硅基三维异构集成射频微系统的多物理场耦合仿真与设计
电子技术应用
张睿1，朱旻琦2，杨兵2，冯政森2，王辂2，张先荣1，陆宇1，蔡源1，邱钊1
1.中国电子科技集团公司第十研究所；2.中国电子科技集团公司第五十八研究所
摘要： 利用硅基三维异构集成工艺设计一款射频微系统，以满足设备对射频模组高性能、小型化的需求。为了在设计初期充分评估该微系统的潜在可靠性风险，根据工艺特征以及产品在多物理场中的耦合现象，建立一种面向硅基三维异构集成工艺射频微系统的多物理场一体化仿真流程，逐一分析所涉及的电-热耦合和热-力耦合过程，预判产品在工作条件下的热学和力学特性，为设计环节提供针对性的指导，预先规避可靠性风险，从而有效提高一次性设计成功率。
中图分类号：TN453 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234510
中文引用格式： 张睿，朱旻琦，杨兵，等. 硅基三维异构集成射频微系统的多物理场耦合仿真与设计[J]. 电子技术应用，2024，50(5)：1-6.
英文引用格式： Zhang Rui，Zhu Minqi，Yang Bing，et al. Multi-physics coupling simulation of silicon-based 3D heterogeneous integrated RF microsystems[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(5)：1-6.
中文引用格式： 张睿，朱旻琦，杨兵，等. 硅基三维异构集成射频微系统的多物理场耦合仿真与设计[J]. 电子技术应用，2024，50(5)：1-6.
英文引用格式： Zhang Rui，Zhu Minqi，Yang Bing，et al. Multi-physics coupling simulation of silicon-based 3D heterogeneous integrated RF microsystems[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(5)：1-6.
Multi-physics coupling simulation of silicon-based 3D heterogeneous integrated RF microsystems
Zhang Rui1，Zhu Minqi2，Yang Bing2，Feng Zhengsen2，Wang Lu2，Zhang Xianrong1，Lu Yu1，Cai Yuan1，Qiu Zhao1
1.The 10th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation； 2.The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation
Abstract： We designed an RF microsystem by using silicon-based three-dimensional heterogeneous integration process to meet the requirements of high performance and miniaturization of RF modules. To fully evaluate the potential reliability risk of the microsystem in the early stage of design, we establish a multi-physics integrated simulation process for this RF microsystem according to the process characteristics and the multi-physics coupling phenomenon. Then we analyze the electro-thermal and thermal-mechanical coupling processes involved, predict the thermal and mechanical characteristics of the product under working conditions, provide targeted guidance for the design process, and avoid reliability risks in advance, so as to effectively improve the success rate of one-time design.
Key words : silicon-based 3D heterogeneous integrated RF microsystem；multi-physics coupling simulation；electro-thermal coupling；thermal-mechical coupling
引言
微系统技术着眼于多功能裸芯的片内高密度集成，是实现集成电路小型化、突破摩尔定律极限的重要解决途径之一[1]，融合了体系架构、算法、微电子、微光子、微机电系统五大要素[2]，采用新的设计方法和制造方法将传感、处理、执行、通信、能源五大功能集成在一起，兼具设计灵活性、工艺兼容性、环境适应性和成本优势[3]，成为行业关注的重点。然而，受到自身集成规模的影响，微系统在架构合理性、散热有效性和结构可靠性等多方面存在设计难度，且这些因素是影响整个电子系统稳定运行的关键。从物理现象发生机理的角度考虑，微系统产品的高集成度使其在实际工作中受到电磁场、热场和应力场的协同作用，表现为一个复杂的多物理场耦合系统。使用有限元多物理场仿真技术能够准确描述这些现象的物理过程，在设计初期进行方案评估，分析当前方案的潜在风险，及时反馈可行的优化建议，有效提高产品研发效率。因此，针对微系统的多物理场耦合仿真分析已受到行业内的广泛关注，成为近年来研究的热点。
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作者信息：
张睿1，朱旻琦2，杨兵2，冯政森2，王辂2，张先荣1，陆宇1，蔡源1，邱钊1
（1.中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036；2.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214000）
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