微机电系统(MEMS)以微波功率表征微波信号，可以精确快速地完成检测任务[1]。MEMS微波功率传感器是微电子元件的重要组成部件，在电子[2]、航天[3]、汽车[4]、医疗[5]等方面得到广泛应用。MEMS微波功率传感器中许多元件对湿度和温度较敏感，在封装时一般使用气密性封装（陶瓷和金属），但是使用陶瓷或金属包装的成本较高，由此限制了MEMS微波功率传感器的广泛应用。塑料封装工艺成本低廉且适于大规模生产，其逐渐取代陶瓷封装，成为MEMS微波功率传感器的主体结构。当前MEMS微波功率传感器的封装技术是基于半导体器件而发展，应用环境的特殊性和复杂程度导致微电子元件在传递模塑和封装中出现孔隙、脱丝、分层等封装缺陷，从而使塑封的成品率下降[6]。金线偏移是指封装过程中的键合线出现变形或偏移，受温度和湿度影响较大。金线发生偏移在MEMS微波功率传感器塑封成型过程中不可避免。为了提高MEMS微波功率传感器的传递模塑和封装的效果，需要对塑料封装形式进行深入研究，并找到塑封工艺最优参数，防止或消除金线偏移等缺陷，改善塑料密封效果，以提升微电子元件的灵敏性、稳定性及抗干扰性。目前，MEMS微波功率传感器在塑料封装时，一般采用黏度小、渗透性优、性能佳的环氧树脂材料完成灌封、塑封和包封，有效提升固化速度[7-9]。通过辅助膜技术将液态环氧树脂压到模腔中对芯片进行封装保护[10]，有效减轻塑料在注塑成型时的压力，延长模具使用寿命，方便模具清洗和使用[11]。本实验对MEMS微波功率传感器模塑封工艺参数进行优化设计，以铸件温度、铸件湿度、塑件温度和注射时间作为自变量，设计L9(34)正交试验，验证金线偏移与模塑封工艺参数之间的关系，获取最优组合的工艺参数，以期提高MEMS微波功率传感器模塑封效果。1MEMS微波功率传感器模塑封装工艺分析1.1建立几何模型图1为金线的结构模型。塑封体为MEMS微波功率传感器芯片，芯片上分布90根间距为0.2 mm的金线，通过引线键合的方式与基板互联，封装结构芯片上方距离塑封表面的高度为0.19 mm。本实验所选择的MEMS微波功率传感器引脚少，引线之间的间距较大，塑封过程中不会被冲歪而导致器件失效。设定线弧高度为0.15 mm，线弧形状为标准线弧，金线高度为0.13 mm，芯片间隔高度差为0.38 mm，拐点到芯片之间的平衡距离为0.45 mm，直径为0.02 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.F001图1金线的结构模型Fig.1Structural model of gold wire1.2网格划分采用Fusion双面网格类型对MEMS微波功率传感器进行网格划分。图2为网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.F002图2网格模型Fig.2Mesh model从图2可以看出，单元基本尺寸为0.6 mm，单元总数为24 740，最大纵横比为3.4，最小纵横比为1.8，平均纵横比为1.6，网格匹配率为90.2%，相互匹配率为91.3%。数值结果满足网格质量要求，可以进行模流计算分析。1.3成型工艺参数设定环氧树脂材料在MEMS微波功率传感器模塑封装充填过程中，高黏度熔胶及快速流动可能引起金线偏移。模塑封装工艺的重要参数包括温度、湿度、压力和时间，这些参数贯穿整个模塑过程，从环氧树脂材料的塑化、注塑成型、保压到冷却。温度主要包括铸件温度、塑件温度，湿度主要为铸件湿度；压力主要为保压压力和冷却压力，时间主要为注射时间和传递时间，表1为塑封推荐成型工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.T001表1塑封推荐成型工艺参数Tab.1Plastic packaging recommended molding process parameters参数数值铸件温度/℃170塑件温度/℃85铸件湿度/%98保压压力/MPa8冷却压力/MPa5注射时间/s6传递时间/s21.4注塑位置选择MEMS微波功率传感器整体外形尺寸为4 mm×4 mm×0.6 mm，借助辅助膜技术进行单点进胶。通过CAE模拟技术分析MEMS微波功率传感器的最佳浇口位置，图3为最佳浇口位置。从图3可以看出，靠近MEMS微波功率传感器中部区域流动阻力较小，浇口匹配性较好，因此浇口位置为红色圆圈处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.F003图3MEMS微波功率传感器最佳注塑浇口位置Fig.3Optimal injection gate position of MEMS microwave power sensor1.5仿真结果分析软件Moldex3D对MEMS微波功率传感器进行填充、金线偏移分析，探讨成型工艺参数对金线偏移的影响。将MEMS微波功率传感器实体网格模型导入Moldex3D，计算金线偏移，考虑金线密度对金线偏移量的影响，图4为仿真结果。MEMS微波功率传感器模塑封装实际生产中的金线偏移量合格数值应小于0.5%[12]，且金线偏移量数值根据Moldex3D模拟得出。从图4可以看出，注塑过程中存在金线交错情形，超出金线偏移量合格数值。经过单因素实验分析得出，推荐参数条件下金线偏移量数值无法达到实际需要。在设定的主要成型工艺参数条件下，铸件温度、塑件温度、铸件湿度和注射时间对金线偏移的影响较为明显。保持原设定的保压压力、冷却压力和传递时间等参数条件，仅对铸件温度、塑件温度、铸件湿度和注射时间进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.F004图4Moldex3D模拟金线交错情形Fig.4Modex3D simulates gold wire interleaving situation2正交试验设计与模塑封装工艺参数优化2.1正交试验设计根据MEMS微波功率传感器类微电子元件实际试模经验，采用四因素三水平的正交试验。选择对金线偏移影响较大的铸件温度(A)、铸件湿度(B)、塑件温度(C)、注射时间(D)作为自变量，每个因素均匀设置三个不同的水平，目标变量选择金线偏移量，研究MEMS微波功率传感器金线偏移与模塑封工艺参数之间的关系，表2为L9(34)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.T002表2L9（34）正交试验因素水平设计Tab.2L9（34） orthogonal test factor level design水平因素铸件温度（A）/℃铸件湿度（B）/%塑件温度（C）/℃注射时间（D）/s114597.5654217098.0856319598.5105102.2正交试验结果表3为L9(34)正交试验结果。从表3可以看出，第4组的金线偏移量最小，为0.497%，第5组的金线偏移量最大，为1.602%，金线偏移量的最大值与最小值相差1.105%，由此表明工艺参数对MEMS微波功率传感器的金线偏移量的影响较大。MEMS微波功率传感器中金线偏移量的R值顺序为：RCRDRBRA。MEMS微波功率传感器的金线偏移量的工艺参数的影响程度排序为：塑件温度注射时间铸件湿度铸件温度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.T003表3L9（34）正交试验结果Tab.3Results of L9（34）orthogonal test试验编号因素金线偏移量/%ABCD111110.874212220.999313330.904421230.497522311.602623120.984731321.129832130.724933210.622K12.7772.5002.5823.098K23.0833.3252.1183.112K32.4752.5103.6352.125k10.9260.8330.8611.033k21.0281.1080.7061.037k30.8250.8371.2120.708R0.2030.2750.5060.329为了确定各工艺参数对MEMS微波功率传感器的最大金线偏移量的影响程度，分析金线偏移量与因素水平的变化情况，图5为金线偏移量随不同工艺参数水平变化曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.F005图5金线偏移量随不同工艺参数水平变化曲线Fig.5Curves of gold wire offset with different process parameters从图5可以看出，MEMS微波功率传感器的金线偏移量随铸件温度A的增大呈现先增大后减小的趋势，当铸件温度为A3时，金线偏移量获得最小值。因为铸件温度升高后，液态环氧树脂黏度降低，使流动性提高，导致金线偏移量下降。最大金线偏移量随铸件湿度B的增大呈现先增大后减小的趋势，铸件湿度为B1时金线偏移量最小。因为湿度越低受到的黏滞性阻力越小。最大金线偏移量随塑件温度C的增大呈现先减小后增大的趋势，当塑件温度为C2时，金线偏移量获得最小值。因为当塑件温度升高，塑封料分子间的空间变大，在85 ℃时流动性最佳。最大金线偏移量随注射时间D的增大呈现先增大后减小的趋势，当注射时间为D3时，金线偏移量获得最小值。因为在注塑体积不变的情况下，注射时间增加，液态环氧树脂在型腔内的流动速度减慢，降低塑料对金线的冲力。综上所述，工艺参数最优组合为A3B1C2D3，即铸件温度为195 ℃、铸件湿度为97.5%、塑件温度为85 ℃、注塑时间为10 s。为了确定各工艺参数对MEMS微波功率传感器的最大金线偏移量的影响程度，进行重复试验，获取方差分析结果，表4为最大金线偏移量的方差分析结果。从表4可以看出，各因素的显著性影响排序为：CDBA。由此表明，正交试验结果与最大金线偏移量的方差分析结果一致。对于MEMS微波功率传感器的工艺参数影响程度排序为：塑件温度注射时间铸件湿度铸件温度。对于铸件温度，F0.05F值F0.01，表明铸件温度对传感器金线偏移量影响显著；对于铸件湿度、塑件温度、注塑时间，F值F0.01，表明铸件湿度、塑件温度、注塑时间造成的影响极显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.T004表4最大金线偏移量的方差分析结果Tab.4Variance analysis results of maximum gold wire offset离差来源偏差平方和自由度方差F值F临界值A0.06120.03055.083F0.01（2，9）=5.111F0.05（2，9）=4.256B0.14920.074512.417C0.40220.201033.500D0.21320.106517.750误差0.05490.0060总和0.879173最优组合下MEMS微波功率传感器模塑封试验在保压压力8 MPa，冷却压力5 MPa，传递时间2 s下，根据最优工艺参数组合A3B1C2D3，即铸件温度195 ℃、铸件湿度97.5%RH、塑件温度85 ℃、注射时间10 s，进行试验验证。图6为最优组合下Moldex3D模拟金线交错情形。从图6可以看出，最优工艺参数下金线偏移量为0.369%，小于正交试验第4组最小金线偏移量结果0.497%，同时满足实际生产中的金线偏移量小于0.5%的要求，验证A3B1C2D3是最优工艺参数组合。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.022.F006图6最优组合下的Moldex3D模拟金线交错情形Fig. 6Moldex3D simulation of gold wire interleaving situation under optimal combination4结论针对环氧树脂材料对MEMS微波功率传感器模塑封进行研究，设计正交试验并通过方案分析得到铸件温度、铸件湿度、塑件温度、注射时间各工艺参数对最大金线偏移量的影响程度。通过综合分析得到优化工艺参数组合为A3B1C2D3，根据方差分析结果验证最优工艺参数组合的准确性。A3B1C2D3的工艺参数组合可以有效避免金线偏移缺陷问题，优化MEMS微波功率传感器模塑封效果，提升设计指标要求和质量。但是，由于时间和研究条件有限，只针对金线偏移封装缺陷进行研究，其他翘曲变形、气孔数量、质量等缺陷没有考虑。后续研究将结合本实验的研究结果，对其他缺陷进行研究，以提升MEMS微波功率传感器的集成度和可靠性。