CN104756523A - Mems器件中的嵌入电路 - Google Patents

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Abstract

一种微机电系统(MEMS)麦克风包括印刷电路板，MEMS芯片和集成电路。该MEMS芯片设置在印刷电路板的顶面上。该集成电路至少部分地设置在印刷电路板中并产生至少一个输出信号。该集成电路的至少一个输出信号直接传输到至少一个导体中到达印刷电路板处的接入垫。该接入垫设置在与印刷电路板的顶面相反的底面上。该集成电路包括传导垫，并且在该集成电路的传导垫和该印刷电路板之间设置有接口层。

Description

MEMS器件中的嵌入电路
相关申请的交叉参考
本专利根据35U.S.C§119(e)还要求2012年9月27日提交的、名称为“EmbededCircuit in a MEMS Device”的美国临时申请No.61/706,350的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本申请涉及声学器件，更具体的说，涉及这些器件上或这些器件内的集成电路的布置。
背景技术
微机电系统(MEMS)器件包括提到的两个示例，麦克风和扬声器。在MEMS麦克风的情况下，声能通过声音端口输入并振动振动膜，这个动作造成振动膜和位于振动膜附近的背板之间电势(电压)的相应改变。这个电压表示已经接收到声能。典型地，随后将该电压传输到电路(例如，集成电路，诸如专用集成电路(ASIC))。在该电路上可以执行进一步的信号处理。例如，在集成电路上可以执行对电压信号的放大和滤波功能。
麦克风的元件通常设置印刷电路板(PCB)上，印刷电路板还可以提供麦克风元件之间的电连接，以及为这些元件提供物理支持。集成电路通常具有有效尺寸，使得MEMS器件的总尺寸至少有点依赖于集成电路的尺寸。
在一些应用中，期望MEMS器件的尺寸尽可能的小，上述的这些设备的布局产生了减小设备尺寸的问题。例如，如果将MEMS器件装配到蜂窝电话或者外部耳机中，那么通常希望使设备尽可能的小。由于集成电路总是装配在电路板上，所以设备的总尺寸只可能减少这么多。
由于这些缺点，之前的方法不能完全解决上述问题，这些之前的方法带来的用户不满增加。
附图说明
为了更完整地理解本发明，将参照以下详细描述和附图，其中：
图1是根据本发明各个实施方式的MEMS器件或组件的框图；
图2A和2B是根据本发明不同实施方式具有MEMS芯片的MEMS器件或组件在这些器件中以第一方向排列的框图；
图3A和3B是根据本发明不同实施方式具有MEMS芯片的MEMS器件或组件在这些器件中以第二方向排列的框图。
图4是根据本发明不同实施方式示出了嵌入式集成电路全貌图的MEMS器件或组件的部分截面图。
本领域技术人员明白，为了简单清楚，附图中的元件是示例性的。还将明白，某些动作和/或步骤描写或叙述为以特定顺序出现，然而本领域技术人员将理解关于顺序的特性不是必需的。还将理解，除了这里另外陈述的具体意义，这里使用的术语和表达具有通常的意义，与相对于他们相应各自领域的查询和研究的术语和表达相一致。
具体实施方式
提出了一种将集成电路(例如，ASIC或类似器件)或其他电路元件嵌入到声学器件或组件(例如，MEMS麦克风)的印刷电路板(PCB)中的方法。如这里所使用的，集成电路是一种电子器件，可以封闭在其自身独立的壳体内并对接收的电信号执行独立的处理功能，其中处理功能不仅仅是传送信号。换句话说，集成电路不仅仅是传输介质。
在一些实施方式中，嵌入式集成电路(例如，ASIC)的输出信号直接传输到PCB中的镀覆通孔到达金属化的外层到用户焊接垫(例如，在PCB的底侧)。另外ASIC和MEMS芯片之间的信号直接传输到PCB中的镀覆通孔到达与用户焊接垫相反的金属化外层(例如，在PCB的顶面)。这个外部金属化层(“顶层”)可以用于最后的麦克风组件。在一些方面，MEMS芯片安装在PCB的顶面(例如，或者通过倒装接合或者通过模连接和丝焊)并将盖子粘附(例如，通过焊料、环氧树脂或一些其他方法)到PCB的顶面以声学地密封并保护MEMS器件(例如，MEMS麦克风)免受环境干扰，并允许用户进一步装配。在另一方面，接口层(例如，重分布层)可以在集成电路上使用或设置在集成电路上，并且这个接口层可以设置/嵌入在(集成电路的)连接垫和基底(例如，印刷电路板)之间。
本发明的方法的一个优点中，节省了大量空间允许整体设备在尺寸上减小。在某些示例中，MEMS芯片至少部分地在集成电路上面附接(例如，附接了芯片的情况下倒装接合或者丝焊)以节省这个空间。在另一些示例中，MEMS芯片设置为完全嵌入在集成电路的上面(即，完全覆盖嵌入的集成电路)。将声音端口设置为穿过PCB的基底(即，穿过PCB的底部)或者穿过盖子(即，穿过器件顶部的盖)。用户可以将声密封条放置在与声学器件或装置的声音端口相同的一侧。在其他方面，双声音端口用于用户应用的垫圈以增加器件后空间，因此提高器件的性能。
由于声学器件或组件的元件(例如，MEMS芯片和集成电路)在某些方面物理地相互叠置，所以设备可以有更小的尺寸。在一个示例中，跟以前的方法相比，达到节省大概百分之三十。可以理解集成电路仅占用通常不使用的空间。在这样做时，获得元件的更有效布置。
参照图1，描述了具有嵌入式集成电路的声学器件或装置的一个示例。设备100包括印刷电路板108，盖或盖子107，包括背板140和振动膜141的MEMS芯片102，集成电路104，连接区域116，声音端口106，声音118穿过该声音端口进入到前空间117。随着声音(由箭头118指示的)进入到前空间117，MEMS芯片102的振动膜振动改变振动膜141和背板140之间的距离。这导致在背板140产生电压，该电压经由导体110传输到集成电路104。集成电路104执行对信号的处理，随后将信号传输到区域116。用户或者其他使用者可以在区域116接通信号做进一步处理。在一个示例中，设备或装置100设置在蜂窝电话中，这样区域116电连接到蜂窝电话的电子元件。用户或终端用户设备(例如，计算机或者耳机)的其他示例也是可能的。
对本领域技术人员来说，MEMS芯片102，背板和振动膜是在MEMS器件上通常使用的元件，这里将不再描述。集成电路104是执行任何类型功能(例如，放大)的任何电路。集成电路104可以是任何形状或配置。
应理解的是虽然显示并描述了麦克风，但是MEMS器件的其他示例也可以使用根据这里描述的方法。还将理解的是如所示的集成电路104的布置至少部分地位于MEMS芯片102的下面。然而，应理解的是集成电路104可以完全位于或者根本不在MEMS芯片102的下面。另外，尽管如所示的集成电路104是长方形的，应理解的是集成电路104可以呈现任何形状或适当的尺寸。还应理解的是可以将多个集成电路嵌入到基底PCB中。
PCB 108包括焊料掩模层112和113，金属层114和115，填充或镀覆了导电金属的过孔130，内PCB层109(例如，由环氧玻璃纤维复合材料构建，例如FT-4层压材料或者BT环氧树脂)。导线或其他导体110通过第一金属层114将MEMS芯片102耦接到集成电路104。集成电路104的输出通过第一金属层114、过孔130和第二金属层115电耦接到区域116。应理解的是可以使用不同制作方法构造器件100和PCB 108。还应理解的是也可能是其他层、构造、尺寸和构成材料。在其他方面，接口层(例如，再分配层)可以用于或设置在集成电路104上，这个接口层可以设置/嵌入在(集成电路的)接触垫和PCB 108的第一金属层之间。
图2A、图2B、图3A、图3B和图4是包括嵌入式集成电路的声学器件和组件(例如，MEMS麦克风)的示例。如图1的示例，应理解的是虽然显示了麦克风，但是MEMS器件的其他示例也可以使用根据这里描述的方法。还将明白如所示的集成电路的布置至少部分地位于MEMS芯片的下面。然而，应理解的是集成电路可以完全位于或者根本不在MEMS芯片的下面。另外，尽管如所示的集成电路是长方形的，将理解集成电路可以呈现任何形状或适当的尺寸。
参照图2A，描述了具有嵌入式集成电路的声学器件或组件200(例如，MEMS麦克风)的一个示例。设备200包括印刷电路板202，盖子201，MEMS芯片204(包括背板206和振动膜208)，集成电路210，声密封条212，连接垫214和声音端口216，声音218穿过该声音端口进入到前空间220。还提供了后空间222。随着声音(由箭头218指示的)进入到前空间220，振动膜208振动改变振动膜208和背板206之间的距离。这导致在背板206产生电压，该电压经由导体224传输到集成电路210。集成电路210执行对信号的处理，并经由导体226将信号传输到垫214。垫214可以是传导区，在这里可以耦接用户应用的电子设备(例如，蜂窝电话或者计算机)。用户可以在垫214接通电压做进一步信号传输或者使用。
印刷电路板202是容纳集成电路210所需尺寸的任何类型的印刷电路板。例如，如参照图1所述，PCB可以具有焊料掩模层和金属化层。
对本领域技术人员来说，MEMS芯片204，背板206和振动膜208是在MEMS器件上通常使用的元件，这里将不再描述。集成电路210是执行任何类型功能(例如，放大)的任何电路。集成电路210可以是任何形状或配置。如本领域技术人员所知的，声密封条212提供前空间220和后空间222之间的声音密封。导体224和226由任何类型的电导材料构成以提供电连接。在一个示例中，导体224是丝焊并且226是包括用于提供电连接的金属(例如，铜)的过孔。在其他方面，接口层(例如，再分配层)可以用于或设置在集成电路210上，并且这个接口层可以设置/嵌入在(集成电路的)接触垫和PCB 202的第一金属层之间。
参照图2B，描述了具有嵌入式集成电路的声学器件或组件250(例如，MEMS麦克风)的另一个示例。除了图2A的底部端口现在由顶部端口代替并且声音通过设备250的顶部进入之外，图2B的示例与图2A的示例类似。
更具体的说，设备250包括印刷电路板252，盖子251，MEMS芯片254(包括背板256和振动膜258)，集成电路260，声密封条262，连接垫264和顶部声音端口266，声音268穿过该声音端口进入到前空间270。还提供了后空间272。随着声音268进入到前空间270，振动膜258振动改变振动膜258和背板256之间的距离。这导致在背板256产生电压，该电压经由导体274传输到集成电路260。集成电路260执行对信号的处理，并经由导体276将信号传输到垫264。用户可以在垫264得到该电压以做进一步处理。元件以类似图2A的元件的方式运行，他们的运行这里将不再进一步描述。PCB 252中集成电路的布置也类似参照图2A所述的布置，这里将不再进一步描述。在其他方面，接口层(例如，再分配层)可以用于或设置在集成电路210上，这个接口层可以设置/嵌入在(集成电路的)接触垫和PCB 252的第一金属层之间。
现在参照图3A，描述了具有嵌入式集成电路的声学器件或组件300(例如，MEMS麦克风)的一个示例。设备300包括印刷电路板302，盖子301，包括背板308和振动膜306的MEMS芯片304，集成电路310，声密封条312，连接垫314和顶部声音端口316，声音318穿过该声音端口进入到前空间320。后空间322在MEMS芯片304和PCB 302之间延伸。槽330通过PCB 302延伸。在一些方面，具有另一个槽的用户应用板可以耦接到PCB 302以提供进一步增加的后空间。增加的后空间提供设备300的性能改进。应理解的是包括增加了后空间的槽的尺寸、形状和其他配置特性可以变化以适应系统的性能需求。
随着声音318进入到前空间320，振动膜306振动改变振动膜306和背板308之间的距离。这导致在背板308产生电压，该电压经由导体324传输到集成电路310。集成电路310执行对信号的处理，并经由导体326将信号传输到垫314。垫314可以是传导区，在这里用户或者使用者可以将用户应用的具体电子设备(例如，来自蜂窝电话或者计算机)耦接到传导区。用户或者使用者可以在垫314得到该电压做进一步处理。
印刷电路板302是容纳集成电路310所需尺寸的任何类型的印刷电路板。PCB的一个示例参照图1所述。
对本领域技术人员来说，MEMS芯片304，背板308和振动膜306是在MEMS器件上通常使用的元件，这里将不再进一步描述。集成电路310是执行任何类型功能(例如，放大)的任何电路。集成电路310可以是任何形状或配置。如本领域技术人员所知的，声密封条312提供前空间320和后空间322之间的声密封条。导体324和326由任何类型的电导材料构成以提供电连接。在一个示例中，导体324和326是包用于提供电连接金属(例如，铜)的过孔。在其他方面，接口层(例如，再分配层)可以用于或设置在集成电路310上，这个接口层可以设置/嵌入在(集成电路的)接触垫和PCB 302的第一金属层之间。
参照图3B，描述了具有嵌入式集成电路的声学器件或组件350(例如，MEMS麦克风)的另一个示例。除了图3A的顶部端口现在由底部端口代替并且声音通过设备的底部进入之外，图3B的示例与图3A的示例类似。
更具体的说，设备350包括印刷电路板352，盖子351，包括背板358和振动膜356的MEMS芯片354，集成电路360，声密封条362，连接垫364和底部声音端口366，声音368穿过该声音端口进入到前空间370。还提供后空间372。随着声音368进入到前空间370，振动膜356振动改变振动膜356和背板358之间的距离。这导致在背板358产生电压，该电压经由导体传输到集成电路360。集成电路360执行对信号的处理，并经由导体376将信号传输到垫364。用户可以在垫364得到该电压做进一步处理。图3B的系统的元件以类似图3A的元件的方式运行，他们的运行这里将不再进一步描述。在其他方面，接口层(例如，再分配层)可以用于或设置在集成电路310上，这个接口层可以设置/嵌入在(集成电路的)接触垫和PCB 352的第一金属层之间。
在其他方面，这里使用的集成电路可以采用多种不同形式和结构。例如，在一个方面，集成电路(例如，ASIC)仅在一侧具有有效的电子电路(例如，电阻或者电容)和/或电连接。这个设置使得集成电路比在两侧都具有有效的电子电路和/或电连接的集成电路廉价。在其他方面，基底PCB还可以具有嵌入式片状电容或电阻以提高声学或电子(例如，RF抗扰性)性能。
在其他方面，没有空心或者孔在集成电路内或者穿过集成电路。没有孔穿过集成电路是有优势的，因为硅通常是昂贵的，在许多情况下，优选地，将任何声学孔(例如，端口)制成仅仅穿过印刷电路板(PCB)，而不穿过集成电路。
在这里描述的声学器件的示例中，接口层(例如，再分配层)可以用于或设置在集成电路上，这个接口层可以设置/嵌入在(集成电路的)接触垫和基底(例如，印刷电路板)之间。现在参照图4，描述了这种设置的一个示例。将理解在图4中详细示出的这个设置可以应用到这里出现的任何其他示例中。集成电路402包括传导垫404，集成电路设置在基底(例如，PCB)403中。在一个方面，垫404是金属垫，可以由铝构成。还可以使用导电材料的其他示例。绝缘层406(集成电路402的一部分)设置在集成电路402上面并越过集成电路402。导电过孔408穿过绝缘层406。导电再分配垫410(例如，由铜构成)设置在绝缘层406上，并耦接到过孔408。丝焊409将MEMS器件(在图4中未示出)耦接到垫410。
在一个特定示例中，集成电路402是ASIC，其包括RDL-Cu垫410和铝垫404。绝缘层406提供从ASIC 402上的垫404到基底403(例如，PCB)的接口，ASIC 402嵌入在该基底中。绝缘层406具有到铝垫404的孔。在一个方面，铜垫410比铝垫404更大(例如，具有大的表面积或者横界面积)。铝垫404和铜RDL垫410通过使用穿过绝缘层406的过孔/孔408来连接。
在ASIC 402顶部上的RDL垫410提供了集成电路402和基底403(例如，PCB)之间有利的接口。在这个方面，PCB处理通常使用镀铜。例如，当PCB铜通过与另一个铜层(即，铜RDL垫410)直接接触时，出现良好粘着性和/或良好接口/接合。换句话说，在ASIC嵌入到PCB材料后，激光打孔以在RDL层上的铜垫上产生孔。随后具有嵌入式ASIC的PCB板和激光钻孔位于铜镀覆槽中以镀覆激光钻孔的孔壁。这在PCB的电子电路、铜RDL垫和ASIC上的焊垫之间提供了物理牢固和足够的电子接合。
在其他方面，集成电路402完全层压到基底/PCB中，在集成电路402周围没有有意的气孔。通过“层压”，意味着利用温度、压力和潜在的真空环境，以压力将材料(例如环氧树脂层压，铜和粘合剂)分层堆积并放置。这使得封装比在集成电路402周围具有空间/空隙的封装具有更好的机械稳定性以及可能有更好的可靠性能。
这里描述了本发明的优选实施方式，包括对发明者来说更好的模式以执行本发明。应当理解，示例性的实施方式仅仅是举例，不应当认为是对本发明范围的限制。

Claims (10)

1.一种微机电系统MEMS麦克风，该MEMS麦克风包括：
印刷电路板；
MEMS芯片，其设置在所述印刷电路板的顶面；
集成电路，其至少部分地设置在所述印刷电路板中，该集成电路产生至少一个输出信号；
使得所述集成电路的所述至少一个输出信号直接传输到至少一个导体中以到达所述印刷电路板处的接入垫，所述接入垫设置在与所述顶面相反的所述印刷电路板的底面上；并且
其中，所述集成电路包括传导垫，并且在所述集成电路的所述传导垫和所述印刷电路板之间设置有接口层。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，至少一个导体包括所述印刷电路板上的镀覆通孔和金属化的外层。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述MEMS芯片安装在所述PCB的所述顶面，并且盖子粘附在所述PCB的所述顶面以声学地密封并保护所述MEMS器件免受外部环境因素影响。
4.根据权利要求3所述的MEMS麦克风，其中，端口延伸穿过所述盖子。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，端口延伸穿过所述印刷电路板。
6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，在所述印刷电路板和所述MEMS芯片之间设置有后空间。
7.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述集成电路部分地设置在所述MEMS芯片下面。
8.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述集成电路完全地设置在所述MEMS芯片下面。
9.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述集成电路是专用集成电路ASIC。
10.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述接口层包括绝缘层。
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