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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte für die 2nd-Level Montage eines Mikrofonbauteils. In zumindest einer Oberfläche dieser Leiterplatte ist mindestens eine Anschlussöffnung ausgebildet, die in einen Hohlraum im Schichtaufbau der Leiterplatte mündet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Mikrofonmodul mit einer derartigen Leiterplatte.
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Eine Leiterplatte und ein Mikrofonmodul der hier in Rede stehenden Art werden in der
US 2012/0177229 A1 beschrieben. Im Schichtaufbau dieser Leiterplatte ist ein Hohlraum in Form eines akustischen Kanals ausgebildet, dessen Anschlussöffnungen jeweils in einer Hauptoberfläche der Leiterplatte liegen. Die eine der beiden Anschlussöffnungen dient als Schalleintrittsöffnung, während über der anderen Anschlussöffnung ein Mikrofonbauteil zur Signalerfassung und Signalverarbeitung montiert ist. Die Geometrie und Dimensionierung des akustischen Kanals sind hier so ausgelegt, dass er einen akustischen Wellenleiter bzw. Resonator für Schallwellen eines bestimmten Frequenzbereichs bildet, insbesondere für Sprachsignale. Dadurch soll eine besonders gute Schalleinleitung am Mikrofonbauteil erreicht werden.
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Die Mikrofonbauteile, die im Rahmen der hier in Rede stehenden Erfindung eingesetzt werden sollen, sind zumindest mit einem MEMS-Mikrofonbauelement und ggf. auch noch mit weiteren MEMS- oder ASIC-Bauelementen ausgestattet. Die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) dieser Bauteile ist für die Montage auf einer Leiterplatte ausgelegt. Dafür können die Bauelemente eines solchen Mikrofonbauteils im Rahmen der 1st-Level-Montage in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und verdrahtet werden. Sie können aber auch in einem Package mit Leiterplattenträger oder auf Waferebene zusammengefasst werden. Die Mikrofonempfindlichkeit derartiger Bauteile hängt wesentlich von der Größe des Rückvolumens hinter der Mikrofonmembran des Mikrofonbauelements ab. Dieses Rückvolumen wird in der Regel bei der 1st-Level Montage des Mikrofonbauelements, also bei dessen Verpackung, eingeschlossen. Dementsprechend bestimmt und begrenzt die Art der Verpackung die Größe des Rückvolumens des Mikrofonbauelements.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die das Rückvolumen eines Mikrofonbauelements unabhängig von dessen Verpackung realisiert werden kann. Diese Maßnahmen ermöglichen eine Reduzierung der Baugröße des Mikrofonbauteils ohne Einbußen bei der Mikrofonempfindlichkeit.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Hohlraum im Schichtaufbau der Leiterplatte für die 2nd-Level-Montage des Mikrofonbauteils als Rückseitenvolumen genutzt wird. Dieser Hohlraum ist bis auf die Anschlussöffnung für das Mikrofonbauteil abgeschlossen und die Leiterplattenoberfläche mit der Anschlussöffnung ist für eine dichtende Montage des Mikrofonbauteils über der Anschlussöffnung konfiguriert.
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Erfindungsgemäß wird also das Rückvolumen für ein Mikrofonbauteil vom Bauteil in die 2nd-Level-Leiterplatte verlagert. Da die Größe des Rückvolumens dadurch nicht mehr durch den Aufbau des Mikrofonbauteils begrenzt wird, kann das Mikrofonbauelement wesentlich platzsparender verpackt werden. Die erfindungsgemäße Realisierung des Rückvolumens eines Mikrofonbauteils in der 2nd-Level-Leiterplatte, auf der dieses Mikrofonbauteil zusammen mit anderen Bauteilen montiert wird, ermöglicht also eine Reduzierung der Bauteilgröße, was zur Verringerung der Fertigungskosten und zur Miniaturisierung des Mikrofonbauteils und der Mikrofonkomponente beiträgt.
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In der Regel werden auf einer Leiterplatte der hier in Rede stehenden Art mehrere Bauteile und Baugruppen mit sich ergänzenden Funktionen zu einem Funktionsmodul zusammengefasst. Dementsprechend sind die Abmessungen einer solchen Leiterplatte meist deutlich größer als der „footprint“ des Mikrofonbauteils. Die Mikrofonempfindlichkeit kann in diesem Fall einfach dadurch gesteigert werden, dass sich der Hohlraum in der Leiterplatte lateral zumindest bereichsweise bis über die Abmessungen des Mikrofonbauteils hinaus erstreckt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind innerhalb des Hohlraums in der 2nd-Level-Leiterplatte Wandstege und/oder Stützsäulen ausgebildet. Derartige Strukturelemente erhöhen die Stabilität der Leiterplatte und vereinfachen deren Fertigung. Außerdem kann durch geeignete Anordnung und Auslegung von Wandstegen und Stützsäulen das Anschwingen von resonanten Eigenschwingungen des Hohlraums vermieden werden. Die Eigenschwingungsmoden können durch diese Maßnahmen zu höheren Frequenzen verschoben werden, idealerweise so weit, dass die Resonanzfrequenz des Hohlraums oberhalb der obersten Nutzfrequenz des Mikrofonbauteils liegt und insbesondere oberhalb von 80kHz.
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Wie bereits erwähnt, können die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Mikrofonbauteile unterschiedlich aufgebaut bzw. verpackt sein.
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In einer ersten Ausführungsvariante ist das MEMS-Mikrofonbauelement in einem Gehäuse angeordnet, in dem zumindest zwei schalltransparente Öffnungen ausgebildet sind, nämlich mindestens eine Schalleintrittsöffnung und mindestens eine montageseitige Anschlussöffnung. In diesem Fall wird eine Seite der Mikrofonstruktur des MEMS-Mikrofonbauelements über die Schalleintrittsöffnung im Gehäuse mit Schalldruck beaufschlagt, während die andere Seite der Mikrofonstruktur über die Anschlussöffnung im Gehäuse und die Anschlussöffnung in der Leiterplatte an den Hohlraum in der Leiterplatte angeschlossen ist.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Mikrofonbauteil in Form eines Packages mit einem Montageträger für das MEMS-Mikrofonbauelement realisiert. Die Schalleinleitung erfolgt hier über die dem Montageträger abgewandte Seite der Mikrofonstruktur, während die andere Seite der Mikrofonstruktur über eine Durchgangsöffnung im Montageträger und die Anschlussöffnung in der Leiterplatte an den Hohlraum in der Leiterplatte angeschlossen ist.
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Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird ein Mikrofonbauteil in Form eines Waferlevel-Packages verwendet. Das Package mit einem MEMS-Mikrofonbauelement ist hier direkt über der Anschlussöffnung in der Leiterplatte montiert. Auch hier erfolgt die Schalleinleitung über die der Leiterplatte abgewandte Seite der Mikrofonstruktur, während die andere Seite der Mikrofonstruktur direkt an die Anschlussöffnung in der Leiterplatte und so an den Hohlraum in der Leiterplatte angeschlossen ist.
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Gleichermaßen wesentlich für alle Ausführungsformen der Erfindung ist, dass zwischen dem Mikrofonbauteil und der Leiterplatte eine akustisch dichte Verbindung besteht. Diese wird bevorzugt in Form mindestens eines geschlossenen Dichtrings am Umfang der Anschlussöffnung in der Leiterplatte realisiert und/oder in Form eines im Randbereich der Montagefläche des Mikrofonbauteils umlaufend geschlossenen Dichtrings. Die Verbindung selbst kann einfach in Form einer Lotverbindung oder einer Klebeverbindung realisiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrofonmoduls 100 mit einem Mikrofonbauteil 20 und einer erfindungsgemäßen 2nd-Level-Leiterplatte 10 und
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1b veranschaulicht den Aufbau bzw. das Layout der Leiterplatte 10 anhand einer schematischen Draufsicht.
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2 und 3 zeigen jeweils eine Aufbauvariante eines erfindungsgemäßen Mikrofonmoduls in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das in 1a dargestellte Mikrofonmodul 100 umfasst ein Mikrofonbauteil 20, das im Rahmen der 2nd-Level-Montage auf einer Leiterplatte 10 montiert worden ist. In der Regel dient eine solche 2nd-Level-Leiterplatte 10 als Träger und Verschaltungsebene für mehrere Bauteile mit unterschiedlichen, sich ergänzenden Funktionen, die in einem Modul zusammengefasst werden. Dementsprechend werden im Layout einer 2nd-Level-Leiterplatte sowohl Montageflächen für die mechanische Fixierung der Bauteile angelegt als auch Anschlusspads und Leiterbahnen für die elektrische Kontaktierung und Verschaltung der Bauteile. Eine so bestückte 2nd-Level-Leiterplatte kann dann als vorgefertigte Baugruppe mit einem bestimmten Funktionsumfang in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden.
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Die hier in Rede stehende Leiterplatte 10 ist speziell für die Montage eines Mikrofonbauteils 20 konfiguriert. Dazu ist im Schichtaufbau dieser Leiterplatte 10 ein abgeschlossener Hohlraum 11 ausgebildet, der lediglich eine Anschlussöffnung 12 in der Oberseite der Leiterplatte 10 aufweist. Das Mikrofonbauteil 20 ist luftdicht über der Anschlussöffnung 12 montiert, so dass der Hohlraum 11 akustisch an das Rückseitenvolumen des Mikrofonbauteils 20 angeschlossen ist.
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Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind innerhalb des Hohlraums 11 Wandstege 13 und Stützsäulen 14 ausgebildet, so dass die Resonanzfrequenz des Hohlraums 11 oberhalb der obersten Nutzfrequenz des Mikrofonbauteils 20 liegt und insbesondere oberhalb von 80kHz. Der Hohlraum 11 erstreckt sich innerhalb der Leiterplatte 10 bis über die Abmessungen, d.h. die Grundfläche, des Mikrofonbauteils 20 hinaus. Die Ausdehnung des Hohlraums 11 sowie die Anordnung der Wandstege 13 und Stützsäulen 14 und auch das Layout der Leiterplattenoberseite mit Montageflächen 15 und Anschlusspads 16 wird insbesondere durch 1b veranschaulicht.
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Bei dem Mikrofonbauteil 20 des Mikrofonmoduls 100 handelt es sich um ein MEMS-Mikrofonbauelement 21 mit einem Gehäuse, das aus einem Bodenteil 22 und einem Deckelteil 24 besteht. Die Mikrofonstruktur 1 mit akustisch aktiver Membran und feststehendem Gegenelement ist in der Vorderseite des MEMS-Mikrofonbauelements 21 ausgebildet und überspannt eine Öffnung 2 in der Bauelementrückseite. Als Gehäusebodenteil 22 dient eine 1st-Level-Leiterplatte mit einer Durchgangsöffnung 23. Das MEMS-Mikrofonbauelement 21 ist über dieser Durchgangsöffnung 23 auf dem Gehäusebodenteil 22 montiert, so dass die rückseitige Öffnung 2 des MEMS-Mikrofonbauelements 21 und die Durchgangsöffnung 23 fluchtend zueinander angeordnet sind. Das kappenartige Deckelteil 24 ist über dem MEMS-Mikrofonbauelement 21 auf dem Bodenteil 22 angeordnet und umlaufend mit diesem verbunden. Auch im Deckelteil 24 ist eine schalltransparente Öffnung 25 ausgebildet.
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Das Mikrofonbauteil 20 ist so auf der 2nd-Level-Leiterplatte 10 montiert, dass die Durchgangsöffnung 23 im Gehäusebodenteil 22 fluchtend zur Anschlussöffnung 12 auf der Leiterplatte 10 positioniert ist. Zwischen der ringförmigen Montagefläche 15 im Randbereich der Anschlussöffnung 12 auf der Leiterplatte 10 und dem Gehäusebodenteil 22 besteht eine umlaufende luftdichte Verbindung 30, so dass die eine Seite der Mikrofonstruktur 1 über die Durchgangsöffnung 23 im Gehäusebodenteil 22 und die Anschlussöffnung 12 in der Leiterplatte 10 an den Hohlraum 11 innerhalb der Leiterplatte 10 angeschlossen ist. Die Öffnung 25 im Deckelteil 24 dient als Schalleintrittsöffnung, über die die andere Seite der Mikrofonstruktur 1 des MEMS-Mikrofonbauelements 21 mit Schalldruck beaufschlagt wird.
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Neben der dichtenden Verbindung 30 wurden bei der Montage des Mikrofonbauteils 20 auf der 2nd-Level-Leiterplatte 10 auch Kontaktverbindungen 31, also elektrische Verbindungen zwischen Mikrofonbauteil 20 und den Anschlusspads 16 auf der Leiterplatte 10, hergestellt.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass alternativ oder auch ergänzend zu der die Öffnungen 23 und 12 umlaufenden Dichtringverbindung 30 eine Dichtringverbindung vorgesehen sein kann, die zusätzlich zum akustischen Anschluss 23, 12 auch die elektrischen Kontaktverbindungen 31 umschließt und so gegen Umwelteinflüsse, wie Feuchte und Verschmutzung, schützt.
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Als Verbindungsmaterial für die mechanische, dichtende Verbindung 30 zwischen dem Mikrofonbauteil 20 und der 2nd-Level-Leiterplatte 10 und auch für die elektrische Kontaktierung 31 des Mikrofonbauteils 20 eignen sich beispielsweise Lot oder auch elektrisch leitfähige Kleber, die in einem Siebdruckverfahren auf die Leiterplattenoberfläche aufgetragen werden können. Für die mechanische und elektrische Verbindung können aber auch unterschiedliche Materialien verwendet werden, wie z.B. ein nichtleitender Kleber für die mechanische Verbindung und copper pillars zur elektrischen Kontaktierung.
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Die in den 2 und 3 dargestellten Mikrofonmodule 200 und 300 umfassen jeweils ein Mikrofonbauteil 220 und 320, das auf einer 2nd-Level-Leiterplatte 10 montiert ist. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist innerhalb der Leiterplatte 10 ein abgeschlossener Hohlraum 11 mit nur einer Anschlussöffnung 12 in der Oberseite der Leiterplatte 10 ausgebildet. Dazu besteht die 2nd-Level-Leiterplatte 10 hier aus mindestens zwei voneinander beabstandeten Lagen eines elektrisch isolierenden Trägermaterials, die über eine rahmenartig strukturierte Zwischenschicht verbunden sind. Das Mikrofonbauelement 220 bzw. 320 ist dichtend über der Anschlussöffnung 12 in der oberen Lage der Leiterplatte 10 montiert, und zwar so, dass der Hohlraum 11 an das Rückseitenvolumen des Mikrofonbauteils 220 bzw. 320 angeschlossen ist. Dementsprechend trägt der Hohlraum 11 innerhalb der 2nd-Level-Leiterplatte 10 zum Rückseitenvolumen des Mikrofonbauteils 220 bzw. 320 bei. Bei beiden Ausführungsbeispielen erstreckt sich der Hohlraum 11 über die Abmessungen, d.h. die Grundfläche, des Mikrofonbauteils 220 bzw. 320 hinaus. Auf diese Weise können innerhalb der 2nd-Level-Leiterplatte 10 unabhängig von der Bauteilgröße, also auch bei kleiner Bauteilgröße, relativ große Rückseitenvolumen realisiert werden, um ein möglichst hohes Signal-Rauch Verhältnis zu erzielen.
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Die Mikrofonbauteile 220 und 320 umfassen zwar beide ein MEMS-Mikrofonbauelement 21 mit einer Mikrofonstruktur 1, die in der Bauelementvorderseite ausgebildet ist und eine Öffnung 2 in der Bauelementrückseite überspannt, unterscheiden sich jedoch in der Verpackung dieses Mikrofonbauelements 21.
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So umfasst das in 2 dargestellte Mikrofonbauteil 220 – im Unterschied zum Mikrofonbauteil 20 des Mikrofonmoduls 100 – kein eigenständiges Gehäuse, das das MEMS-Mikrofonbauelement 21 allseitig umschließt. Zur Reduzierung der Bauteilgröße wurde das Mikrofonbauteil 220 in Stackform realisiert, so dass seine Grundfläche der Chipfläche des MEMS-Mikrofonbauelements 21 entspricht. Dazu wurde das MEMS-Mikrofonbauelement 21 face-down auf einem Montageträger 222 mit einer Durchgangsöffnung 223 montiert, und zwar so, dass die Durchgangsöffnung 223 einen akustischen Anschluss zur Mikrofonstruktur 1 des MEMS-Mikrofonbauelements 21 bildet. Die Rückseite des MEMS-Mikrofonbauelements 21 wurde mit einer Schutzmembran 240 versehen. Diese überspannt die rückseitige Öffnung 2, ohne sie akustisch abzuschließen. Als Montageträger 222 dient hier eine 1st-Level-Leiterplatte, die außerdem als Zwischenträger für die Montage auf der 2nd-Level-Leiterplatte 10 fungiert. Dementsprechend sind die elektrischen Kontakte 3 des MEMS-Mikrofonbauelements 21 von der Oberfläche des MEMS-Mikrofonbauelements 21 durch den Montageträger 222 geführt. Außerdem ist hier noch ein Auswerte-ASIC 4 in den Montageträger 222 eingebettet.
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Das Mikrofonbauteil 220 ist so auf der 2nd-Level-Leiterplatte 10 montiert, dass die Durchgangsöffnung 223 im Montageträger 222 fluchtend zur Anschlussöffnung 12 auf der Leiterplatte 10 positioniert ist. Zwischen der ringförmigen Montagefläche im Randbereich der Anschlussöffnung 12 auf der Leiterplatte 10 und dem Montageträger 222 besteht eine umlaufende luftdichte Verbindung 30, so dass die eine Seite der Mikrofonstruktur 1 über die Durchgangsöffnung 223 im Montageträger 222 und die Anschlussöffnung 12 in der Leiterplatte 10 an den Hohlraum 11 innerhalb der Leiterplatte 10 angeschlossen ist. Die Schallbeaufschlagung der Mikrofonstruktur 1 erfolgt hier über die Schutzmembran 240 und die Öffnung 2 in der Rückseite des MEMS-Mikrofonbauelements 21.
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Wie im Fall des Mikrofonmoduls 100 wurden auch hier bei der Montage des Mikrofonbauteils 220 auf der 2nd-Level-Leiterplatte 10 neben der dichtenden Verbindung 30 Kontaktverbindungen 31, also elektrische Verbindungen zwischen Mikrofonbauteil 220 und den Anschlusspads auf der Leiterplatte 10, hergestellt.
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Im Fall des in 3 dargestellten Mikrofonmoduls 300 wurde das MEMS-Mikrofonbauelement 21 lediglich mit einer rückseitigen akustisch durchlässigen Schutzmembran 340 versehen und dann direkt auf der 2nd-Level-Leiterplatte 10 montiert. Dabei wurde die Mikrofonstruktur 1 face-down über der Anschlussöffnung 12 in der Leiterplattenoberfläche angeordnet. Zwischen der ringförmigen Montagefläche im Randbereich der Anschlussöffnung 12 auf der Leiterplatte 10 und der Oberseite des MEMS-Mikrofonbauelements 21 besteht eine umlaufende luftdichte Verbindung 30, so dass die eine Seite der Mikrofonstruktur 1 über die Anschlussöffnung 12 in der Leiterplatte 10 akustisch an den Hohlraum 11 innerhalb der Leiterplatte 10 angeschlossen ist. Die Schallbeaufschlagung der Mikrofonstruktur 1 erfolgt über die akustisch durchlässige Schutzmembran 340 und die Öffnung 2 in der Rückseite des MEMS-Mikrofonbauelements 21. Im Fall des Mikrofonmoduls 300 wurde ein elektrisch leitfähiges Verbindungsmaterial, wie z.B. Lot, verwendet, so dass das Mikrofonbauteil 320 bzw. das MEMS-Mikrofon-bauelement über die mechanisch dichte Verbindung 30 auch elektrisch mit der 2nd-Level-Leiterplatte 10 verbunden ist.
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Die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele veranschaulichen, dass die Verlagerung des Rückvolumens vom Aufbau des Mikrofonbauteils in die 2nd-Level-Leiterplatte eine Vereinfachung und eine deutliche Verkleinerung des Bauteilaufbaus ermöglichen, und zwar unabhängig von der Größe des Rückvolumens und damit auch unabhängig von der Mikrofonperformance.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0177229 A1 [0003]
