CN115086846A - Mems麦克风封装结构以及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS麦克风封装结构以及电子设备。该封状结构包括：封装壳体，封装壳体包括盖体和PCB板，盖体设置在PCB板上，在盖体和PCB板的内部形成腔体；振膜组件，振膜组件被设置在腔体内，振膜组件倒装在PCB板上，振膜组件包括振动膜，振动膜悬置在PCB板上方，在PCB板的与振动膜相对的部位设置有背极板，振动膜与背极板构成电容器，在PCB板上设置保护电极，保护电极围绕背极板设置，保护电极与背极板相间隔；以及ASIC芯片，ASIC芯片包括源极跟随器，背极板与源极跟随器的栅极连接，保护电极与源极跟随器的源极连接。
Description
技术领域
本发明涉及声电转换技术领域，更具体地，涉及一种MEMS麦克风封装结构以及电子设备。
背景技术
MEMS麦克风封装结构，通常包括封装壳体和设置在封装壳体内的MEMS麦克风芯片、ASIC芯片。MEMS麦克风芯片包括衬底、设置在衬底上的双层板电容器。双层板电容器的两个电极板与ASIC芯片连接。MEMS麦克风芯片可以采用倒装或者正装的方式安装在封装壳体上，并通过封装壳体与其他元器件电连接。
在一些技术方案中，由振动膜和封装壳体的PCB板上的金属层构成双层板电容器。在该技术方案中，为了保证较高的信噪比(SNR)，对PCB板的漏电阻要求高。鉴于封装结构使用过程中可能的湿气、沾污、甚至高温端PCB板漏电加剧等因素，导致此类方案要么良率很低，要么可靠性无保证，极大限制了其应用领域。
因此，需要提供一种新的技术方案，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种MEMS麦克风封装结构的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS麦克风封装结构。该封状结构包括：封装壳体，所述封装壳体包括盖体和PCB板，所述盖体设置在所述PCB板上，在所述盖体和所述PCB板的内部形成腔体；振膜组件，所述振膜组件被设置在所述腔体内，所述振膜组件倒装在所述PCB板上，所述振膜组件包括振动膜，所述振动膜悬置在所述PCB板上方，在所述PCB板的与所述振动膜相对的部位设置有背极板，所述振动膜与所述背极板构成电容器，在所述PCB板上设置保护电极，所述保护电极围绕所述背极板设置，所述保护电极与所述背极板相间隔；以及ASIC芯片，所述ASIC芯片包括源极跟随器，所述背极板与所述源极跟随器的栅极连接，所述保护电极与所述源极跟随器的源极连接。
可选地，所述保护电极通过嵌设在所述PCB板内的金属层与所述源极跟随器的源极连接。
可选地，所述保护电极通过金属化通孔与所述金属层连接，所述源极跟随器的源极通过金属化通孔与所述金属层连接。
可选地，所述振膜组件包括衬底和导电隔离体，所述衬底的中部形成背腔，所述振动膜被设置在所述衬底上，所述振动膜覆盖所述背腔，所述导电隔离体设置在所述衬底和/或所述振动膜上，所述导电隔离体围绕所述背腔设置，所述导电隔离体与所述PCB板连接，所述保护电极位于所述导电隔离体内侧，所述保护电极与所述导电隔离体相间隔。
可选地，所述导电隔离体通过热声波或共晶键合工艺固定所述PCB板的对应的金属焊盘上。
可选地，所述保护电极位于所述背腔在所述PCB板的投影区域外。
可选地，所述保护电极呈环形。
可选地，所述ASIC芯片位于所述腔体内或者嵌设在所述PCB板内。
可选地，所述背极板与的振动膜的间隙高度为5μm-10μm。
根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括上述的MEMS麦克风封装结构。
根据本公开的一个实施例，MEMS麦克风芯片的背极板，即高阻抗端，与所述源极跟随器的栅极连接。源极跟随器的栅极(即G极)作为ASIC芯片的输入端。高阻抗端与源极跟随器进行阻抗转换(例如，单位增益为0dB)。与保护电极连接的源极跟随器的源极(即S极)为低阻抗端。由于源极跟随器的作用，使得背极板和保护电极处于等电位。因此，通过设置保护电极能够消除PCB板漏电通路。亦即，相当于PCB板的漏电阻RPCB无穷大。
通过这种方式，保护电极能对背极板形成有效地保护，从而避免了漏电流对背极板的信号输出造成干扰。这使得MEMS麦克风封装结构的信噪比(SNR)显著提高。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本公开实施例的一种MEMS麦克风封装结构的结构示意图。
图2是根据本公开实施例的一种PCB板的局部示意图。
图3是根据本公开另一实施例的振膜组件与PCB板的示意图。
图4是根据本公开实施例的一种MEMS麦克风封装结构的电路图。
附图标记说明：
100、PCB板；101、第一焊盘；102、第二焊盘；103、第三焊盘；106、保护电极；107、金属化通孔；109、盖体；110、接地端；111、第四焊盘；112、第五焊盘；113、键合线；114、键合环；115、焊接环；200、ASIC芯片；201、输入端；202、输出端；203、偏置电压端；204、源极跟随器；205、电荷泵；206、源极；300、振膜组件；301、振动膜；302、衬底；303、背腔；304、导电隔离体；305、凸起；306、褶皱；307、背极板；308、声孔；309、连接焊盘；310、柱。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本公开的一个实施例，提供了一种MEMS麦克风封装结构。如图1、图4所示。该封装结构包括：封装壳体、振膜组件300和ASIC芯片200。
具体来说，所述封装壳体包括盖体109和PCB板100。所述盖体109设置在所述PCB板100上。在所述盖体109和所述PCB板100的内部形成腔体。例如，盖体109为一端开口的金属盖体109。PCB板100通过粘结、焊接等方式固定在开口端。
也可以是，盖体109包括PCB线路板框架。PCB线路板框架的中部为镂空结构。两个PCB板100分别固定在线路板框架的两个开口端。该封装结构为三层板结构。
封装结构内部的腔体为声学密封腔，以便于声音能够进入。声孔308设置在盖体109和/或PCB板100上。
所述振膜组件300被设置在所述腔体内。所述振膜组件300倒装在所述PCB板100上。所述振膜组件300包括振动膜301。所述振动膜301悬置在所述PCB板100上方。在所述PCB板100的与所述振动膜301相对的部位设置有背极板307。所述振动膜301与所述背极板307构成电容器。在所述PCB板100上设置保护电极106。所述保护电极106围绕所述背极板307设置。所述保护电极106与所述背极板307相间隔。
振膜组件300与PCB板100的局部共同构成MEMS麦克风芯片。
振动膜301与背极板307平行设置，以分别作为电容器的两个极板。振动膜301与背极板307之间设置有间隙，以允许振动膜301振动。倒装是指振膜组件300的衬底302背向PCB板100进行安装的方式。倒装的方式能够降低振动膜301与背极板307的间隙，从而使得振动膜301的振动灵敏度相对于正装的方式更高。保护电极106为导电材料，例如，金属、半导体等。保护电极106与背极板307位于PCB板100的同一层，例如PCB板100的表层。
所述ASIC芯片200包括源极跟随器204。所述背极板307与所述源极跟随器的栅极(即G极)连接。所述保护电极106与所述源极跟随器204的源极(即S极)连接在该例子中，ASIC芯片200的输出端Vout例如通过引线与第一焊盘101连接。第一焊盘101通过金属化通孔107与位于PCB板100外侧的第五焊盘112连接。ASIC芯片200的低阻抗端206例如通过引线与第二焊盘102连接。第二焊盘102与保护电极106连接。ASIC芯片200的输入端201例如通过引线与第三焊盘103连接。第三焊盘103与背极板307连接。ASIC芯片200的偏置电压端Vmic203例如通过引线与第四焊盘111连接，偏置电压Vmic与ASIC芯片内的电荷泵连接。第四焊盘111与振动膜301连接。
在该例子中，如图4所示，MEMS麦克风芯片的背极板307，即高阻抗端，与所述源极跟随器204的栅极(即G极)连接。源极跟随器的栅极(即G极)作为ASIC芯片200的输入端Vin。高阻抗端与源极跟随器204进行阻抗转换(例如，单位增益为0dB)。与保护电极106连接的源极跟随器204的源极(即S极)为低阻抗端。由于源极跟随器204的作用，使得背极板307和保护电极106处于等电位。因此，通过设置保护电极106能够消除PCB板100漏电通路。亦即，相当于PCB板100的漏电阻RPCB无穷大。
通过这种方式，保护电极106能对背极板307形成有效地保护，从而避免了漏电流对背极板307的信号输出造成干扰。这使得MEMS麦克风封装结构的信噪比(SNR)显著提高。
此外，由于保护电极106围绕背极板307设置，因此保护电极106能屏蔽掉寄生电容对偏置电压端203的不利影响，从而保证了MEMS麦克风封装结构的高灵敏度、高信噪比。
在一个例子中，所述保护电极106通过嵌设在所述PCB板100内的金属层与所述ASIC芯片200的源极跟随器204的源极206连接。
如图1所示，金属层嵌设在PCB板100内部。相比于通过金属线将保护电极106与ASIC芯片200连接的方式，由于该例子中的PCB板100的屏蔽作用，故能够有效地避免外部信号对保护电极106的干扰。通过这种方式，能够进一步提高MEMS麦克风封装结构的信噪比。
在一个例子中，所述保护电极106通过金属化通孔107与所述金属层连接。所述源极跟随器204的源极206通过金属化通孔107与所述金属层连接。
如图1所示，在PCB板100的与保护电极106对应的位置设置有金属化通孔107。在PCB板100的与第二焊盘102对应的位置设置有金属化通孔107。两个金属化通孔107的下端均与金属层连接。通过这种方式，用于连接保护电极106以及第二焊盘102的导体均位于PCB板100内，这使得保护电极106能更有效地抗电磁信号干扰。
在一个例子中，如图1所示，所述振膜组件300包括衬底302和导电隔离体304。所述衬底302的中部形成背腔303。所述振动膜301被设置在所述衬底302上。所述振动膜301覆盖所述背腔303。所述导电隔离体304设置在所述衬底302和/或所述振动膜301上。所述导电隔离体304围绕所述背腔303设置。所述导电隔离体304与所述PCB板100连接。所述保护电极106位于所述导电隔离体304内侧。所述保护电极106与所述导电隔离体304相间隔。
如图1所示，例如衬底302的材质为硅、氮化硅、碳化硅等。通过刻蚀的方式在衬底302的中部形成背腔303。振动膜301与背腔303相对设置。在PCB上设置有声孔308。声孔308贯穿背极板307。例如声孔308为多个。多个声孔308均与背腔303相对设置。
导电隔离体304呈环形结构。导电隔离体304能够导电，例如，导电隔离体304为金属、多晶硅等材质。振动膜301通过导电隔离体304与第四焊盘111连接，以将电信号输出至ASIC芯片200。在该例子中，导电隔离体304围绕振动膜301的外边缘设置。在其他示例中，导电隔离体304也可以是覆盖在振动膜301上或者覆盖在振动膜301和衬底302上。
导电隔离体304的高度决定了振动膜301和背极板307的间隙的高度。导电隔离体304通过键合的方式固定在PCB板100上。如图2所示，PCB板100上设置有键合环114，通过键合线113将导电隔离体304固定在键合环114上。键合线113、键合环114均为金属材质，在键合环114下设置有金属化通孔107，从而能够实现振动膜301的电信号的传输。
此外，在PCB板100上还设置有连接焊盘309。例如连接焊盘309为四个，四个连接焊盘309与振膜组件的四个角对应。振膜组件300的整体呈长方体。在振膜组件300的正对PCB板100一面的四个角上各设置有一个柱310。柱310的高度与导电隔离体304的高度一致。柱310也能起到导通的作用。柱310的形成方式如下所述。柱310和连接焊盘309的连接能够增加振膜组件与PCB板100的连接强度。四个柱310能使得振膜组件300在PCB板100上的定位精确，并且能保证振动膜301与背极板307之间的间隙高度一致。
保护电极106呈环形。保护电极106位于导电隔离体304的内侧，并且与导电隔离体304相间隔。环形的保护电极106能节省PCB板100的空间。
在一个例子中，所述导电隔离体304通过热声波或共晶键合工艺固定所述PCB板100的对应的金属焊盘上。
导电隔离体304可以是具有设定厚度的导电的金属与合金复合层(例如，厚度5μm～20μm的环形电镀金(Au)层。该导电隔离体304采用热声波(Thermalsonic)或共晶键合(Eutectic Bonding)工艺粘结在PCB板100的对应的金属焊盘上，从而使得振膜组件300倒装安装在PCB板100上。在这种情况下，由于导电隔离体304为环状的窄金属-合金环，因此MEMS麦克风芯片的寄生电容能最小化并且还可以进一步减少制造成本。
此外，振膜组件300可以进一步包括由振动膜301向外突出形成的凸起305。凸起305能避免振动膜301与背极板307粘连。
此外，柱310与对应的连接焊盘309也能够通过热声波或共晶键合工艺固定在一起。
在一个例子中，在所述振动膜301的边缘设置有环形的褶皱306。褶皱306的深度与振动膜301的厚度的比值(即，深厚比)大于或等于5：1，并且褶皱306的壁以80°至100°范围内的角度相对于振动膜301的表面倾斜。环形的褶皱306为一个或同心设置的多个。
由于具有高深厚比的褶皱306振动膜301的MEMS麦克风芯片的灵敏度的性能对振动膜301的初始应力不敏感，所以在该例子中可以获得一致且最佳的灵敏度，并且因此可以提高可再现性和可靠性。
在一个例子中，所述保护电极106位于所述背腔303在所述PCB板100的投影区域外。
如图2所示，虚线为背腔303的边缘在PCB板100上的投影。环形的保护电极106位于该投影以外。通过这种方式，能减小甚至避免保护电极106与振动膜301之间形成寄生电容。
在一个例子中，所述ASIC芯片200位于所述腔体内或者嵌设在所述PCB板100内。
如图1所示，ASIC芯片200位于所述腔体内。这种方式的加工工艺简单，成品率高。
如图3所示，ASIC芯片200嵌设在PCB板100内。在该例子中,PCB板100能有效地屏蔽外部电磁波对ASIC芯片200的干扰。
在一个例子中，所述背极板307与的振动膜301的间隙高度为5μm-10μm。在该范围内，MEMS麦克风芯片的灵敏度高。
通过导电隔离体304该高度来控制间隙的高度。导电隔离体304为金属材料或者金属与非金属的复合材料。在为复合材料时，金属层附着在非金属基体的表面，以使导电隔离体304能够导电。
例如，在制备时，首先，采用金属叠层或其它常用MEMS工艺将材料(例如SiO2，Si3N4，PolySi，PSG，BPSG，SOG，BCB，PBO，PI，SU8，PMMA，光刻胶等)架高到需要的高度，以形成导电隔离体304。
然后，将导电隔离体表面的金属层(例如，Au、Cu、Al等)与PCB板上的金属形成键合，例如Au-Au热超声键合。
通过这种方式，导电隔离体304能精确控制间隙高度，并且能够起到导电的作用，以实现振动膜301与ASIC芯片的偏置电压端203Vmic电连接。如图4所示，偏置电压端203Vmic与ASIC芯片内置的电荷泵电连接。电荷泵用于向MEMS麦克风芯片提供偏置电压。
在其他示例中，还可以是，将焊料(例如锡膏)加热，熔化的焊料在表面张力的驱动下横向流淌、浸润大面积的振膜组件310的焊盘，从而使得倒装的振膜组件300设置一个预设的、固定高度的柱310位置，并形成限位机制，以实现设定的间隙高度。
上述方式均能使得间隙的高度控制在上述范围内。
在其他示例中，间隙高度为10μm-50μm，在该范围内，MEMS麦克风芯片也具有较高的灵敏度。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种电子设备。该电子设备包括上述的MEMS麦克风封装结构。
例如，电子设备可以是但不限于手机、平板电脑、智能音箱、智能显示器、笔记本电脑、电话机、对讲机、智能手表、智能手环、耳机、VR设备、AR设备等。
该电子设备具有拾音效果优良的特点。
上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种MEMS麦克风封装结构，其特征在于，包括：
封装壳体，所述封装壳体包括盖体和PCB板，所述盖体设置在所述PCB板上，在所述盖体和所述PCB板的内部形成腔体；
振膜组件，所述振膜组件被设置在所述腔体内，所述振膜组件倒装在所述PCB板上，所述振膜组件包括振动膜，所述振动膜悬置在所述PCB板上方，在所述PCB板的与所述振动膜相对的部位设置有背极板，所述振动膜与所述背极板构成电容器，在所述PCB板上设置保护电极，所述保护电极围绕所述背极板设置，所述保护电极与所述背极板相间隔；以及
ASIC芯片，所述ASIC芯片包括源极跟随器，所述背极板与所述源极跟随器的栅极连接，所述保护电极与所述源极跟随器的源极连接。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风封装结构，其特征在于，
所述保护电极通过嵌设在所述PCB板内的金属层与所述源极跟随器的源极连接。
3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风封装结构，其特征在于，所述保护电极通过金属化通孔与所述金属层连接，所述源极跟随器的源极通过金属化通孔与所述金属层连接。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风封装结构，其特征在于，
所述振膜组件包括衬底和导电隔离体，所述衬底的中部形成背腔，所述振动膜被设置在所述衬底上，所述振动膜覆盖所述背腔，所述导电隔离体设置在所述衬底和/或所述振动膜上，所述导电隔离体围绕所述背腔设置，所述导电隔离体与所述PCB板连接，所述保护电极位于所述导电隔离体内侧，所述保护电极与所述导电隔离体相间隔。
5.根据权利要求4所述的MEMS麦克风封装结构，其特征在于，
所述导电隔离体通过热声波或共晶键合工艺固定所述PCB板的对应的金属焊盘上。
6.根据权利要求4所述的MEMS麦克风封装结构，其特征在于，
所述保护电极位于所述背腔在所述PCB板的投影区域外。
7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的MEMS麦克风封装结构，其特征在于，
所述保护电极呈环形。
8.根据权利要求1-6中的任意一项所述的MEMS麦克风封装结构，其特征在于，
所述ASIC芯片位于所述腔体内或者嵌设在所述PCB板内。
9.根据权利要求1-6中的任意一项所述的MEMS麦克风封装结构，其特征在于，
所述背极板与的振动膜的间隙高度为5μm-10μm。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中的任何一项所述的MEMS麦克风封装结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210708901.0A CN115086846A (zh) | 2022-06-21 | 2022-06-21 | Mems麦克风封装结构以及电子设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210708901.0A CN115086846A (zh) | 2022-06-21 | 2022-06-21 | Mems麦克风封装结构以及电子设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115086846A true CN115086846A (zh) | 2022-09-20 |
Family
ID=83253351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210708901.0A Pending CN115086846A (zh) | 2022-06-21 | 2022-06-21 | Mems麦克风封装结构以及电子设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115086846A (zh) |
-
2022
- 2022-06-21 CN CN202210708901.0A patent/CN115086846A/zh active Pending
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