T/R开关封装加速度仿真及测试

马其琪，李 俊，冯晓曦，马龑杰

（中国电子科技集团公司第二研究所，太原030024）

1 前言

封装设计占T/R开关设计总成本的一半以上[1]。封装是T/R开关设计和制造的重要环节，是T/R开关正常工作的重要保证。良好的封装能提高组件抵抗恶劣环境的能力，是保证开关组件正常工作的一道重要屏障。因此，封装对T/R开关的性能有重要保护作用。

在封装设计过程中，针对薄弱环节制定方案，从电路结构、外壳抗冲击以及缓冲保护等方面进行设计，是减少器件失效的有效办法[2]。

2 封装失效机理分析

T/R开关是一种在射频发射通道和信号接收通道间进行切换的器件。其主要组成部分是PIN二极管和部分电感电阻器件组成的功能电路以及作为衬底的LTCC基板，如图1所示。T/R开关作为雷达系统的重要组成部分，安装在战车、战舰以及航天飞机等载体上。

封装在恶劣工作环境下引起的T/R开关失效机理主要包括外壳失效和组件失效。外壳失效主要是指T/R开关因为工作在外界强冲击环境下，使外壳承受的屈服应力过大而发生的形变或断裂，从而引起壳体内部挤压、拉伸使得LTCC基板出现裂纹甚至断裂，最后导致LTCC基板或者芯片断裂、电路短路或开路，导致T/R开关失效。

组件失效主要有以下几个方面：LTCC基板失效，元器件失效，键合失效。LTCC基板失效主要是指开路失效和短路失效。元器件失效包括芯体破碎失效、元器件疲劳失效、芯片管脚断裂失效。键合失效首先是金丝断裂，其次是焊盘表面发黑造成的接触不良。

图1 单刀双掷开关原理图

3 封装设计及仿真

一般来说，芯体破碎、材料性能变化、接触不良等原因引起的器件失效是最为明显的。

电子封装的可靠性设计是一个循环往复的过程，一般先对器件进行可靠性测试，找到器件的薄弱点，对器件进行失效分析，建立器件故障树。针对薄弱点进行封装设计，然后对模型进行仿真分析以及测试，最后确定封装方案。

图2 封装可靠性关系图

图3 壳体封装示意图

图4 T/R开关外壳模型图

3.1 模态分析

模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，包括计算固有频率、振型以及振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）。模态分析也是其他动力学分析的起点[3]。

建立壳体模型仿真的目的是想了解壳体四个侧壁以及底部在受力时的特性，因此简化仿真模型，如图4所示。然后确定壳体内部芯片以及工作电路的封装方案。首先对壳体进行建模，模型类型为Brick8node 45，定义材料类型（见表1），划分网格，最后在壳体底部施加约束，根据刚体自由度理论，我们确定选取六阶模态分析找出壳体在工作时的频率特性（见表2）。

图5 T/R开关外壳六阶模态分析振型

表1 外壳材料属性

表2 六阶模态频率值

从图5中可以看出，红色部分主要集中在壳体的侧壁，表明在六阶的模态振型变化中，主要形变集中在壳壁，壳体底部的变化不大。

3.2 动力响应分析

动力响应分析的目的是得到结构在时变激励下的位移、应力、加速度等物理量随时间变化的规律性。本文主要针对器件在冲击振动环境下的动力响应进行仿真。对器件加载如图6（a）所示的加速度(t表示响应时间)：

观察图6（b）的加速度响应曲线，可以发现插孔以及壳体内外加速度响应的最大值基本都在40 g左右，同输入的加速度响应值的偏差都很小，表示在冲击响应激励下，壳体整体所承受的载荷是在其工作范围的，基本满足其工作可靠性。

图6 加速度及响应曲线

图7 外壳动力响应分析云图

根据上述仿真结果，发现壳体侧壁是外壳的薄弱点，容易因为受力引起较大的形变，因此我们尽量避免在壳体侧壁上贴装基板及芯片或者对侧壁进行加厚，以保证其工作的可靠性。在此封装设计中，芯片均采用锡钎焊的方式固定在基板上，芯片与基板的信号通讯采用金丝键合的方式。为保证基板的稳定性以及使芯片在工作时尽量减小位移带来的破坏，我们将基板用导电胶以贴片方式固定在壳体底部，以此来减小加速度给电路板元器件所带来的损害。但是此封装的可靠性还需在试验中去验证。

4 封装随机振动和半正弦冲击试验

本次试验均采用苏试生产的电动振动台系统。此振动台系统推力大，有垂直台和垂直-水平组合台两种配置。其中垂直台适用于振动方向的振动和冲击试验，若产品能调换方向，也可以实现对于产品多个轴向的振动和冲击试验。垂直-水平组合台则可以实现垂直和水平三个方向的振动冲击试验。

在此次试验中，我们通过参考国军标GJB548B《微电子器件试验方法和程序》中的随机振动[4]，根据采集的工作环境振动信号确定加速度信号的频率范围为20～2000 Hz，因此确定应力谱密度剖面如图9所示，其中W为功率谱密度（单位g2/Hz），dB/Oct为分贝/倍频，是功率谱密度的斜率。

图8 器件加速度测试仪器

图9 功率谱为0.25 g2/Hz的随机振动谱

本次试验采用数据采集卡来采集试验过程中开关的零位状态，并对零位数据进行分析。试验过程中，随机振动量级按照步进的方法逐渐增加，振动轴向按照X、Y和Z的顺序依次进行，每个轴向振动15 m in。

图10 功率谱为0.25 g2/Hz的随机振动实际波形

在整个试验过程中，开关组件一直保持平稳的工作状态，电流稳定，工作电压正常，没有发现突然拉偏现象。

为了验证开关封装的抗冲击性能，我们对开关进行了一系列的冲击振动试验，如图11所示。

试验过程中，我们分别对T/R开关施以不同g值、不同脉宽的垂直冲击加速度，如表3所示，试验过程中T/R开关电流稳定，工作电压正常，直到50 g才发生电压拉偏的现象。

图11 半正弦振动理论波形示意图

表3 半正弦冲击试验条件

5 结论

通过分析T/R开关的工作环境以及所承受的加速度，对壳体进行建模，对其进行模态分析以及加速度冲击响应仿真。对器件进行加速度测试，验证封装完全能够承受一定量（40 g以上）的机械振动，具有满足工作需要的可靠性。

参考文献：

[1]关荣峰，汪学方，等.MEMS封装技术及标准工艺研究[J].半导体技术，2005（1）：50-55.

[2]马其琪，徐晓辉，等.弹载记录器的抗高过载分析及设计[J].弹箭与制导学报，2015（1）：15-18.

[3]周育宝.LTCC基板的振动分析及其封装可靠性研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[4]国家标准局.微电子器件试验方法和程序[S].GJB548B,1985.