CN106331967A - 微机电麦克风、包括微机电麦克风的电子系统和制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机电麦克风、包括微机电麦克风的电子系统和制造工艺。一种微机电麦克风包括：衬底(2)；传感器芯片(5)，其耦合到衬底(2)并集成微机电电声换能器(35)；控制芯片(6)，其接合到所述衬底(2)并且可操作地耦合到传感器芯片(5)；粘合环(16)，其围绕传感器芯片(5)和控制芯片(6)；盖(3)，其经由粘合环(16)耦合到衬底(2)并且形成容纳控制芯片(6)和传感器芯片(5)的声学室(4)；阻挡物(18)，其分别以第一距离和第二距离在粘合环(16)与传感器芯片(5)之间延伸，用于在粘合环(16)与阻挡物(18)之间限定第一沟槽(19)并在阻挡物(18)与传感器芯片(5)之间限定第二沟槽(25)。

Description

微机电麦克风、包括微机电麦克风的电子系统和制造工艺

技术领域

本发明涉及改进的微机电麦克风、包括微机电麦克风的电子系统和用于制造微机电麦克风的工艺。

背景技术

现有技术中已知包括第一芯片和第二芯片的微机电麦克风，第一芯片包含微机电电声膜换能器，第二芯片包含控制电路或ASIC(专用集成电路)。电声换能器将造成膜的振动的入射声波转换成电信号。例如，膜可以电容性地耦合到基准电极。膜的变形更改电容性耦合，这可以容易地用电荷放大器电路来检测。控制电路包括信号处理级(例如，电荷放大器电路)和使得能够进行微机电麦克风的适当操作(尤其是声信号的换能)所需要的部件。

第一芯片和第二芯片容纳在用于电子装置的一个相同的封装结构中，该封装结构通常包括支撑衬底和塑料材料盖或金属材料盖。

衬底可以是聚合物衬底或陶瓷衬底，例如，LGA(平面栅格阵列)类型，并且设置有用于电连接彼此并排设置的第一芯片和第二芯片的连接结构(焊盘和线路)。而且，衬底具有开口(还称为“声音端口”)，该开口使得能够从外部向封装结构内容纳的换能器发送声信号。

盖接合到衬底，并且可以具有声学室的保护和限定双重功能，并且出于该原因，可以对微机电麦克风的性能具有决定性作用。

随着便携式电子装置(诸如智能电话和平板计算机或其他所谓的“可穿戴”电子装置)的普及，对微机电传感器的开发和集成的关注逐渐变为更加明显。在一些情况下，这种产品的开发可能造成难以调和的形成鲜明对比的要求。一方面，例如，需要提供性能越来越高的微机电换能器以满足用户的要求。这通常导致微机电换能器和控制电路这两者的芯片的尺寸增大。相反，另一方面，形成鲜明对比的要求是日益减小微机电麦克风的尺寸，以有助于尤其是在便携式系统和可穿戴系统中微机电麦克风的使用。

发明内容

本发明的目的是提供将使得能够克服或至少缓和所描述的局限性、调和相反需求的改进的微机电麦克风、包括微机电麦克风的电子系统和用于制造微机电麦克风的工艺。

根据本发明，如所附权利要求中限定的，提供了改进的微机电麦克风、包括微机电麦克风的电子系统和用于制造微机电麦克风的工艺。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将仅以非限制性示例的方式并参照附图来描述其一些实施方式，附图中：

-图1是根据本公开的一个实施方式的微机电麦克风的、沿着纵向平面部分切下的顶部平面图；

-图2是沿着图1的线II-II切下的图1的微机电麦克风的侧向截面图；

-图3是图1和图2的微机电麦克风的立体图；

-图4-图7是彼此替换的、根据本公开的其他实施方式的微机电麦克风的各个立体图；

-图8是图7的微机电麦克风的侧向截面图；以及

-图9是包含根据本发明的一个实施方式的微机电麦克风的电子系统的简化框图。

具体实施方式

参照图1-图3，提供了根据本公开的一个实施方式的微机电麦克风1。图1示出了微机电麦克风1在平面XY中的顶部平面图。图2示出了微机电麦克风1在平面XZ中的侧向截面图。图3示出了微机电麦克风1在三轴系统XYZ中的立体图。

微机电麦克风1包括衬底2、盖3、传感器芯片5和控制芯片6。传感器芯片5和控制芯片6例如，经由焊线31可操作地(例如，电气地)彼此耦合。

这里指出的是，为了简化表示，图3例示了没有盖3的微机电麦克风1，使得更容易理解微机电麦克风1的内部结构和形成微机电麦克风1本身的元件的相互设置。

衬底2和盖3经由焊膏区域22一起耦合，并且形成限定内部腔4的封装结构，内部腔4中容纳传感器芯片5和控制芯片6。盖3具有保护功能。内部腔4形成微机电麦克风1的声学室。

在一个实施方式中，衬底2是LGA(平面栅格阵列)类型衬底，并且包括：核心7；底部金属区域8和顶部金属区域9(例如，铜的)，它们在核心7的相对面上延伸；以及焊接掩膜10。衬底2中的通孔限定声音端口11，并且使得封装结构(尤其是传感器芯片5)的内部能够与外部环境声耦合。

图2和图3中更清楚可见的核心7由具有纵向尺寸和侧向尺寸的刚性介电材料(例如，FR4)的芯片限定。具体地，纵向尺寸大于侧向尺寸。

底部金属区域8设置在核心7面对外部环境的面上，即，盖3的相对面。具体地，限定在底部金属区域8中的是用于电连接微机电麦克风1的外部接触12和可选地，声音端口11周围的外部保护环13。外部保护环13还可以用于接地，并且由此还称为“接地环”。

顶部金属区域9在核心7面对传感器芯片5的面上延伸，并且被盖3保护。顶部金属区域9中限定的是内部接触15、沿着核心7的周界延伸的粘合环16、声音端口11周围的内保护环17和在粘合环16与传感器芯片5的外周界之间在核心7上方延伸的阻挡环18。更详细地，阻挡环18与粘合环16相隔一距离地延伸，由此在阻挡环18与粘合环16之间限定沟槽19。通过沟槽19，核心7的相应表面区域被暴露。

阻挡环18同样地与传感器芯片5的外周界相隔一距离地延伸，由此在阻挡环18与传感器芯片5的外边缘之间限定另一沟槽25。沟槽25具有容纳粘合层23的可能过量的胶的功能，粘合层23可以在衬底2上粘合传感器芯片5的步骤期间在传感器芯片5侧向延伸。阻挡环18与传感器芯片5之间的距离(即，沟槽25的宽度)被选择为包括在50μm与100μm之间，例如，75μm。阻挡环18与粘合环16之间的距离(即，沟槽19的宽度)被选择包括在30μm与70μm之间，例如，50μm。

内部接触15借助延伸穿过核心7的厚度的通孔20电耦合到相应金属材料的外部接触12(属于底部金属区域8)。在一个实施方式中，焊接掩膜10被成形为支撑芯片6和限定容纳内部接触15的接触岛21的组装基部。接触岛21在焊接掩膜10中形成为凹部，使得内部接触15直接位于核心7上并且与通孔20直接连接。

内部接触15由此与衬底2面对盖3的面上存在的导电结构的剩余部分侧向分离。

控制芯片6容纳例如，ASIC(在其本身已知的程度内未详细例示)，其包括信号处理电路(例如，用于电容电声传感器的电荷放大器电路)和使得能够进行麦克风的适当操作(尤其是关于声信号的换能)所需的部件。根据图1-图3的实施方式，控制芯片6位于传感器芯片5与接触岛21之间。

根据不同的实施方式(未例示)，接触岛21在控制芯片6与传感器芯片5之间延伸。

控制芯片6具有用于经由第一键合导线30连接到内部接触15和经由第二键合导线31连接到传感器芯片5的接触垫28。

电声换能器35集成在传感器芯片5中，并且在一个实施方式中，包括半导体材料膜37，半导体材料膜37在传感器芯片5的主体5a中所形成的腔38上方延伸；和刚性金属背板40，其电容性耦合到膜37。背板40设置有孔，并且在腔38的相对侧上与膜37并排设置。腔38在一侧上由膜37界定，并且在相对侧上面对声音端口11。

换言之，传感器芯片5耦合到衬底2，使得膜37借助声音端口11与由衬底2和盖3形成的封装结构的外部声连通。在一个实施方式中，传感器芯片5的中心在声音端口11附近。

传感器芯片5经由胶(具体地，环氧胶)粘合层23耦合到衬底2的核心7。粘合层23在阻挡环18与内保护环17之间延伸。这样，阻挡环18防止粘合环16被粘合层23的胶污染，因为其充当胶的阻挡物。如果胶污染了粘合环16，则这将危害焊膏的粘合，由此造成盖3的不完全焊接或麦克风的故障，甚至盖3可能的脱离。

内保护环17防止粘合层23的胶朝向构成声音端口11的孔流动和流到该孔中。由此，根据本公开的一个方面，粘合层23的胶保持被限制在阻挡环18与内保护环17之间。

本申请人已经发现使得能够实现上述目的的内保护环17的厚度包括在15μm与25μm之间，例如，20μm，沿轴X的方向测量得的宽度至少30μm。

类似地，阻挡环18具有防止焊膏区域22的焊膏朝向传感器芯片5流动的功能。实际上，如果焊膏污染传感器芯片5和控制芯片6所在的区域，则这可能导致该区域中存在的电接触(例如，焊线)之间的短路；过量焊膏甚至可能在传感器芯片(由此损坏振动膜)和控制芯片(由此损坏控制芯片)上方延伸。

出于该目的，沟槽19具有容纳可能从粘合环16朝向声学室4的内部滴下的可能过量的焊膏的功能。可能过量的焊膏由此维持陷在沟槽19内，而无法流到阻挡环18之外。

阻挡环18具有包括在15μm与25μm之间(例如，20μm)的厚度。

微机电麦克风1的性能的改进可以使用更大尺寸(即，设置有灵敏度增大的更广阔的膜)的传感器芯片5来获得。在该背景下，形成微机电麦克风的所有元件的相互尺寸非常重要。例如，必须小心地监测沟槽19和25的宽度，这是因为如果部分变窄，则相应沟槽19、25可能不再能够有效分别容纳焊膏22和粘合层23的胶。具体地，应当注意，例如，针对常用制造工艺，正常程序是向粘合环16提供一些或所有倒圆角部，如可以在图1中的虚线围绕的区域33中所看到的。为了保持阻挡环18与结合环16之间的恒定距离(使得由沟槽19提供的保护作用沿着整个阻挡物19有效)，根据本公开的一个方面，阻挡环18也制作有倒圆角部，至少是对应于粘合环16的倒圆角部的倒圆角部。然而，已知类型的传感器芯片5通常具有带有尖锐角部5a的四边形。这造成传感器芯片5与阻挡环18之间的距离在传感器芯片5的角部5a处减小，其中，后者直接面对阻挡环18的倒圆角部；后果是沟槽25在传感器芯片5的角部5a处变窄。该类型的变窄可能诸如危害沟槽25容纳胶的能力，胶由于沟槽25的组装期间由传感器芯片5施加压力而蔓延到粘合区域23之外。

为了克服这个问题，不期望的方案是进一步增大沟槽25的宽度，然而，这造成微机电麦克风1的尺寸的增大。

根据本公开的一个方面，上述缺点被图4例示的类型的微机电麦克风100克服，其中，与图1-图3的微机电麦克风1共用的元件由相同的附图标记来指定，并且这里将不进一步描述。微机电麦克风100包括多边形(在这种情况下，是四边形)传感器芯片105，由面105b限定，面105b由倒圆角部105a彼此成弧形，倒圆角部105a的曲率半径等于阻挡环18存在于对应的倒圆角部区域中的曲率半径。在这种背景下，术语“倒圆角部”指示不尖锐的角部，即，由传感器芯片105的两面105b的曲线弧形限定。

换言之，根据图4的实施方式，传感器芯片105的外周界以与沟槽25的确切恒定距离遵循阻挡环18的内周界。这样，沟槽25具有沿着传感器芯片105的整个周界恒定的宽度(被定义为传感器芯片105的外周界的点与阻挡环18的内周界的沿着X或沿着Y对齐的各点之间的距离)。

传感器芯片105的角部105a的倒圆可以以本身已知的方式获得，例如，经由激光切割或等离子体切割。

图5示出了被设计为获得类似优点的、替代图4的实施方式的实施方式。

图5中例示的是微机电麦克风110，其中，与图3的微机电麦克风1共用的元件由相同的附图标记来指定并且不被进一步描述。微机电麦克风110包括具有倒角角部115a的传感器芯片115。与图4的实施方式不同，在这种情况下，传感器芯片115的角部115a不被倒圆，而经由例如激光切割或等离子体切割来切割。由此，与图4的实施方式相同，在切割之后，角部115a具有大致平面但不被倒圆的倒角区域。

在本公开的背景下，术语“倒角角部”指示不尖锐但被切割(即，具有两个相邻面115b之间的平面弧形)的角部。

执行角部的倒角，使得在加工步骤结束时，沟槽25在倒角角部115a处具有与沿着传感器芯片115的侧向面115b的宽度相同或更大的宽度。

图6示出了本公开的另一实施方式。在这种情况下，微机电麦克风120具有传感器芯片125，其中，仅对角部的一部分125a进行倒角或切割，尤其是从衬底2(即，从传感器芯片125的底面)开始沿着Z延伸并且不到达传感器芯片125的顶面的底部。例如，对角部的延伸的一半进行切割，使得下半部分具有经倒角或一般地经切割的区域125a，并且上半部分相对于图3的情况不存在任何差异(上半部分是尖锐的角部)。切割或倒角仅对传感器芯片125的角部进行。部分切割的特性类似于关于图5描述的特性。

图7示出了本公开的另一实施方式。在这种情况下，微机电麦克风130具有传感器芯片135，其中，与图7的情况相同，仅倒角或切割边缘135a的一部分，尤其是底部。然而，在该实施方式中，传感器芯片135被进一步加工，以便去除传感器芯片135不仅在角部135a上还在侧向面135b上的周界部分。由此，形成有从底面开始沿着传感器芯片135的整个周界延伸的侧向蚀刻结构136，其耦合到传感器芯片135的衬底2而不到达传感器芯片135的顶面。这样，传感器芯片135的底面的面积小于其顶面的面积。传感器芯片135由此是蘑菇形，其中，传感器芯片135的顶面的面积大于传感器芯片135的底面的面积。具体地，顶面的面积大于底面的面积5％-25％；更具体地，其大于底面的面积15％。

传感器芯片135的整个周界的倒角在传感器芯片135的下半部分中(即，在传感器芯片135的与衬底2接触的部分中)执行，以便不减小或损坏容纳膜的芯片135的顶部。这样，可以使用传感器芯片135，该传感器芯片135具有宽灵敏区域(膜)，但具有用于与更小尺寸的衬底2粘合的基底，并且在任何情况下，都不会将沟槽25的宽度减小到超过设计阶段中固定的最小值。

图8是图7的微机电麦克风130的侧向截面图。如可以从图8注意到的，传感器芯片135的侧向蚀刻结构136沿着Z延伸大于阻挡环18的沿着Z的厚度的高度。这样，传感器芯片135的在蚀刻结构136外部的侧向部分可以在沟槽25上方延伸(在顶部覆盖沟槽25)并且还可以在阻挡环18上方，而不影响沟槽25适当保留可能在粘合区域23之外的任何胶的能力。

图1-图3的微机电麦克风1以及根据各个实施方式的微机电麦克风100、110、120和130的制造可以以以下描述的方式来进行。初始地，外金属层8、内金属层9和焊接掩膜10用光刻工艺来限定，以获得外部接触12、内部接触15、粘合环16、内保护环17和阻挡环18。然后，粘合层23通过在期望设置传感器芯片5的区域中在内保护环17与阻挡环18之间涂胶来形成。粘合层(未例示)在期望定位控制芯片6的区域中设置在焊接掩膜10上。然后，后者经由粘合层被粘合到焊接掩膜10。而且，传感器芯片5被接合到之前所涂的胶层中的衬底2。最后，芯片焊线30设置在控制芯片6与内部电极15之间，并且键合导线31设置在控制芯片6与传感器芯片5之间。然后，盖3被接合到衬底2的粘合环16，以获得根据各个实施方式的图1或图4-图7的结构。根据图4-图7的实施方式，传感器芯片5在与衬底2粘合的步骤之前被加工。如之前所提到的，可以经由激光切割或等离子体切割或经由本身已知的光刻和选择性化学蚀刻步骤来成形传感器芯片5。

图9中例示的是包含根据之前描述的任意一个实施方式的微机电麦克风的电子系统200。

电子系统200可以是任意类型的电子装置(具体是自主供给的便携式装置)，诸如，以非限制性示例的方式，蜂窝电话、便携式计算机、摄像机、照相机、多媒体阅读器、用于视频游戏的便携式装置、用于计算机或视频游戏的控制台的动作激活的用户接口、卫星导航装置等。在图9的实施方式中，电子系统200是蜂窝电话。

微机电麦克风1、100、110、120、130可以耦合到音频模块201的数据获取接口202。

电子系统200可以还包括壳体203，其刚性地耦合到碰撞传感器204、控制单元205、存储模块206、耦合到天线208的射频通信模块207、屏幕210、拍摄装置212、串行连接端口213(例如，USB端口)和用于自主供给的电池215。

控制单元205与微机电麦克风1、100、110、120、130合作，例如借助音频模块201交换信号。

实施方式中由之前描述的发明提供的优点是显而易见的。

具体地，本申请人发现如果给定相同的尺寸，则可以获得性能上的改进(与已知类型的微机电麦克风相比)，或者，另选地，以更小的封装获得与已知类型的微机电麦克风相同的性能。具体地，通过如图4至图8描述和例示的成形传感器芯片5，可以相对于已知方案增大灵敏区域(即，含有膜的传感器芯片5的区域)近似25％，而不增大由此获得的微机电麦克风的整体尺寸。

最后，显而易见的是，修改和变型可以对这里描述的微机电麦克风进行，而不偏离如所附权利要求中限定的本发明的范围。

例如，根据可以应用于所描述的任意一个实施方式的变体，阻挡环18是U形并且延伸以便在三面(除了传感器芯片直接面对焊接掩膜10的那面之外)上围绕传感器芯片。粘合区域23朝向焊接掩膜10的胶的可能扩展不危害微机电麦克风的性能。在这种情况下，图7和图8的实施方式的蚀刻结构136可以延伸到传感器芯片135的三个面(即，蚀刻结构136是U型的)，即，蚀刻结构136延伸到传感器芯片135直接面对U性阻挡物的面，并且不直接面对传感器芯片135侧的焊接掩膜10。

Claims (16)

1.一种微机电麦克风，包括：

-衬底(2)；

-传感器芯片(5)，其借助自身的底面耦合到所述衬底(2)并且在与所述底面相对的自身顶面上集成MEMS电声换能器(35)；

-控制芯片(6)，其接合到所述衬底(2)并且可操作地耦合到所述传感器芯片(5)；

-粘合环(16)，其围绕所述传感器芯片(5)和所述控制芯片(6)；以及

-盖(3)，其经由所述粘合环(16)耦合到所述衬底(2)并且形成容纳所述控制芯片(6)和所述传感器芯片(5)的声学室(4)，

其特征在于，所述微机电麦克风还包括阻挡物(18)，其分别以第一距离和第二距离在所述粘合环(16)与所述传感器芯片(5)之间延伸，用于在所述粘合环(16)与所述阻挡物(18)之间限定第一沟槽(19)并在所述阻挡物(18)与所述传感器芯片(5)之间限定第二沟槽(25)。

2.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中所述传感器芯片(5)被成形为具有一个或更多个倒圆角部(105a)或倒角角部(115a)。

3.根据权利要求2所述的微机电麦克风，其中所述角部(125a)仅在所述传感器芯片的下半部分中被倒角，所述下半部分包括所述传感器芯片的所述底面，而不包括所述顶面。

4.根据权利要求2所述的微机电麦克风，其中所述阻挡物(18)在所述倒圆角部(105a)处形成具有第一曲率半径的曲线路径，并且其中所述倒圆角部(105a)具有等于所述第一曲率半径的相应第二曲率半径。

5.根据前述权利要求中任一项所述的微机电麦克风，其中所述传感器芯片(5)具有在所述顶面与所述底面之间延伸的侧壁(135b)，

所述传感器芯片(5)经由所述底面耦合到所述衬底(2)并且具有沿着所述侧壁(135b)的底部延伸的周界凹部(136)，使得所述顶面的面积大于所述底面的面积10％-25％；特别是大于底面的面积15％。

6.根据权利要求5所述的微机电麦克风，其中所述周界凹部(136)从所述底面开始朝向所述顶面延伸，直到大于所述阻挡物(18)的厚度的高度，所述高度是在所述传感器芯片(5)的所述底面与所述顶面之间测量的。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的微机电麦克风，其中所述传感器芯片(5)经由胶层(23)耦合到所述衬底(2)，所述第二沟槽(25)形成流出所述胶层(23)的过量胶的积聚区域。

8.根据前述权利要求中任一项所述的微机电麦克风，其中所述盖(3)经由焊膏层(22)耦合到所述粘合环(16)，所述第一沟槽(19)形成流出所述焊膏层(22)的过量焊膏的积聚区域。

9.根据前述权利要求中任一项所述的微机电麦克风，其中所述阻挡物(18)具有包括在15μm与25μm之间的厚度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的微机电麦克风，其中所述传感器芯片(5)包括与声音端口(11)声学连通的换能构件(37)，所述声音端口(11)延伸到所述衬底(2)中。

11.根据前述权利要求中任一项所述的微机电麦克风，其中所述衬底(2)包括由刚性介电材料的芯片形成的核心(7)，和在所述核心(7)的固定所述传感器芯片(5)和所述控制芯片(6)的面上的金属层(9)，

所述第一沟槽(19)和所述第二沟槽(25)在所述金属层(9)中延伸。

12.根据权利要求11所述的麦克风，其中所述控制芯片(6)经由焊接掩膜(10)固定到所述衬底(2)的所述核心(7)。

13.一种电子系统，包括控制单元(205)和可操作地耦合到所述控制单元(205)的、根据权利要求1至11中任一项所述的微机电麦克风(1；100；110；120；130)。

14.一种用于制造微机电麦克风的方法，包括以下步骤：

-粘合传感器芯片(5)，其将微机电电声换能器(35)集成到衬底(2)；

-将控制芯片(6)机械耦合到所述衬底(2)并且将所述控制芯片(6)可操作地耦合到所述传感器芯片(5)；

-在所述传感器芯片(5)和所述控制芯片(6)周围形成粘合环(16)；以及

-在所述粘合环(16)上设置盖(3)，以形成容纳所述控制芯片(6)和所述传感器芯片(5)的声学室(4)，

其特征在于，所述方法还包括以下步骤：分别以第一距离和第二距离在所述粘合环(16)与所述传感器芯片(5)之间形成阻挡物(18)，用于在所述粘合环(16)与所述阻挡物(18)之间限定第一沟槽(19)并在所述阻挡物(18)与所述传感器芯片(5)之间限定第二沟槽(25)。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述传感器芯片具有带有尖锐角部的多边形，所述方法还包括对所述尖锐角部中的至少一个进行成形，形成倒圆角部(105a)或倒角角部(115a)的步骤。

16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中所述传感器芯片(5)具有底面、顶面和侧壁(135b)，侧壁(135b)在所述顶面与所述底面之间延伸，所述传感器芯片(5)经由所述底面耦合到所述衬底(2)，

所述方法还包括去除所述侧壁(135b)的包括所述底面而不包括所述顶面的底部的步骤，以形成周界凹部(136)，使得所述顶面的面积大于所述底面的面积10％-25％；特别是大于所述底面的面积15％。