CN101053279A - 指向性硅电容传声器 - Google Patents

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CN101053279A CNA2006800007080A CN200680000708A CN101053279A CN 101053279 A CN101053279 A CN 101053279A CN A2006800007080 A CNA2006800007080 A CN A2006800007080A CN 200680000708 A CN200680000708 A CN 200680000708A CN 101053279 A CN101053279 A CN 101053279A
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Abstract

本发明涉及将传声器的壳体和安装有MEMS芯片的基板接合的封装结构的指向性硅电容传声器。这种本发明的传声器由如下部分构成：金属壳体，其形成有用于使前方声流入的前方声流入孔；基板，其形成有用于使后方声流入的后方声流入孔，该基板上安装有MEMS(微电子机械系统)传声器芯片以及内置有电压泵和缓冲器IC的特殊应用型半导体(ASIC)芯片，且形成有用于与上述金属壳体接合的连接图形；相位延迟体，其将通过上述前方声流入孔或上述后方声流入孔输入的任意一个声音的相位延迟；固定单元，其将上述金属壳体固定到上述基板上；以及粘合剂，其涂布于通过上述固定单元固定的上述金属壳体和上述基板的整个接合面周围，将上述金属壳体和上述基板接合。而且，本发明利用激光将金属壳体预焊到基板上进行固定之后，利用粘合剂接合，从而接合时，壳体得到固定，不会发生不良，接合力强，机械牢固性提高，抵抗外部噪声的能力强，尤其能够削减工序费用，大幅降低制造成本。

Description

指向性硅电容传声器
技术领域
本发明涉及指向性电容传声器，更详细地说，本发明涉及将传声器的壳体和安装有MEMS芯片的基板接合的封装结构的指向性硅电容传声器。
背景技术
通常，广泛使用于移动通信终端或音响等的电容传声器由如下部分构成：偏压元件；膜片/背板对，其用于形成与声压(sound pressure)对应地变化的电容器(C)；以及结型场效应晶体管(JFET)，其用于缓冲输出信号。这种典型方式的电容传声器在一个壳体内依次组装振动板、隔环、绝缘环、背板、导电环之后，最后插入安装有电路部件的PCB，将壳体的末端朝向PCB侧卷曲，构成一个组装体。
但是，这样的将壳体末端向PCB侧加压的同时卷绕而使之弯曲的卷曲(curling)方式存在如下问题：由于工艺进行时的压力和部件之间的公差，给最终产品的形状或声音特性造成影响。即，当卷曲工艺中按压的力量不足时，声压漏进壳体(case)和PCB之间，音质下降，若卷曲时按压的力量过大，则卷曲的面破损，或导致内部部件变形，导致声音特性失真。
作为解决这种问题的技术，已有韩国专利局的公开专利公报第10-2004-0072099号中公开的“电容传声器的壳体接合结构及其制造方法”。
上述公开号第10-2004-0072099号的现有技术如图10所示，在由壳体(30)和振动板、间隔物、背板、注塑物、连接环、基板(40)构成的通常的电容传声器的结构中，将壳体(30)的开放的端部向外方弯折，沿着端部将连接片(31)形成为环形，在基板(40)的与上述壳体的连接片对置的面的预装位置电镀导电性金属，形成焊接区域(41)之后，在壳体(30)的内部依次设置各构件，为了使接合片(31)和基板的焊接区域(41)面对，利用两个电极对壳体和基板施压，在压合的状态下瞬间供电，使形成于基板的焊接区域(41)和壳体的连接片(32)熔融，使壳体的连接片(31)和基板的焊接区域(41)粘合。
但是，像这样将壳体的连接片和基板的焊接区域全面电焊接的情况下，由于焊接时产生的热，在构成部件上产生变形和应力，不易设置和起动电极，存在焊接施工困难的问题。
另一方面，最近作为用于微机(microstructures)的集成化的技术，具有利用了微机加工的半导体加工技术。被称之为微电子机械系统(MEMS：Micro Electro Mechanical System)的这种技术，利用半导体工艺、特别是应用了集成电路技术的微机加工技术，能够制造μm单位的超小型传感器或致动器以及电机械构件。这种利用微机加工技术制造的MEMS芯片传声器通过超精密微加工，可以实现小型化、高性能化、多功能化、集成化，具有可提高安全性和可靠性的优点。
而且，不仅是通常的电容传声器，对于使用了MEMS技术的硅电容传声器，为了高效地将壳体和基板接合，也需要新的封装技术。
另外，传声器根据指向特性分为无指向性(全方位)传声器和指向性传声器，指向性传声器又分为双方向性(Bi-directional)传声器和单方向性(Uni-directional)传声器。双方向性传声器充分再现前方和后方入射声，对于从侧方角入射的声音，显示出衰减特性，对音源的两极图形(polar pattern)显示出8字形，近场效果(Near field)特性好，被广泛应用于噪声严重的体育场广播用等。单一指向性传声器响应于宽广的前方入射声，维持输出值，而对于后方入射音源，抵消输出值，改善相对于前方音源的S/N比，因此，清晰度好，广泛用于声音识别用装置。
发明内容
本发明是为了解决上述现有的技术问题而进行的，其目的在于，提供一种利用粘合剂接合传声器的壳体和基板的结构的指向性硅电容传声器。
为了达到上述目的，本发明的传声器，其特征在于，该传声器包括：金属壳体，其形成有用于使前方声流入的前方声流入孔；基板，其形成有用于使后方声流入的后方声流入孔，且该基板上安装有MEMS传声器芯片以及内置有电压泵和缓冲器IC的特殊应用型半导体(ASIC)芯片，并形成有用于与上述金属壳体接合的连接图形；相位延迟体，其用于使通过上述前方声流入孔或上述后方声流入孔输入的任意一个声音的相位延迟；固定单元，其将上述金属壳体固定到上述基板上；以及粘合剂，其涂布于通过上述固定单元固定的上述金属壳体和上述基板的整个接合面周围，将上述金属壳体和上述基板接合。
附图说明
图1是本发明的指向性硅电容传声器的第一实施例的分解示意图。
图2是本发明的指向性硅电容传声器的第一实施例的侧剖视图。
图3是本发明的指向性硅电容传声器的第一实施例的侧剖视图。
图4是示出本发明的指向性硅电容传声器的MEMS芯片结构的例子。
图5是本发明的指向性硅电容传声器的电路图。
图6是示出本发明的指向性硅电容传声器的封装步骤的顺序图。
图7是本发明的指向性硅电容传声器的第二实施例的分解示意图。
图8是本发明的指向性硅电容传声器的第三实施例的分解示意图。
图9是本发明的指向性硅电容传声器的第三实施例的侧剖视图。
图10是示出现有的封装电容传声器的概念的图。
符号说明
10MEMS(微电子机械系统)芯片；20特殊应用型半导体(ASIC)芯片；100，200传声器；110，210壳体；110a，210a前方声流入孔；120，220基板；120a后方声流入孔；120b密封端子；121，221连接图形；123，125连接端子；124通孔；130预焊点；140粘合剂；150相位延迟体；310主PCB。
具体实施方式
下面，参照附图，详细说明本发明的优选实施例。
[第一实施例]
图1是本发明的硅电容传声器的第一实施例的分解示意图，图2，3是本发明的第一实施例的侧剖视图。此处，图2是相位延迟体(150)附着在壳体(110)侧时的剖视图，图3是相位延迟体(150)附着在基板(120)侧时的剖视图。
本发明的第一实施例如图1和图2、3所示，利用激光将圆筒形的金属壳体(110)预焊(tack welding)到基板(120)上，将壳体(110)固定到基板(120)上之后，利用粘合剂(140)将壳体(110)和基板(120)接合，所述金属壳体(110)上形成有用于前方声的前方声流入孔(110a)，所述基板(120)上安装有MEMS芯片(10)和ASIC芯片(20)。这里，作为粘合剂(140)，可以使用导电性环氧树脂、非导电性环氧树脂、银膏(Silver Paste)、硅树脂、尿烷树脂、丙烯酸树脂、焊糊(Cream Solder)等。
参照图1和图2、3，基板(120)上安装有MEMS芯片(10)和ASIC芯片(20)，在与金属壳体(110)接触的部分形成有连接图形(121)。并且，在安装有MEMS芯片(10)的位置的基板(120)上形成有用于使后方声流入的后方声流入孔(120a)，在后方声流入孔(120a)的周边外侧形成有密封端子(120b)。
基板(120)的大小大于金属壳体(110)的大小，所以能够将用于与外部器件连接的连接垫片或连接端子自由地配置到宽广的基板面上，连接图形(121)是通过通常的PCB制造工序加上铜箔之后，电镀镍(Ni)或金(Au)来形成的。此时，作为基板(120)，可以使用PCB基板、陶瓷基板、FPCB基板、金属PCB基板等各种基板。
金属壳体(110)形成为圆筒形，其与PCB基板(120)连接的面开口，以便能够在内部安装芯片部件，在上表面形成有用于使前方声流入的前方声流入孔(110a)。作为金属壳体(110)的材质，可以使用黄铜或铜、不锈钢、铝、镍合金等，也可以电镀金或银来使用，金属壳体的形状可以是圆形或四边形，也可以是在壳体的末端部分形成突出的翼部的形状等各种形状。
将这种金属壳体(110)排列到PCB基板(120)的连接图形(121)上之后，利用未图示的激光加工机，使用激光将连接部位即预焊点(130)预焊，固定壳体(110)和基板(120)之后，将粘合剂(140)涂布于接合部位的整个面上，完成传声器封装。此处，“预焊”并不是将壳体(110)和PCB(120)面对的整个面焊接，而是为了固定壳体(110)和PCB(120)，点焊一处或多处(将此成为预焊点，优选为两处或四处)。将这样利用预焊形成于壳体(110)和PCB(120)之间的接合点称为预焊点(130)，在这种壳体(110)通过预焊点(130)固定在PCB(120)上，利用粘合剂(140)将壳体(110)粘合到PCB(120)的情况或在固化过程中，壳体(110)不会移动，能够在正确的位置上形成接合。另外，连接图形(121)与接地端子(125)连接，此处若粘合金属壳体(110)，则屏蔽外部噪声的流入，具有容易除去噪声的优点。
这样完成封装的指向性传声器组装体如图2和图3所示，利用激光的预焊固定基板(120)的连接图形(121)和金属壳体(110)之后，利用粘合剂(140)接合。而且，为了使传声器具有指向特性，将用于使流入的声音的相位延迟的相位延迟体(150)设置于壳体(110)或基板(120)中的任意一侧。
在基板(120)的底面形成有至少2个以上且8个以下的用于与外部器件连接的连接端子(123，125)，各连接端子(123，125)经由通孔(124)与芯片部件面电导通。尤其，本发明的实施例中，将连接端子(123，125)形成得较长，以达到基板(120)的周边部时，能够通过露出面与电烙铁等接近，容易进行再加工(rework)。
MEMS芯片(10)的结构如图4所示，利用MEMS技术在硅晶片(14)上形成背板(13)之后，相隔间隔物(12)形成振动膜(11)。这种MEMS芯片(10)的制造技术为公知的，所以省略详细说明。
特殊应用型半导体(ASIC)芯片(20)与MEMS芯片(10)连接，其是用于处理电信号的部分，如图5所示，该特殊应用型半导体(ASIC)芯片(20)由如下部分构成：电压泵，其向MEMS芯片(10)供电而使其作为电容传声器动作；以及缓冲器IC(24)，其将通过MEMS芯片检测到的电声音信号放大或进行阻抗匹配，通过连接端子提供给外部。此处，电压泵(22)是DC-DC转换器，缓冲器IC(24)可以使用模拟放大器或模数转换器(ADC)等。在图5的电路图中，电容符号“CO”表示相对于MEMS芯片(10)的电等效电路，MEMS传声器封装(100)通过3个连接端子(Vdd、GND、Output)与外部器件连接。
本发明的实施例中，说明了利用激光预焊将壳体(110)固定到PCB基板(120)上的例子，但也可以利用锡焊(soldering)、冲压(punching)等其它方式将壳体(110)固定到基板(120)上，作为粘合剂(140)，可以使用导电性或非导电性环氧树脂、银膏、硅树脂、尿烷树脂、丙烯酸树脂、焊糊等。
图6是示出本发明的硅电容传声器的封装步骤的顺序图。
本发明的封装硅电容传声器的方法如图6所示，包括如下步骤：投入基板(120)的步骤(S1)；在基板(120)上设置MEMS部件(10)和特殊应用型半导体(ASIC)芯片(20)的步骤(S2)；投入金属壳体(110)的步骤(S3)；在基板的连接图形(121)上排列壳体(110)的步骤(S4)；通过预焊等固定壳体(110)的末端部分和基板的连接图形(121)的步骤(S5)；将壳体(110)固定到基板(120)上之后，在基板(120)和壳体(110)面对的部分的整个周围涂布粘合剂(140)，将壳体(110)和基板(120)接合的步骤(S6)；以及使粘合剂(140)固化的步骤(S7)。
此时，作为基板(120)，可以使用PCB基板、陶瓷基板、FPCB基板、金属PCB基板等多种基板，在基板(120)上形成有用于与金属壳体(110)连接的连接图形(121)。而且，虽未图示，根据需要，一起安装用于屏蔽电磁波或ESD的电容器或电阻。
另外，作为金属壳体(110)的材质，可以使用黄铜或铜、不锈钢、铝、镍合金等，也可以电镀金或银来使用，金属壳体(110)的形状可以是圆形或四边形，也可以是在壳体的末端部分形成突出的翼部的形状等各种形状。
此外，对于将金属壳体(110)固定到基板(120)上的步骤5(S5)，可以利用激光焊接或锡焊等的预焊、或冲压等，粘合剂(140)可以使用导电性或非导电性环氧树脂，利用粘合剂(140)接合之后，通过自然固化、紫外线固化、热固化等，使粘合剂(140)固化，完成传声器的制作。
根据这种本发明的封装方法，利用激光将金属壳体(110)预焊到基板(120)上、并进行固定之后，利用粘合剂(140)粘合，使粘合剂(140)固化，从而接合力(电连接力和密封性能)得到强化，音质提高，抵抗外部噪声的能力强，尤其能够减少不良产生，削减工序费用，具有能够大幅降低制造成本的优点。
[第二实施例]
图7是本发明的第二实施例的分解示意图，本发明的第二实施例利用激光将四边筒形的金属壳体(210)预焊到基板(220)上，进行固定之后，利用粘合剂(140)粘合，使粘合剂(140)固化，所述金属壳体(210)上形成有用于使前方声流入的前方声流入孔(210a)，所述基板(220)上形成有用于使后方声流入的后方声流入孔。
参照图7，基板(220)上安装有MEMS芯片(10)和ASIC芯片(20)，在安装有MEMS芯片(10)的位置的基板(220)上形成有用于使后方声流入的后方声流入孔。而且，在与金属壳体(210)接触的部分上形成有四边形的连接图形(221)，连接图形(221)利用通常的PCB图形技术，由铜箔基板(Copper Film)形成。
金属壳体(210)形成为四边筒形，其与PCB基板(220)连接的面开口，该金属壳体(210)的上面形成有用于使前方声流入的前方声流入孔(210a)。
这样将金属壳体(210)排列到基板(220)的连接图形(221)上之后，利用未图示的激光加工机，如图7所示，在各面的一个连接部位上进行激光焊接，形成预焊点(130)，在连接面的整个周围涂布粘合剂(140)之后，使粘合剂(140)固化，完成封装。此处，连接图形(221)与接地端子连接，此处若焊接金属壳体(210)，则能够屏蔽外部噪声，具有容易除去噪声的优点。
这样完成了封装的指向性硅电容传声器组装体，除了壳体形状之外，与第一实施例相同，因此，为了避免重复，省略详细说明。
[第三实施例]
图8是本发明的在部件安装面上形成有连接端子的指向性硅电容传声器的安装示意图，图9是安装图8中示出的指向性硅电容传声器时的侧剖视图。
本发明的指向性硅电容传声器如图8和图9所示，利用粘合剂(140)将圆筒形的金属壳体(110)粘贴到比金属壳体(110)宽的基板(120)上，该金属壳体(110)上形成有用于使前方声流入的前方声流入孔(110a)，该基板(120)上形成有用于使后方声流入的后方声流入孔(120a)，在基板的部件面(120b)上形成有连接端子(122)，该连接端子(122)用于与使用传声器的产品的主PCB(230)的连接图形(320)连接。
本发明的实施例中举出了具有4个连接端子的例子，但这只不过是一个例子，可以形成至少2个以上且8个以下。而且，将连接端子(122)扩展到基板的侧壁部，或连着侧壁部扩展到部件面的背面的情况下，能够改善电烙铁等的热传导，再加工作业更加方便。
此外，安装有本发明的指向性硅电容传声器的产品的主PCB(310)上形成有圆形的插入孔(310a)，以便安装指向性硅电容传声器的壳体(110)，并且，与传声器的基板(120)上形成的连接端子(122)对应地形成连接图形(320)。
这样在主PCB(310)上安装有指向性硅电容传声器的整体结构如图9所示，在基板部件面(120b)的中央部分突出的金属壳体(110)插入到主PCB(310)的插入孔(310a)内，并且，主PCB的连接图形(320)通过锡焊(330)与传声器的连接端子(122)连接。
另外，根据本发明的安装方式，向传声器的基板上方突出的壳体(110)部分插入到形成于主PCB(310)的插入孔(310a)内，因此，安装后的整体高度与现有的在传声器的部件面的反面形成连接端子、安装到主PCB上方时的情况相比，整体高度变低，能够有效使用产品的部件安装空间。
在这种指向性硅电容传声器的金属壳体(110)内部，MEMS芯片(10)和ASIC芯片(20)安装在基板(120)上，在基板(120)的中央部分形成有用于使后方声流入的后方声流入孔(120a)，在后方声流入孔(110a)的内侧附着有用于实现指向性的相位延迟体(150)。此处，虽未在图中示出，但声抗(150)也可以附着在前方声流入孔(110a)的内外侧或后方声流入孔(120a)的内外侧。
参照图9，完成了封装的指向性硅电容传声器组装体的结构如下：通过激光预焊将金属壳体(110)固定到安装有MEMS芯片(10)和ASIC芯片(20)的PCB基板(120)上之后，利用粘合剂(140)与连接图形(121)接合。
金属壳体(110)的与MEMS芯片(10)的位置一致的部分上形成有用于使前方声流入的前方声流入孔(110a)，在PCB基板(120)的安装有MEMS芯片(10)的位置上形成有用于使后方声流入的后方声流入孔(120a)，在前方声流入孔(110a)的内侧附着有相位延迟体(150)。
这种第三实施方式的结构中，通过前方声流入孔(110a)或后方声流入孔(120a)流入的声音通过相应的相位延迟体(150)，改变了相位，具有指向特性。
如上所述，本发明利用激光将金属壳体预焊到基板上进行固定之后，利用粘合剂接合，所以在接合时壳体被固定，不会发生不良，接合力强，机械牢固性提高，抵抗外部噪声的能力强，尤其削减工序费用，具有能够大幅降低制造成本的优点。
而且，从现有的指向性传声器的制造工序中，取消了将金属壳体和PCB接合的工序即卷曲工序，而是利用粘合剂将金属壳体粘贴到安装有电容传声器用部件的PCB基板上，从而能够提高壳体与PCB基板之间的电气导电特性，并且，为了不使声压从外部进入，将壳体和PCB之间密封，能够提高声音特性。
另外，PCB的形状不受壳体限制，可以自由设计传声器中使用的PCB，可以形成多种形态的端子形状，即使没有现有的卷曲时施加的物理力，也能够进行作业，能够应用更薄的PCB，使用这种薄的PCB时，能够降低产品的高度，可以制造更薄型的指向性传声器。
如上所述，参照本发明的优选实施例进行了说明，但本领域的技术人员应该可以明白，在不脱离权利要求范围中记载的本发明的宗旨和区域的范围内，可以对本发明实施各种修改和变形。

Claims (7)

1.一种指向性硅电容传声器，其特征在于，该指向性硅电容传声器包括：
金属壳体，其形成有用于使前方声流入的前方声流入孔；
基板，其形成有用于使后方声流入的后方声流入孔，且该基板上安装有MEMS传声器芯片以及内置有电压泵和缓冲器IC的特殊应用型半导体(ASIC)芯片，并形成有用于与上述金属壳体接合的连接图形；
相位延迟体，其用于使通过上述前方声流入孔或上述后方声流入孔输入的任意一个声音的相位延迟；
固定单元，其将上述金属壳体固定到上述基板上；以及
粘合剂，其涂布于通过上述固定单元得到固定的上述金属壳体和上述基板的整个接合面周围，将上述金属壳体和上述基板接合。
2.根据权利要求1所述的指向性硅电容传声器，其特征在于，上述固定单元是通过激光或锡焊的预焊形成的预焊点。
3.根据权利要求1所述的指向性硅电容传声器，其特征在于，上述粘合剂选自导电性环氧树脂、非导电性环氧树脂、银膏、硅树脂、尿烷树脂、丙烯酸树脂以及焊糊中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的指向性硅电容传声器，其特征在于，上述金属壳体为圆筒形或四边筒形。
5.根据权利要求1所述的指向性硅电容传声器，其特征在于，上述基板在安装上述金属壳体的相反面形成有用于与外部电路连接的连接端子。
6.根据权利要求1所述的指向性硅电容传声器，其特征在于，上述基板在安装上述金属壳体的面形成有用于与外部电路连接的连接端子。
7.根据权利要求1所述的指向性硅电容传声器，其特征在于，上述相位延迟体设置在形成于上述金属壳体的前方声流入孔的内侧或外侧、或者形成于上述基板的后方声流入孔的内侧或外侧中的任意一个位置。
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