CN104394496A - 一种小尺寸高灵敏度高信噪比的mems硅麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明为一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，包括金属壳体盖、MEMS器件、ASIC器件和PCB板，其特征在于：所述的金属壳体盖上设有一个进音孔，MEMS器件通过绝缘胶黏连在金属壳体盖的内侧，并且MEMS器件的一面带有一个空腔，所述的空腔与进音孔相对接，所述的PCB板为三层PCB板，其上设有一个凹槽，凹槽的位置与所述的空腔相对，并置于空腔的背后，ASIC器件设于凹槽的中心底部，ASIC器件的顶部与MEMS器件的振膜下方相互间留有间隙，形成上述MEMS硅麦克风的封装方式为垂直式倒装前进音封装方式。本发明提高了麦克风的灵敏度及信噪比，并减小模块体积，满足更高的电路集成化需求。

Description

一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风

技术领域

本发明涉及一种MEMS硅麦克风的封装方法，特别是公开一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，属于硅麦克风封装的技术领域。

背景技术

麦克风能把人的语音信号转化为相应的电信号，广泛应用于手机，电脑，电话机，照相机及摄像机等。传统的驻极体电容式麦克风采用特氟龙作为振动薄膜，不能承受在印刷电路板回流焊接工艺近300度的高温，从而只能与集成电路的组装分开，单独手工装配，大大增加了生产成本。

近三十年的MEMS（Microelectromechanical Systems）技术与工艺的发展，特别是基于硅芯片MEMS技术的发展，实现了许多传感器（如压力传感器，加速度计，陀螺仪等）的微型化和低成本。MEMS硅麦克风已开始产业化，在高端手机的应用上，逐渐取代传统的驻极体电容式麦克风。

MEMS麦克风主要还是采用电容式的原理，由一个振动薄膜和背极板组成，振动薄膜与背极板之间有一个几微米的间距，形成电容结构。高灵敏的振动薄膜感受到外部的音频声压信号后，改变振动薄膜与背极板间的距离，从而形成电容变化。MEMS麦克风后接CMOS放大器把电容变化转化成电压信号的变化，再放大后变成电输出。

目前现有技术中的大多数麦克风采取背进音形式的封装方式，当硅麦克风器件与PCB板贴装后，整个组件的背腔就仅限于硅麦克风器件的空腔体积，只有当此空腔体积足够大时，器件的灵敏度和信噪比才能得以提高。如果以背进音的封装方式，想提升器件的灵敏度和信噪比，就必须增大麦克风器件本身的空腔体积，这种做法与器件微型化的趋势是相矛盾的。因此我们想到使用倒装前进音的方式来封装我们的硅麦克风器件。硅麦克风倒装后，其空腔与进音孔相同，而此时的背腔是整个封装体内部空间，这将一定程度上提高整个组件的灵敏度和信噪比。由于人的语音声压信号非常微弱，灵敏度和信噪比的提高势必提升麦克风的使用效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有麦克风封装技术中存在的不足，提供一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，采用垂直式倒装前进音封装方式，直接提高了同等麦克风产品的灵敏度及信噪比，并使整个封装后的模块体积大大减小，以满足更高的电路集成化需求。

本发明是这样实现的：一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，包括金属壳体盖、MEMS器件、ASIC器件和PCB板，其特征在于：所述的金属壳体盖上设有一个进音孔，所述的MEMS器件通过绝缘胶黏连在金属壳体盖的内侧，并且MEMS器件的一面带有一个空腔，所述的空腔与金属壳体盖的进音孔相对接，所述的PCB板为三层PCB板，所述的PCB板上设有一个凹槽，凹槽的容积与MEMS器件上的空腔相匹配，并置于MEMS器件的空腔的背后，所述的ASIC器件设于PCB板上凹槽的中心底部，ASIC器件的顶部与MEMS器件的振膜下方相互间留有间隙，使MEMS硅麦克风的灵敏度不受影响，形成上述MEMS硅麦克风的封装方式为垂直式倒装前进音封装方式。所述进音孔的孔径为300μm～800μm，所述PCB板上设的凹槽的直径为600μm～900μm的圆形，深度为200μm～700μm。所述的MEMS器件和ASIC器件都设有通过RDL重新布线植上的金属焊球，与PCB板上的第二金属导线、第三金属导线和第四金属导线连接，并通过第一金属导线、第五金属导线连接PCB板的底部。所述金属壳体盖与PCB板的连接面上设有导电胶形成的封闭环，将金属壳体盖与PCB板黏连，导电性能良好。

本发明的麦克风是一种微电子机械系统，所述的MEMS器件即硅麦克风器件，所述的ASIC器件采用特定用途集成电路，是用以增益硅麦克风器件所采集的电信号的。

本发明一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风的封装方式包括如下步骤：

（1）提供一个带进音孔的金属壳体盖；

（2）在金属壳体盖的内部，进音孔的这一面设定区域涂上硬化前较软的绝缘胶；

（3）将MEMS器件放置在金属壳体盖内的绝缘胶上，MEMS器件的空腔对准金属壳体盖的进音孔，通过加温固化绝缘胶，使MEMS器件牢固地黏连在金属壳体盖内；

（4）提供一块三层PCB板，设有一个与MEMS器件上的空腔相匹配的凹槽；

（5）在PCB板的凹槽内放置一个ASIC器件，ASIC器件上的金属焊球要与PCB板凹槽内的金属电极相连接；

（6）在PCB板周边涂上一圈由导电胶形成的封闭环；

（7）将金属壳体盖连同已黏连的MEMS器件按压在PCB板上，MEMS器件的振膜正对PCB板的凹槽，器件上的金属焊球对应PCB板上相应的金属片；

（8）将整个黏连在一起的组件置于设定温度下烘烤，以固化导电胶。

本发明的有益效果是：本发明产品实现了MEMS硅麦克风的垂直式倒装前进音封装方式，增加器件的灵敏度及信噪比，并通过三维垂直式的封装方式使整个MEMS硅麦克风封装后的模块体积大大减小，满足更高的电路集成化趋势和需求。

附图说明

图1  是本发明产品结构剖视图。

图2  是本发明产品中带进音孔的金属壳体盖剖视结构示意图。

图3  是本发明产品的金属壳体盖涂上绝缘胶后的剖视结构示意图。

图4  是本发明产品中将MEMS器件通过绝缘胶黏连在金属壳体盖内后的剖视结构示意图。

图5  是本发明产品中设有凹槽的三层PCB板剖视结构示意图。

图6  是本发明产品中ASIC器件置于凹槽内并通过金属焊球与导线相连的剖视结构示意图。

图7  是本发明产品中带ASIC器件的PCB板涂上导电胶形成封闭环后的剖视结构示意图。

图中：1、金属壳体盖； 2、进音孔； 3、绝缘胶； 4、MEMS器件； 5、ASIC器件； 6、金属焊球； 7、空腔； 8、PCB板； 9、凹槽； 10、第一金属导线； 11、第二金属导线； 12、第三金属导线； 13、第四金属导线； 14、第五金属导线； 15、封闭环。

具体实施方式

根据附图1，本发明产品包括金属壳体盖1、进音孔2、绝缘胶3、MEMS器件4、ASIC器件5、金属焊球6、MEMS器件上的空腔7和PCB板8，PCB板上设有凹槽9、第一金属导线10、第二金属导线11、第三金属导线12、第四金属导线13、第五金属导线14及由导电胶形成的封闭环15。

本发明MEMS硅麦克风的垂直式倒装前进音封装方式包括金属壳体盖1，放置于金属壳体盖内的MEMS器件2，设有一个与MEMS器件2上的空腔7相匹配的凹槽9的PCB板8（PCB板8采用三层PCB板）以及放置于PCB板8的凹槽9内的ASIC器件5。

根据附图2～7，本发明的金属壳体盖1上设有一个进音孔2，并且在金属壳体盖1内部涂有绝缘胶3，绝缘胶3需将MEMS器件4牢固的黏连在金属壳体盖1内。MEMS器件4与ASIC器件5上都有通过RDL重新布线后植上的金属焊球6，MEMS器件4的一面带有一个空腔7，此空腔7要与金属壳体盖1上的进音孔2相对接。三层的PCB板8为绝缘板基，设有一个与MEMS器件2上的空腔7相匹配的凹槽9、覆盖PCB板8上中下三层的金属导线（第一金属导线10、第二金属导线11、第三金属导线12、第四金属导线13和第五金属导线14）及由涂上的导电胶形成的封闭环15。凹槽9的位置要正对MEMS器件4的空腔7，各金属导线的分布位置要能同MEMS器件4和ASIC器件5上各处的金属焊球6相连接，封闭环15要能同金属壳体盖1的边缘相黏连，导电性能要良好。

金属壳体盖1采用能冲压成型的刚度适中的金属，其具有一定的屏蔽电磁干扰的能力。进音孔2一般为直径在300μm～800μm之间的圆型，让声波能够传到MEMS的空腔7内。绝缘胶3具有较强的粘度，将MEMS器件4牢固地黏连在金属壳体盖1内，使封装结构具有一定的抗震效果，绝缘性能要良好。三层的PCB板上的凹槽9的位置要位于MEMS器件4振膜的正下方，并且具备一定的深度，在容纳一个ASIC器件5的前提下，还要在MEMS器件4的振膜下方留有一定的空隙，优化其频响特性。PCB板8上的封闭环15由硬化前较软的导电胶形成，使金属壳体盖1与PCB板黏连后能够有良好的封闭效果，导电性能要良好。

本发明MEMS硅麦克风的垂直式倒装前进音封装方式通过下述工艺步骤实现：

（1）提供一个刚度适中的金属壳体，通过冲压成型，形成一个带进音孔2的、能容纳MEMS器件4的金属壳体盖1；如图2所示：进音孔2的直径大约在300μm～800μm之间；

（2）在上述金属壳体盖1内测，涂上硬化前较软的绝缘胶3，用以黏连MEMS器件4，如图3所示；

（3）将MEMS器件4放置在金属壳体盖1内的绝缘胶3上，MEMS的腔体7对准金属壳体盖1的进音孔2，通过加温固化绝缘胶3，使MEMS器件4牢固地黏连在金属壳体盖1内；如图4所示：器件上的金属焊球6与金属壳体盖1的边缘几乎在同一水平面上，较软的绝缘胶3可以适当调整MEMS器件金属焊球6的水平高度；

（4）如图5所示：提供一块三层PCB板，其主体基板为绝缘材质，在与MEMS器件2上的空腔7相匹配的区域设有一个凹槽9，此凹槽9的位置在MEMS器件4的正下方，并具有一定的深度，在容纳一个ASIC器件5的前提下，仍然留有一定的空隙在MEMS器件4的振膜下方，以优化其频响特性，第一金属导线10贯通PCB板8，使PCB板8正反面形成互连，第二金属导线11、第四金属导线13使PCB板8的上层与中层之间形成互连，第三金属导线12和第五金属导线14实现PCB板8的中层与下层之间的互连。凹槽9一般为一个直径在600μm～900μm的圆形，其深度大约在200μm～700μm之间；

（5）在PCB板8上的凹槽9内放置一个ASIC器件5，如图6所示：ASIC器件5上的金属焊球6要与PCB板8上的凹槽9内的第二金属导线11、第三金属导线12相连接，ASIC器件5放置完成后，其顶部离MEMS器件4的振膜还有100μm～300μm的距离；

（6）在PCB板8周边涂上一圈硬化前较软的导电胶形成的封闭环15，如图7所示：导电胶形成的封闭环15要与金属壳体盖1边缘大小相匹配，以便金属壳体盖1与PCB板8成功黏连；

（7）将金属壳体盖1连同已黏连的MEMS器件4按压在PCB板8上，MEMS器件4的振膜正对PCB板8的凹槽9，MEMS器件4上的金属焊球6对应PCB板上相应的第二金属导线11和第四金属导线13，如图1所示；

（8）将整个黏连在一起的组件置于设定温度下烘烤，以固化导电胶。

本发明MEMS硅麦克风工作时，金属壳体盖1将通过封闭环15与三层PCB板上层的第一金属导线10相连，MEMS器件4和ASIC器件5通过PCB板上第二金属导线11、第四金属导线13相连接，ASIC器件5上其他电极可以通过金属焊球6与PCB板中层的第二金属导线11，第三金属导线12相连接，并通过PCB板上的第五金属导线14连接到PCB板下层。当外部有声音时，声音会从进音孔2进入，对MEMS器件4振膜产生作用力，MEMS器件4的电容变化将通过ASIC器件5，将信号放大成可检测对应的声音信号。

本发明通过焊球工艺取代现有技术的wire bonding工艺，并将MEMS器件同ASIC器件呈三维垂直分布，可大大缩小整个封装结构的实际三维体积。此外，通过将MEMS器件倒置，并形成前进音的封装模式，将进一步增加器件的灵敏度及信噪比。

Claims (4)

1.一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，包括金属壳体盖（1）、MEMS器件（4）、ASIC器件（5）和PCB板（8），其特征在于：所述的金属壳体盖（1）上设有一个进音孔（2），所述的MEMS器件（4）通过绝缘胶（3）黏连在金属壳体盖（1）的内侧，并且MEMS器件（4）的一面带有一个空腔（7），所述的空腔（7）与金属壳体盖（1）的进音孔（2）相对接，所述的PCB板（8）为三层PCB板，所述的PCB板（8）上设有一个凹槽（9），凹槽（9）的容积与MEMS器件（4）上的空腔（7）相匹配，并置于MEMS器件（4）的空腔（7）的背后，所述的ASIC器件（5）设于PCB板（8）上凹槽（9）的中心底部，ASIC器件（5）的顶部与MEMS器件（4）的振膜下方相互间留有间隙，使MEMS硅麦克风的灵敏度不受影响，形成上述MEMS硅麦克风的封装方式为垂直式倒装前进音封装方式。

2.根据权利要求 1 所述的一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，其特征在于：所述进音孔（2）的孔径为300μm～800μm，所述PCB板（8）上设的凹槽（9）的直径为600μm～900μm的圆形，深度为200μm～700μm。

3.根据权利要求 1 所述的一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，其特征在于：所述的MEMS器件（4）和ASIC器件（5）都设有通过RDL重新布线植上的金属焊球（6），与PCB板（8）上的第二金属导线（11）、第三金属导线（12）和第四金属导线（13）连接，并通过第一金属导线（10）、第五金属导线（14）连接PCB板（8）的底部。

4.根据权利要求 1 所述的一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，其特征在于：所述金属壳体盖（1）与PCB板（8）的连接面上设有导电胶形成的封闭环（15），将金属壳体盖（1）与PCB板（8）黏连，导电性能良好。