馬其琪，李 俊，馮曉曦，馬龑杰

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原030024）

1 前言

封裝設(shè)計占T/R開關(guān)設(shè)計總成本的一半以上[1]。封裝是T/R開關(guān)設(shè)計和制造的重要環(huán)節(jié)，是T/R開關(guān)正常工作的重要保證。良好的封裝能提高組件抵抗惡劣環(huán)境的能力，是保證開關(guān)組件正常工作的一道重要屏障。因此，封裝對T/R開關(guān)的性能有重要保護(hù)作用。

在封裝設(shè)計過程中，針對薄弱環(huán)節(jié)制定方案，從電路結(jié)構(gòu)、外殼抗沖擊以及緩沖保護(hù)等方面進(jìn)行設(shè)計，是減少器件失效的有效辦法[2]。

2 封裝失效機(jī)理分析

T/R開關(guān)是一種在射頻發(fā)射通道和信號接收通道間進(jìn)行切換的器件。其主要組成部分是PIN二極管和部分電感電阻器件組成的功能電路以及作為襯底的LTCC基板，如圖1所示。T/R開關(guān)作為雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，安裝在戰(zhàn)車、戰(zhàn)艦以及航天飛機(jī)等載體上。

封裝在惡劣工作環(huán)境下引起的T/R開關(guān)失效機(jī)理主要包括外殼失效和組件失效。外殼失效主要是指T/R開關(guān)因為工作在外界強(qiáng)沖擊環(huán)境下，使外殼承受的屈服應(yīng)力過大而發(fā)生的形變或斷裂，從而引起殼體內(nèi)部擠壓、拉伸使得LTCC基板出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，最后導(dǎo)致LTCC基板或者芯片斷裂、電路短路或開路，導(dǎo)致T/R開關(guān)失效。

組件失效主要有以下幾個方面：LTCC基板失效，元器件失效，鍵合失效。LTCC基板失效主要是指開路失效和短路失效。元器件失效包括芯體破碎失效、元器件疲勞失效、芯片管腳斷裂失效。鍵合失效首先是金絲斷裂，其次是焊盤表面發(fā)黑造成的接觸不良。

圖1 單刀雙擲開關(guān)原理圖

3 封裝設(shè)計及仿真

一般來說，芯體破碎、材料性能變化、接觸不良等原因引起的器件失效是最為明顯的。

電子封裝的可靠性設(shè)計是一個循環(huán)往復(fù)的過程，一般先對器件進(jìn)行可靠性測試，找到器件的薄弱點，對器件進(jìn)行失效分析，建立器件故障樹。針對薄弱點進(jìn)行封裝設(shè)計，然后對模型進(jìn)行仿真分析以及測試，最后確定封裝方案。

圖2 封裝可靠性關(guān)系圖

圖3 殼體封裝示意圖

圖4 T/R開關(guān)外殼模型圖

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動特性的一種技術(shù)，包括計算固有頻率、振型以及振型參與系數(shù)（即在特定方向上某個振型在多大程度上參與了振動）。模態(tài)分析也是其他動力學(xué)分析的起點[3]。

建立殼體模型仿真的目的是想了解殼體四個側(cè)壁以及底部在受力時的特性，因此簡化仿真模型，如圖4所示。然后確定殼體內(nèi)部芯片以及工作電路的封裝方案。首先對殼體進(jìn)行建模，模型類型為Brick8node 45，定義材料類型（見表1），劃分網(wǎng)格，最后在殼體底部施加約束，根據(jù)剛體自由度理論，我們確定選取六階模態(tài)分析找出殼體在工作時的頻率特性（見表2）。

圖5 T/R開關(guān)外殼六階模態(tài)分析振型

表1 外殼材料屬性

表2 六階模態(tài)頻率值

從圖5中可以看出，紅色部分主要集中在殼體的側(cè)壁，表明在六階的模態(tài)振型變化中，主要形變集中在殼壁，殼體底部的變化不大。

3.2 動力響應(yīng)分析

動力響應(yīng)分析的目的是得到結(jié)構(gòu)在時變激勵下的位移、應(yīng)力、加速度等物理量隨時間變化的規(guī)律性。本文主要針對器件在沖擊振動環(huán)境下的動力響應(yīng)進(jìn)行仿真。對器件加載如圖6（a）所示的加速度(t表示響應(yīng)時間)：

觀察圖6（b）的加速度響應(yīng)曲線，可以發(fā)現(xiàn)插孔以及殼體內(nèi)外加速度響應(yīng)的最大值基本都在40 g左右，同輸入的加速度響應(yīng)值的偏差都很小，表示在沖擊響應(yīng)激勵下，殼體整體所承受的載荷是在其工作范圍的，基本滿足其工作可靠性。

圖6 加速度及響應(yīng)曲線

圖7 外殼動力響應(yīng)分析云圖

根據(jù)上述仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)殼體側(cè)壁是外殼的薄弱點，容易因為受力引起較大的形變，因此我們盡量避免在殼體側(cè)壁上貼裝基板及芯片或者對側(cè)壁進(jìn)行加厚，以保證其工作的可靠性。在此封裝設(shè)計中，芯片均采用錫釬焊的方式固定在基板上，芯片與基板的信號通訊采用金絲鍵合的方式。為保證基板的穩(wěn)定性以及使芯片在工作時盡量減小位移帶來的破壞，我們將基板用導(dǎo)電膠以貼片方式固定在殼體底部，以此來減小加速度給電路板元器件所帶來的損害。但是此封裝的可靠性還需在試驗中去驗證。

4 封裝隨機(jī)振動和半正弦沖擊試驗

本次試驗均采用蘇試生產(chǎn)的電動振動臺系統(tǒng)。此振動臺系統(tǒng)推力大，有垂直臺和垂直-水平組合臺兩種配置。其中垂直臺適用于振動方向的振動和沖擊試驗，若產(chǎn)品能調(diào)換方向，也可以實現(xiàn)對于產(chǎn)品多個軸向的振動和沖擊試驗。垂直-水平組合臺則可以實現(xiàn)垂直和水平三個方向的振動沖擊試驗。

在此次試驗中，我們通過參考國軍標(biāo)GJB548B《微電子器件試驗方法和程序》中的隨機(jī)振動[4]，根據(jù)采集的工作環(huán)境振動信號確定加速度信號的頻率范圍為20～2000 Hz，因此確定應(yīng)力譜密度剖面如圖9所示，其中W為功率譜密度（單位g2/Hz），dB/Oct為分貝/倍頻，是功率譜密度的斜率。

圖8 器件加速度測試儀器

圖9 功率譜為0.25 g2/Hz的隨機(jī)振動譜

本次試驗采用數(shù)據(jù)采集卡來采集試驗過程中開關(guān)的零位狀態(tài)，并對零位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗過程中，隨機(jī)振動量級按照步進(jìn)的方法逐漸增加，振動軸向按照X、Y和Z的順序依次進(jìn)行，每個軸向振動15 m in。

圖10 功率譜為0.25 g2/Hz的隨機(jī)振動實際波形

在整個試驗過程中，開關(guān)組件一直保持平穩(wěn)的工作狀態(tài)，電流穩(wěn)定，工作電壓正常，沒有發(fā)現(xiàn)突然拉偏現(xiàn)象。

為了驗證開關(guān)封裝的抗沖擊性能，我們對開關(guān)進(jìn)行了一系列的沖擊振動試驗，如圖11所示。

試驗過程中，我們分別對T/R開關(guān)施以不同g值、不同脈寬的垂直沖擊加速度，如表3所示，試驗過程中T/R開關(guān)電流穩(wěn)定，工作電壓正常，直到50 g才發(fā)生電壓拉偏的現(xiàn)象。

圖11 半正弦振動理論波形示意圖

表3 半正弦沖擊試驗條件

5 結(jié)論

通過分析T/R開關(guān)的工作環(huán)境以及所承受的加速度，對殼體進(jìn)行建模，對其進(jìn)行模態(tài)分析以及加速度沖擊響應(yīng)仿真。對器件進(jìn)行加速度測試，驗證封裝完全能夠承受一定量（40 g以上）的機(jī)械振動，具有滿足工作需要的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)榮峰，汪學(xué)方，等.MEMS封裝技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)工藝研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2005（1）：50-55.

[2]馬其琪，徐曉輝，等.彈載記錄器的抗高過載分析及設(shè)計[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2015（1）：15-18.

[3]周育寶.LTCC基板的振動分析及其封裝可靠性研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[4]國家標(biāo)準(zhǔn)局.微電子器件試驗方法和程序[S].GJB548B,1985.