CN2812465Y - 微机电系统传声器封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种微机电系统传声器封装结构，其包括上盖、壳壁、基板以及安装在基板上并被封装起来的MEMS声传感元件、IC芯片和其它无源元件。上盖上面带有进声孔，并与基板、壳壁粘合在一起形成声腔，通过设计合适的声腔尺寸使封装后的产品频响性能与封装前的MEMS声传感元件自身的频响性能基本相同。MEMS声传感元件以适当方式安装在基板上，大大减小因MEMS声传感元件与基板两者的热膨胀系数不同而产生的热应力。所述的封装结构可防止MEMS声传感元件受外界环境和电磁干扰的影响，且在使用、封装和SMT贴装过程中不易因高温影响降低其声学性能。

Description

微机电系统传声器封装结构

技术领域

本实用新型涉及一种微机电系统声音传感器(简称微机电系统传声器或MEMS麦克风)，尤其涉及一种微机电系统传声器封装结构。

背景技术

微机电系统(Micro-electro-mechanical System)硅基声音传感器已经在众多专利文献中被公开过。例如，第5,619,476、5,870,351、5,894,452和6,493,288号美国专利公开了电容式超声传感器的制作方法。而第5,146,435、5,452,268、6,535,460和6,870,937号美国专利也公开了几种主要用于音频段的微机电系统电容式传感器。然而，这些专利文献重点都集中在设计和制造微机电系统传声器的硅基膜片上。换句话说，主要集中在微机电系统传声器振膜晶片的制程方面。

对于在任何电子设备中所使用的传声器，都需要选择合适的封装方式，以防止传声器硅基膜片受外部环境和电磁干扰的影响。再说，振膜晶片也需要引线与外部电路连接，并要有合适方式将其与外部电路装载在基板上，这些都需要一种适合于批量生产的传声器封装方法。

与现有的驻极体传声器相比，微机电系统传声器耐温性能更好，能承受回流焊温度(即260℃及以上)。因此，微机电系统传声器可被设计为特定的外形，便于采用表面贴装设备将其贴装到PCB板上，从而减少组装成本。

一些文献中已经有关于微机电系统传声器封装形式的披露。如第6,7816,231号美国专利，其中描述的一种微机电系统传声器封装结构是由微机电系统传声器芯片、基板和上盖等部分组成。基板表面用于支撑微机电系统传声器芯片，上盖中央是导电层，四周边缘部分被限制。该边缘部分与基板连成一体组成外壳，上盖的中央部分与基板的表面分开一定距离以形成电容式微机电系统传声器。外壳上还有一个进声孔，以便声音信号由此入射到MEMS芯片中的振膜上。公开号为2005/0018864的美国专利披露了一种硅基电容式传声器封装结构，其中也包含硅基微机电系统传声器芯片、基板和上盖。在其基板上表面形成有一个凹陷，传声器芯片贴附在基板的上表面并覆盖了凹陷的一部分，从而在传声器芯片与基板之间形成传声器的后声腔。上盖位于传声器芯片上方，上盖带有一个声孔。

上述封装方案只是提供了一种硅基传声器的保护外壳，且使声音能入射到其中的硅基振膜片上。这层外壳同时还可保护传声器硅基振膜不受外界光、电磁干扰以及其它可能的物理性破坏的影响。但是，上述封装方案并没有解决硅基传声器封装、使用和被组装到其它整机过程中的一些关键问题。这些关键问题主要包括如下几个方面：设计合理的传声器封装尺寸及声腔大小以最小限度地改变传感器自身的频响性能；封装过程中以及封装后的产品经过回流炉时的散热问题；封装后的传声器是否能被采用SMT贴装以及封装过程能否适应于批量加工等等。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种微机电系统传声器封装结构，其不仅能使声音信号通过进声孔入射到其中的声传感器硅基振膜上，同时保证硅基振膜不受外界光和电磁干扰的影响，而且该封装结构适合于SMT装配，更重要的是其合适的声腔设计使得传感器单元自身的频响性能在封装前后变化最小。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：提供一种微机电系统传声器封装结构，其包括：一带进声孔5的上盖4；一壳壁2，环绕并支撑上盖4；一基板1，其上安装有相互电连接的MEMS声传感元件6、IC芯片7和其它无源元件8，且基板1支撑壳壁2和上盖4；所述基板1、壳壁2和上盖4粘合形成一可屏蔽电磁干扰的声腔9，所述基板1外表面设置可表面贴装的焊盘11。

上述技术方案进一步的改进在于：所述的上盖4主体为盖板22，盖板22的上表面覆设有金属薄层21以形成电磁屏蔽，另一面的四周边缘设有金属薄层环24，所述的外表面金属薄层21、盖板22和金属薄层环24构成三明治结构，金属薄层21和金属薄层环24通过上盖4上的进声孔5四周的导电薄层23电连接；所述的壳壁2具有侧壁31，金属防护层32涂附在侧壁31内表面上；所述的基板1内表面边缘四周设置边缘薄层44，其为金属层或涂附有金属，位于MEMS声传感元件6底部的金属板45接地。

上述技术方案进一步的改进在于：所述的MEMS声传感元件6被采用有弹性的材料制作的芯片接合件54安装到基板1上，MEMS声传感元件6周边与基板1之间的间隙用弹性胶55填充并密封。

上述技术方案进一步的改进在于：所述的壳壁2内金属防护层32上设置有粗糙表面的吸音层。

本实用新型的有益效果是：由于本实用新型的基板1、壳壁2和上盖4粘合形成一可屏蔽电磁干扰的声腔9，所述基板1外表面设置可表面贴装的焊盘11，因此其可防止MEMS声传感元件受外界环境和电磁干扰的影响，而且该封装结构适合于SMT装配，更重要的是其合适的声腔设计使得传感器单元自身的频响性能在封装前后变化最小；

其次，由于本实用新型的MEMS声传感元件6被采用有弹性的材料制作的芯片接合件54安装到基板1上，MEMS声传感元件6周边与基板1之间的间隙用弹性胶55填充并密封，因此以这种方式安装时，可大大减小因MEMS声传感元件与基板两者之间热膨胀系数不同而产生的热应力，保证产品在使用、封装和SMT组装过程中不易因高温影响其声学性能；

再次，由于本实用新型的壳壁2内金属防护层32上设置有粗糙表面的吸音层，因此可提高对声音的吸收能力，从而提高阻尼系数，进一步保证MEMS声传感元件的频响特性和开路灵敏度在封装前后改变最小。

下面将结合附图对本实用新型作详细的描述，以便对其有更清楚的理解。

附图说明

图1是本实用新型微机电系统传声器封装结构的示意图。

图2是图1所示封装结构的低频等效声学线路图。

图3是MEMS声传感元件以不同方式被安装于封装结构中的基板(图14和图15)前后的灵敏度对比图。

图4是本实用新型一具体实施例的可表面贴装的微机电系统传声器封装结构的剖面图。

图5是本实用新型另一具体实施例的可表面贴装的微机电系统传声器封装结构的剖面图。

图6是图4和5所示具体实施例封装结构中上盖的俯视图。

图7是图4和5所示具体实施例封装结构中上盖的剖面图。

图8是图4和5所示具体实施例封装结构中上盖的仰视图。

图9是图4和5所示具体实施例封装结构中壳壁的俯视图。

图10是图9所示具体实施例封装结构中壳壁沿A-A’线的剖面图。

图11是图4和5所示具体实施例封装结构中另一种形式壳壁的剖面图。

图12是图4和5所示具体实施例封装结构中基板的仰视图。

图13是图4和5所示具体实施例封装结构中基板的俯视图(已安装有MEMS声传感元件、IC和相关无源器件)。

图14是MEMS声传感元件安装在基板上时的剖面图。

图15是以另一方法将MEMS声传感元件安装在基板上时的剖面图。

图16是本实用新型具体实施例的微机电系统传声器封装结构在批量生产时的拼板平面示意图。

图17是图16所示微机电系统传声器封装结构拼板被分割为单个产品前的俯视放大图。

具体实施方式

我们可从不同方面设计微机电系统传声器封装结构，既包括声学方面的考虑、也包括从适于批量生产的角度考虑。微机电系统传声器封装后形成的声腔对传感器芯片频响性能的影响要尽量被减低到最小值。微机电系统传声器还可以在封装过程和最终产品被用于SMT贴装而经过回流焊时能经受较高温度的冲击考验。

参照图1所示微机电系统传声器封装结构的示意图，其为矩形的封装结构，封装结构的长度为L、宽度为W、高度为H。这种封装结构的上盖带有一个进声孔。进声孔的半径为a、深度为h。MEMS声传感元件被安装在封装结构中。封装结构中声腔内空气的简正频率可由下式表示：

$f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{c}{2}\sqrt{{\left(\frac{l}{L}\right)}^2+{\left(\frac{m}{W}\right)}^2+{\left(\frac{n}{H}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中f代表第n个简正频率，单位为赫兹。l、m、n可为不相等的整数，它们可取从0到无穷之间的值。每组整数代表不同的共振模式。L、W、H代表封装结构尺寸，单位为米。C是声速，单位为米/秒。

当一个小尺寸封装结构中的声源被激发时，它将可能激励出一个或多个驻波，即封装结构中空气振动的简正模式。假设声源的强度恒定且具有单一频率，那么此频率将与封装结构中空气振动的简正频率相同。简正态的声压Pn将增大直至其均方根的大小(将传声器向前和向后移动一个波长时在时间上和空间上的平均)等于

$P_n=\frac{K}{K_n}---\left(2\right)$

其中K代表主要由声源的强度和位置以及由封装的声腔体积确定的声源常数，Kn代表主要由封装结构吸收声强的量以及由封装的声腔体积所确定的阻尼常数。封装外壳中采用的吸音材料越多，Kn值越大，从而其平均压力值越小。

当声波的半波长远大于L，且进声孔半径a远小于上盖长宽尺寸(L、W)时，图1所示微机电系统传声器封装结构的低频等效声学线路图如图2所示。其中，P1代表封装结构中进声孔处的声压，P2代表最终到达MEMS声传感元件的声压，M代表封装结构进声孔处的声质量，C1代表封装结构中空气的声容，C2代表MEMS声传感元件振膜的声顺。

在低频率下，到达MEMS声传感元件的声压可表示为：

$P_2=\frac{{\left[\mathrm{j\ω}(C_1+C_2)\right]}^{-1}}{{\left[\mathrm{j\ω}(C_1+C_2)\right]}^{-1}+\mathrm{j\ωM}}{P}_1---\left(3\right)$

图1所示的上盖中进声孔的存在将使封装结构整体形成一个亥姆霍兹共振器，其共振频率为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{M(C_1+C_2)}}---\left(4\right)$

其中C2的存在降低了图1所示封装结构的共振频率。由方程式(4)可知：封装结构需设计成使其腔内空气的声容C1远大于MEMS声传感元件振膜的声顺C2。在这种情况下，封装和MEMS声传感元件结合的共振频率将与封装自身的共振频率相等。

又因为

$M=\frac{\mathrm{\ρ}{V}_1}{S^2}=\frac{\mathrm{\ρh}}{S}---\left(5\right)$

$C_1=\frac{V_2}{\mathrm{\ρ}{C}^2}---\left(6\right)$

其中ρ代表空气的质量密度，V1代表上盖进声孔的体积，S代表进声孔的横截面积，V2代表封装结构内腔的体积，C代表声速。

由方程式(5)和(6)，方程(4)可进一步表示为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{SC}}{\sqrt{V_1\·V_2}}=\frac{C}{2\mathrm{\π}}\frac{\sqrt{S}}{\sqrt{h\·V_2}}---\left(7\right)$

从方程(7)中可见，为了提高图1所示封装结构的微机电系统传声器的频宽，需要增加进声孔的横截面积，或者减少上盖厚度，或者减少封装内腔的有效体积。

现在我们讨论封装后的微机电系统传声器的灵敏度。对于未封装的电容式传声器，其开路灵敏度ηo为：

${\mathrm{\η}}_0=\frac{{\mathrm{EC}}_2}{\mathrm{xA}}---\left(8\right)$

其中E代表加在传声器上的偏压，x代表振膜与背极板之间的距离，A代表振膜的有效面积。

封装后的灵敏度为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{EC}}_2}{\mathrm{xA}}\·\frac{1}{1-{\mathrm{\ω}}^{2}M(C_1+C_2)}={\mathrm{\η}}_0\frac{1}{1-{\left(\frac{f}{f_0}\right)}^2}---\left(9\right)$

其中ηo由方程(8)给出，fo可根据方程(7)中计算得出。显然从方程(9)可见：随着封装后的微机电系统传声器频宽的增加，其灵敏度与未封装相比改变越小。而封装后的微机电系统传声器外部尺寸受到终端用户的PCB板上的空间排布所限制时，本实用新型的最佳实施例提供了一种减小封装有效体积的技术方案，从而提高封装后的微机电系统传声器频宽，进而使得微机电系统传声器封装后的频响特性及开路灵敏度变化最小。

如图4所示，本实用新型最佳实施例的微机电系统传声器封装结构包括：上盖4、环绕并支撑上盖4的壳壁2、基板1以及安装在基板1上并被封装起来的MEMS声传感元件6、IC芯片7和其它无源元件8。上盖4上带有进声孔5，并与基板1、壳壁2粘合在一起形成声腔9，通过设计合适的声腔尺寸使封装后的产品频响性能与封装前MEMS声传感元件频响性能基本相同。在基板1和壳壁2、以及壳壁2和上盖4之间采用胶水3粘合。选择合适的壳壁2的高度使MEMS声传感元件6的上表面与上盖4之间具有足够的间隙10。在基板1的底部设计有焊盘11，以使封装后的微机电系统传声器能采用SMT贴装在PCB板上。基板1由FR-4材料制成，以与终端用户的PCB板温度特性匹配。上盖4上的进声孔5可选择在远离MEMS声传感元件6的位置，以防止灰尘容易落在MEMS声传感元件6的表面，也可防止人说话时产生的湿气溅射到其表面上。

如果MEMS声传感元件6具有坚固的表面并可不受湿气和灰尘的影响，如图5所示进声孔5也可选择位于MEMS声传感元件6正上方的位置。

图6所示为上盖4的俯视图。带进声孔5的上盖4的主体为盖板22，其由FR-4材料制成，盖板22的上表面覆设有金属薄层21以形成电磁屏蔽，另一面的四周边缘设有金属薄层环24，(如图7所示)，金属薄层21、盖板22和金属薄层环24形成三明治结构。金属薄层21和金属薄层环24通过进声孔5四周的导电薄层23相连。图8所示为上盖4的仰视图。当采用导电胶将上盖4粘接到壳壁2上时，上盖4、壳壁2和基板1形成了封闭声腔，以保护声腔中的元器件不受电磁干扰的影响。

图9所示为壳壁2的俯视图。壳壁2具有由FR-4材料制成的侧壁31。金属防护层32涂附在侧壁31内表面上以屏蔽电磁干扰。内层34是涂附在金属防护层32上的吸音层，以衰减声腔9内可能形成的声音共振。锥形角33为壳壁2提供了更强的机械支撑。由于其结构对称，也可减少声腔9内可能的形成的声音共振。锥形角结构的另一个优点是减少了有效封装体积。依照前面的论述，它可以最小限度地改变MEMS声传感元件6的频响特性和开路灵敏度。图10所示为图9中壳壁2沿着A-A’线的的剖面图。内层34具有粗糙的表面，可提高对声音的吸收能力，从而提高阻尼系数。当声腔9的几何尺寸足够小，以至于与微机电系统传声器工作频率的上限相比，声腔9最长的一边长度小于空气中声音的半波长时，也可省掉内层34，如图11所示。

图12所示为基板1的仰视图。基板1的主体支撑板41由FR-4材料制成，支撑板的四个角上设置有焊盘11，其中的一个焊盘41具有用于容易识别的锥形角。图13所示为基板1的俯视图(并已安装上声传感元件、IC和相关无源器件)。边缘薄层44为金属层或涂附有金属，以能与壳壁2电连接，进而形成屏蔽电磁干扰的封闭腔。位于MEMS声传感元件6底部的金属板45接地以进一步屏蔽电磁干扰。绑定引线46电连接MEMS声传感元件6上的焊脚48与基板1上的焊脚。IC芯片7贴装在基板1上的焊脚52上，或者可以绑定在基板1的下方。基板1上的连接线51使所有相关的电子元件如无源器件8之间电连接。而MEMS声传感元件6可首先采用芯片接合件54将其安装到基板1上，另外的弹性胶55沿着MEMS声传感元件6周边填充并密封它与基板1之间的间隙。

图14和图15为MEMS声传感元件6安装到基板1上时的详细示意图。如上所述，基板1主要由FR-4材料制成，具有良好的热膨胀系数。而MEMS声传感元件6由具有较低热膨胀系数的单晶硅制成。在封装过程和终端制造商进行的SMT组装过程中，MEMS麦克风要承受高达260摄氏度的回流焊温度。在如此高的温度环境中，基板1和MEMS声传感元件6之间的热膨胀系数相差太大，如果使用硬的芯片接合件直接将MEMS声传感元件6安装到基板1上，将会使MEMS声传感元件6承受较大的热应力和变形，致使灵敏度下降甚至完全失效。依照本实用新型的具体实施例，见图14所示，首先可将MEMS声传感元件6的一个角采用芯片接合件54粘在基板1上，这将大大减小因MEMS声传感元件6和基板1之间热膨胀系数的不同而产生的热应力。然后，采用一种非常软的弹性胶55，比如RTV胶，沿着MEMS声传感元件6的四周密封其与基板1之间形成的间隙。

如图15所示，弹性胶55填满MEMS声传感元件6与壳壁2之间的空间。这种方式将减小声腔9的有效体积，进而提高微机电系统传声器工作频率的上限。由此，将最小限度地改变MEMS声传感元件6封装后的开路灵敏度，参见图4。

图3是MEMS声传感元件以不同方式被安装于封装结构中的基板(图14和图15)前后的灵敏度对比图。

依照本实用新型的最佳实施例，微机电系统传声器的封装过程包括组装基板1、壳壁2和上盖4。基板1上首先焊接上IC芯片7和无源元件8，再使用弹性胶55将MEMS声传感元件6粘接在基板1上，并进行引线绑定使其与基板1中的相关电路电连接。然后用弹性胶55密封间隙。装配完工的基板再与壳壁2和上盖4对准并粘合，便得到了封装好的微机电系统传声器。为了提高装配效率，基板1可以采用拼板形式，拼板数量可依照贴装及切割工具的生产能力而自行选择。基板上的元器件采用自动贴片或绑定，贴装完工的基板拼板和相同拼板结构的壳壁与上盖相粘合，形成了如图16所示的拼板组件60。

图16所示的拼板组件60要切割成单个微机电系统传声器，面板组件60上带有便于切割刀片行走的切割线61，通孔62用于将面板组件60安装在切割平台上。定位槽63位于面板组件60周边，它的位置并不需要沿着面板组件60的长轴对称，以便清楚识别面板组件60的方向。图17所示为微机电系统传声器拼板组件60的俯视放大图。当切割刀片沿着切割线61切割面板组件60时，封装好的单个微机电系统传声器64就能很容易地分离出来了。

Claims (9)

1.一种微机电系统传声器封装结构，其包括：

一带进声孔(5)的上盖(4)；

一壳壁(2)，环绕并支撑上盖(4)；

一基板(1)，其上安装有相互电连接的MEMS声传感元件(6)、IC芯片(7)和其它无源元件(8)，且基板(1)支撑壳壁(2)和上盖(4)；

其特征在于：所述基板(1)、壳壁(2)和上盖(4)粘合形成一可屏蔽电磁干扰的声腔(9)，所述基板(1)外表面设置可表面贴装的焊盘(11)。

2.如权利要求1所述的微机电系统传声器封装结构，其特征在于：

所述的上盖(4)主体为盖板(22)，盖板(22)的上表面覆设有金属薄层(21)以形成电磁屏蔽，另一面的四周边缘设有金属薄层环(24)，所述的外表面金属薄层(21)、盖板(22)和金属薄层环(24)构成三明治结构，金属薄层(21)和金属薄层环(24)通过上盖(4)上的进声孔(5)四周的导电薄层(23)电连接；

所述的壳壁(2)具有侧壁(31)，金属防护层(32)涂附在侧壁(31)内表面上；

所述的基板(1)内表面边缘四周设置边缘薄层(44)，其为金属层或涂附有金属，位于MEMS声传感元件(6)底部的金属板(45)接地。

3.如权利要求2所述的微机电系统传声器封装结构，其特征在于：所述的MEMS声传感元件(6)被采用有弹性的材料制作的芯片接合件(54)安装到基板(1)上，MEMS声传感元件(6)周边与基板(1)之间的间隙用弹性胶(55)填充并密封。

4.如权利要求1、2或3所述的微机电系统传声器封装结构，其特征在于：所述的盖板(22)、侧壁(31)以及基板(1)的主体材料为FR-4。

5.如权利要求2或3所述的微机电系统传声器封装结构，其特征在于：所述的壳壁(2)内金属防护层(32)上设置有粗糙表面的吸音层。

6.如权利要求4所述的微机电系统传声器封装结构，其特征在于：所述的壳壁(2)内金属防护层(32)上设置有粗糙表面的吸音层。

7.如权利要求1所述的微机电系统传声器封装结构，其特征在于：所述上盖(4)上的进声孔(5)位于远离MEMS声传感元件(6)的位置或位于MEMS声传感元件(6)正上方的位置。

8.如权利要求1所述的微机电系统传声器封装结构，其特征在于：所述壳壁(2)设置有结构对称的锥形角(33)。

9.如权利要求1所述的微机电系统传声器封装结构，其特征在于：所述基板(1)的主体支撑板(41)的四个角上设置有焊盘(11)，其中的一个焊盘(41)具有用于容易识别的锥形角。

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