統結構受力情況，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 種情況下微系統受力大小幾乎一致，最大沖擊應力集中在微系統中心。最大應力為109 MPa，小于微系統材料的屈服強度，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，產生變形失效的風險較低。

3.2.2 X 方向仿真結果

由于X方向不像Z方向為對稱結構，首先對比X方向的正負兩個方向微系統受到的應力，結果如圖12所示。

圖12 兩種方向微系統受力情況

從圖12 中可以看出，X負向的應力較小為32 MPa，該方向上微系統所受沖擊應力較小，正向瞬態沖擊為108.4 MPa，射頻微系統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 種壁厚的工裝結構最大應力點均位于底部螺釘孔內壁，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 輸入載荷橫向對比

以14 mm 壁厚工裝結構為參照，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沖擊應力及變形量，能夠降低試驗成本，縮短試驗周期。

4 結論

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