CN117528368B - 一种mems麦克风结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS麦克风结构，包括：基板；封装壳体，封装壳体设置在基板的表面上，与基板围成空腔；在基板朝向空腔的一侧设置有MEMS芯片和ASIC芯片，MEMS芯片与ASIC芯片电连接，ASIC芯片电连接于通过基板上；ASIC芯片包覆有至少一层保护层，至少一层保护层包括铁磁性物质，铁磁性物质在保护层中所占的体积比例为3%~6%。本发明能够吸收外界电子设备产生的电磁波，屏蔽外界电磁波的干扰，有效提升了MEMS麦克风的抗辐射抗干扰能力，以屏蔽外界电磁波的干扰，提高了信号转化强度，提升了MEMS麦克风结构与终端电路板上集成的其他各微电子器件的电磁兼容度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种MEMS麦克风结构。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微型机电系统)器件的主要应用实例包括压力传感器、加速度计及硅麦克风等，其中硅麦克风又称为MEMS麦克风，是基于MEMS技术制造的麦克风。MEMS麦克风是一种基于MEMS技术制作出来的声电转换器，其具有体积小，频响特性好，噪声低等特点。随着电子设备的小巧化、轻薄化发展，MEMS麦克风被越来越多广泛的运用到诸如手机、平板电脑、相机、助听器、智能玩具以及监听装置等电子设备上。
MEMS麦克风的一般结构是利用印刷电路板（PCB板）和外壳形成一个麦克风的封装，内部在PCB板上集成有MEMS芯片以及与之电连接的ASIC(ApplicationSpecificIntegrated Circuit，功能集成电路)芯片，通过键合金线连接传输信号。其中，MEMS芯片包括衬底以及固定在衬底上的振膜和背板，振膜和背板构成了电容器并集成在硅晶片上，声音有声孔进入麦克风并且作用在MEMS芯片的振膜上，通过振膜的振动，改变振膜与背板之间的距离，从而将声音信号转换为电信号。
将MEMS麦克风集成到电路板后，由于电路板上设置的不同电子器件工作时会产生电磁干扰，例如谐波干扰、耦合干扰等，严重影响MEMS麦克风的性能。
发明内容
本发明提供一种MEMS麦克风结构，旨在解决现有技术中集成在电路板上的不同电子器件在工作时产生的电磁干扰严重影响MEMS麦克风性能的问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
本发明提供一种MEMS麦克风结构，包括：
基板；
封装壳体，所述封装壳体设置在所述基板的表面上，与所述基板围成空腔；
在所述基板朝向所述空腔的一侧设置有MEMS芯片和ASIC芯片，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片电连接，所述ASIC芯片电连接于所述基板上；
所述ASIC芯片上包覆有至少一层保护层，所述至少一层保护层包括铁磁性物质，所述铁磁性物质在所述保护层中所占的体积比例为3%~6%。
进一步地，所述铁磁性物质包括氧化铁，所述至少一层保护层包括氧化铁和硅胶的组合物，所述组合物中氧化铁：硅胶的体积比为3~6：100。
进一步地，所述氧化铁的颗粒最大尺寸小于20um。
进一步地，所述铁磁性物质包括氧化铁和氧化镍，所述至少一层保护层包括氧化铁、氧化镍和硅胶的组合物，所述组合物中氧化铁：氧化镍：硅胶的体积比为3~5：1~2：100。
进一步地，所述氧化铁和所述氧化镍的颗粒最大尺寸均小于20um。
进一步地，所述至少一层保护层包括：硅胶层和铁磁性吸波层。
进一步地，所述至少一层保护层包括：两层铁磁性吸波层。
进一步地，所述至少一层保护层包括：两层硅胶层和铁磁性吸波层。
进一步地，所述至少一层保护层的外表面上的最高点与所述封装壳体的顶部的内表面之间的距离大于50um。
进一步地，所述基板上设置有卡槽，所述ASIC芯片的外围设置有环形挡板，所述环形挡板通过所述卡槽固定在所述基板上。
进一步地，所述环形挡板的截面高度与所述MEMS芯片的截面高度相同。
进一步地，所述ASIC芯片通过金线键合于所述基板，所述ASIC芯片和所述金线上均包覆有至少一层保护层。
本发明提供的一种MEMS麦克风结构，对电连接于基板的ASIC芯片涂覆至少一层含有铁磁性物质的保护层，能够吸收外界电子设备产生的电磁波，屏蔽外界电磁波的干扰，有效提升了MEMS麦克风的抗辐射抗干扰能力，以屏蔽外界电磁波的干扰，提高了信号转化强度，提升了MEMS麦克风结构与终端电路板上集成的其他各微电子器件的电磁兼容度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施方式。
图1是现有技术中MEMS麦克风结构的剖面示意图；
图2是本发明实施例提供的MEMS麦克风结构的结构示意图之一；
图3是本发明实施例提供的MEMS麦克风结构的结构示意图之二；
图4是本发明实施例提供的MEMS麦克风结构的结构示意图之三；
图5是本发明实施例提供的MEMS麦克风结构的结构示意图之四；
图6是本发明实施例提供的MEMS麦克风结构的结构示意图之五；
图7是本发明实施例提供的MEMS麦克风结构的结构示意图之六；
图8是本发明实施例提供的MEMS麦克风结构的俯视图；
图9是本发明实施例提供的MEMS麦克风与现有技术提供的MEMS麦克风的抗干扰能力数据对比图。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
在说明书和权利要求书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文的本发明实施例能够以不同于本文的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。
图1为现有的MEMS麦克风结构的剖面示意图；该MEMS麦克风结构包括基板1（PCB板），封装壳体2。基板1，封装壳体2共同构成空腔；在空腔内的基板1上放置有MEMS芯片3和ASIC芯片4；MEMS芯片3和ASIC芯片4通过金线连接传输信号。在ASIC芯片4的表面覆盖硅胶成分的保护胶层7’，以保护ASIC芯片4。申请人发现，目前使用硅胶或者塑封ASIC芯片4覆盖，使其隔绝光源，从而降低光噪对器件的影响。但将含有此种保护胶层7’的MEMS麦克风集成到终端的电路板后，由于电路板上设置的不同电子器件工作时会产生电磁干扰，不能有效地屏蔽外界电磁干扰，严重影响了MEMS麦克风的性能。因此，本发明提供一种MEMS麦克风结构，旨在屏蔽外界电磁干扰，以提升MEMS麦克风的抗辐射干扰能力。
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图2所示，本发明实施例提供的一种MEMS麦克风结构，包括：
基板1；
封装壳体2，封装壳体2设置在基板1的表面上，与基板1围成空腔；
在基板1朝向空腔的一侧设置有MEMS芯片3和ASIC芯片4，MEMS芯片3与ASIC芯片4电连接，ASIC芯片4电连接于基板1上；
ASIC芯片4上包覆有至少一层保护层7，至少一层保护层7包括铁磁性物质，铁磁性物质在保护层中所占的体积比例为3%~6%。
具体地，基板1可以为绝缘基板，如陶瓷基板、玻璃基板等。MEMS芯片3和ASIC芯片4通过胶水(环氧胶或硅胶等)或者锡膏固定在基板1上。其中，将MEMS芯片3装片到基板1上后，MEMS芯片3会通过胶水与基板1固定，然后将基板1置于烤箱中烘烤一定时间，让胶水得到快速固化，使得MEMS芯片3与基板1更紧密地结合。接下来按照同样的方法对ASIC芯片4进行装片、烤箱烧结，使得ASIC芯片4与基板1更紧密地结合。需要注意的是，由于MEMS芯片3和ASIC芯片4的装片用胶不同，所以烘烤也条件不同，需要分别进行烘烤。在一些其他实施例中，也可以先进行ASIC芯片4的装片步骤，然后再进行MEMS芯片3的装片步骤。
该MEMS芯片3利用MEMS(微机电系统)工艺制作，作为声音信号的感应元件。MEMS芯片3与ASIC芯片4连接在一起，共同置于腔体内，通过金线（5、6）连接实现内部信号传输转化，以使得MEMS芯片3输出的电信号可以传输到ASIC芯片4中，并被ASIC芯片4处理和输出。ASIC芯片4与基板1还可以用TSV(硅穿孔)倒转焊接的方式实现电连接。下面以ASIC芯片4通过金线6键合在基板1上的电连接方式，对MEMS麦克风的封装结构进行说明。
在硅胶中加入3%~6%体积比例的铁磁性物质，将含有铁磁性物质的硅胶覆盖采用点胶或注胶工艺在ASIC芯片4和金线6上形成保护层7，胶水将金线6及ASIC芯片4包裹在内形成“全封胶”状态，当外界产生的电磁波通过保护层7时，保护层7中的磁性颗粒或磁性晶体会受到磁场的作用而发生磁化，将电磁波的电磁场转换为其他形式的能（一般为热能）耗散掉，从而提升辐射抗干扰能力，以及达到保护金线，降低光噪的作用。
其中，点胶工艺使用精密喷阀通过非接触式喷射的方式将胶水均匀涂敷在ASIC芯片4和金线6的表面（Coating工艺），然后通过烤箱在一定的时间内将胶水高温固化（snapcure工艺）。
MEMS芯片3与ASIC芯片4之间可以通过金线连接，也可以通过基板1中的电路布图导通，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
本实施例中，基于铁磁性物质在硅胶中的配比既要考虑最大化发挥电磁屏蔽作用，又要考虑铁磁性物质粉末材料在点胶涂敷时不能堵塞针头，所以加入硅胶中的铁磁性物质都要使用微米级规格的粉末材料。铁磁性物质包括氧化铁，至少一层保护层包括氧化铁和硅胶的组合物，组合物中氧化铁：硅胶的体积比为3~6：100。加入适量比例的氧化铁有利于吸收外界电磁波，提升抗干扰能力。
一种优选的示例，保护层7中，硅胶：氧化铁的体积配比优选为100：5。铁磁性物质粉末材料含有氧化铁材料，其氧化铁材料的颗粒最大尺寸小于20um，以防止加入铁磁性物质粉末材料的硅胶在点胶涂敷时堵塞针头。
进一步地，铁磁性物质包括氧化铁和氧化镍，至少一层保护层包括氧化铁、氧化镍和硅胶的组合物，组合物中氧化铁：氧化镍：硅胶的体积比为3~5：1~2：100。
具体地，由氧化铁和氧化镍均匀混合的铁磁性物质的保护层7，在胶水混合时按照比例先混合氧化镍和硅胶，混合均匀后再加入氧化铁，氧化镍与氧化铁配合形成铁磁性吸波层，可大幅度提升MEMS麦克风的抗辐射干扰能力。
如图3所示，在ASIC芯片4和金线6的表面涂覆一层由硅胶、氧化铁以及氧化镍按照100：3：2的固定比例（氧化铁：氧化镍：硅胶的体积比）混合的保护层7，能够完全覆盖金线6和ASIC芯片4，可降低麦克风光噪。通过涂覆含有氧化铁和氧化镍均匀混合的硅胶，可有效吸收外界电磁波干扰，避免客户端同一电路集成板之间各个产品模块之间的耦合干扰，大幅度提升MEMS麦克风的抗辐射干扰能力。
一种优选的示例，保护层7中，硅胶：氧化铁：氧化镍的体积配比优选为100：3：2。
本实施例中，铁磁性物质粉末材料含有氧化铁和氧化镍材料，其氧化铁和氧化镍的颗粒最大尺寸均小于20um，以防止加入铁磁性物质粉末材料的硅胶在点胶涂敷时堵塞针头。
一种优选的示例，至少一层保护层7包括：硅胶层和铁磁性吸波层。
如图4所示，对于ASIC芯片4和金线6，先进行第一次Coating（涂覆），覆盖一层硅胶层7-1固定住金线后，进行snap cure（快速固化工艺）快速烘烤直至固化，第一次Coating后在硅胶层7-1上方再进行第二次Coating，覆盖一层含有氧化硅和氧化镍按照一定比例均匀混合的铁磁性吸波层7-2（硅胶：氧化铁：氧化镍的体积比例控制在100：3：1至100：3：2之间）,形成一个双层的“屏蔽笼”。通过这种设计，能够增加吸收辐射波的有效面积，在保护ASIC芯片4和金线6的同时增大吸收辐射的能力，提升抗辐射干扰能力，有效屏蔽终端电路板上其余电子器件的辐射干扰。
一种优选的示例，至少一层保护层7包括：两层铁磁性吸波层。
如图5所示，对于ASIC芯片4和金线6，先进行第一次Coating（涂覆），覆盖一层由氧化铁和氧化镍以及硅胶按照3：1：100的体积比例混合的铁磁性吸波层7-3，第一次Coating后先覆盖一部分区域把金线6固定住进行snap cure快速烘烤直至固化，在铁磁性吸波层7-3的表面上再覆盖一层由氧化铁和氧化镍以及硅胶按照3：2：100的体积比例混合的铁磁性吸波层7-4，形成一个双层“屏蔽笼”。铁磁性吸波层7-3和7-4为混合不同比例的氧化铁和氧化镍的保护层7，形成二层保护层7既有利于固定金线，降低产品的光噪；同时双层“屏蔽笼”的结构更有利于吸收外界辐射的电磁波，进一步提升了MEMS麦克风的抗辐射干扰能力以及提高了与其余电子设备的兼容能力。
一种优选的示例，至少一层保护层7包括：两层硅胶层和铁磁性吸波层。
如图6所示，对于ASIC芯片4，先第一次Coating覆盖一层硅胶层7-5，厚度约为100um，第一层硅胶层7-5主要起到保护ASIC芯片4的作用，在对第一层硅胶层7-5进行快速烘烤后在进行第二次Coating，即在第一层硅胶层7-5的表面上填充一层由氧化铁和氧化镍及硅胶按照固定体积比例混合的铁磁性吸波层7-6，快速烘烤后在进行第三次Coating，在铁磁性吸波层7-6的表面上再次涂覆一层第二层硅胶层7-7，形成一个三层“屏蔽笼”，分次Coating有利于ASIC芯片和金线6覆盖完整，防止胶水堆积外溢，同时有利于吸收芯片外围的辐射干扰，以保证麦克风工作时的正常信号传输，以及电路集成板上各种电子设备的正常运行。
在封装工艺上，根据封装的设计规则，Coating工艺完成后，至少一层保护层7的外表面上的最高点与封装壳体2的顶部的内表面之间的距离大于50um，以使得封胶的高度与封装壳体2的内壁之间至少能保持50um的间隙。
一种优选的示例，基板1上设置有卡槽，ASIC芯片4的外围设置有环形挡板8，环形挡板8通过卡槽固定在基板1上。
优选地，环形挡板的截面高度与MEMS芯片的截面高度相同。
如图7所示，在ASIC芯片4外围设置有环形挡板8，环形挡板8的高度与MEMS芯片3的高度平齐，卡槽的深度不超过75um。其环形挡板8的制作工艺为：先在ASIC芯片4四周的卡槽中涂覆一层胶水然后将挡墙结构使用贴片机贴装到卡槽中，在一定的时间内烤箱高温将胶水固化，挡墙结构使用但不限于PP片、钢片等材质，加工方式可以冲压、裁切形成中心镂空且具有一定厚度的挡墙结构。在环形挡板8形成的区域内，依次注入第一层硅胶层7-5、铁磁性吸波层7-6、第二层硅胶层7-7（即上述实施例中的灌胶顺序），环形挡板8形成的四面挡墙结构有利于完全覆盖ASIC芯片4和金线6，在点胶工艺中防止胶水过度流淌以及外溢至MEMS芯片3，同时有效屏蔽外界电磁波干扰，提升产品性能。如图8所示，环形挡板8的截面厚度M为50-100um。
一种优选的示例，参照图2所示，基板1上设置有通孔9，MEMS芯片3覆盖通孔9。该通孔9可以作为麦克风采集声音信号的声孔。MEMS芯片3与基板1之间形成背腔，背腔经由通孔9与外界环境连接。当背腔内的压强发生变化，使得MEMS芯片3的振膜发生形变，从而电容值发生变化，输出对应的感应信号。对于本领域的技术人员而言，通孔9也可以设置在封装壳体2上，或也可适当地设置在其他位置。封装壳体2采用金属材质，以保证壳体的电磁屏蔽效果。也可以采用不透明材料，阻挡光照入射。
对现有技术的MEMS麦克风以及本发明改进后的MEMS麦克风进行抗辐射干扰能力测试，现有技术的MEMS麦克风在ASIC芯片4的表面覆盖仅含有硅胶的保护胶层7’，本发明改进后的MEMS麦克风在ASIC芯片4和和金线6的表面涂覆含有氧化铁比例（硅胶：氧化铁≈100：3）的保护层7，或涂覆含有均匀混合的氧化铁和氧化镍比例（硅胶：氧化铁：氧化镍的比例控制在100：3：1至100：3：2之间）的保护层7，如图9所示，氧化镍与氧化铁配合形成的铁磁性吸波层，可大幅度提升麦克风产品的抗辐射干扰能力。
综上，本发明提供的MEMS麦克风结构，对电连接于基板的ASIC芯片涂覆至少一层含有铁磁性物质的保护层，能够吸收外界电子设备产生的电磁波，屏蔽外界电磁波的干扰，有效提升了MEMS麦克风的抗辐射抗干扰能力，以屏蔽外界电磁波的干扰，提高了信号转化强度，提升了MEMS麦克风结构与终端电路板上集成的其他各微电子器件的电磁兼容度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种MEMS麦克风结构，其特征在于，包括：
基板；
封装壳体，所述封装壳体设置在所述基板的表面上，与所述基板围成空腔；
在所述基板朝向所述空腔的一侧设置有MEMS芯片和ASIC芯片，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片电连接，所述ASIC芯片电连接于所述基板上，所述ASIC芯片通过金线键合于所述基板；
所述ASIC芯片和所述金线上均包覆有至少一层保护层，所述至少一层保护层包括硅胶和铁磁性物质，所述铁磁性物质在所述硅胶中所占的体积比例为3%~6%，加入所述硅胶中的所述铁磁性物质为微米级规格的粉末材料。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述铁磁性物质包括氧化铁，所述至少一层保护层包括氧化铁和硅胶的组合物，所述组合物中氧化铁：硅胶的体积比为3~6：100。
3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述氧化铁的颗粒最大尺寸小于20um。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述铁磁性物质包括氧化铁和氧化镍，所述至少一层保护层包括氧化铁、氧化镍和硅胶的组合物，所述组合物中氧化铁：氧化镍：硅胶的体积比为3~5：1~2：100。
5.根据权利要求4所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述氧化铁和所述氧化镍的颗粒最大尺寸均小于20um。
6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述至少一层保护层包括：硅胶层和铁磁性吸波层。
7.根据权利要求1所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述至少一层保护层包括：两层铁磁性吸波层。
8.根据权利要求1所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述至少一层保护层包括：两层硅胶层和铁磁性吸波层。
9.根据权利要求6-8任一项所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述至少一层保护层的外表面上的最高点与所述封装壳体的顶部的内表面之间的距离大于50um。
10.根据权利要求1所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述基板上设置有卡槽，所述ASIC芯片的外围设置有环形挡板，所述环形挡板通过所述卡槽固定在所述基板上。
11.根据权利要求10所述的MEMS麦克风结构，其特征在于，所述环形挡板的截面高度与所述MEMS芯片的截面高度相同。
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