JP2007124500A - 音響センサおよび音響センサの製造方法 - Google Patents

音響センサおよび音響センサの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】音響センサの製造効率を飛躍的に高め、高性能な音響センサの大規模な量産化を実現する。
【解決手段】MEMS技術により形成した電気音響変換素子(ECM)102と、JFETや容量素子等の電子回路部品104とを回路基板90上に搭載し、金属キャップ100を回路基板90の実装面上に半田リフローにより固定し、メタルキャン封止パッケージを構成する。半田リフロー処理の際、金属トレイに設けられている位置決め孔によって金属キャップ100を位置決めし、半田ペーストを供給し、回路基板90を係合した後、一括してリフローし、回路基板90を個別化して音響センサを製造する。
【選択図】図3

Description

本発明は、音響センサおよび音響センサの製造方法に関する。
振動膜リングを、特殊構造をもつケーシング(カプセル)内に組み込んで形成される、機械構造の音響センサ(エレクトレットコンデンサ・マイクロホン:ECM)は、例えば、特許文献1に記載されている。
特開平11−266499号公報
部品をケーシングに組み込むタイプ(組み立てタイプ)の機械構造の音響センサ(マイクロホン)は、一つ一つの部品を個別に組み立てて製造するため、製造工程が複雑である。
また、振動リングの張力が熱により変動するため、高温処理ができないといった、製造上の制約も多い。例えば、半田付け等を用いた封止(パッケージ)構造を採用することができない。
したがって、組み立てタイプの機械構造の音響センサ(マイクロホン)の量産には、限界がある。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、音響センサの製造効率を飛躍的に高め、高性能な音響センサのさらなる量産化を実現することにある。
本発明の音響センサは、回路基板上に搭載される電気音響変換素子および電子回路部品と、前記電気音響変換素子および電子回路部品を覆うように設けられ、その一部が前記回路基板に半田付けされる金属キャップと、を有する。
シリコンの微細加工技術(MEMS技術(微小電気機械システム技術))を用いて、シリコン基板を加工して形成される振動板を備えたチップ部品である電気音響変換素子(シリコンマイクロホン)は、耐環境性ならびにハンドリング性に優れ、高熱処理も可能である。この点に着目し、シリコン半導体の製造技術を用いて形成された電気音響変換素子(シリコンマイクロホン)を、他の電子部品(FETや容量素子等)と共に回路基板に実装し、金属キャップを被せて半田によって両者を接続し、いわゆるメタルキャン封止パッケージを構成したものである。従来の機械的な組み立てではなく、LSIの実装と同様の過程を経て音響センサを製造することができるため、製造効率が飛躍的に向上する。また、キャップ(パッケージ材)として金属(メタル)を使用し、さらに半田付けによる封止を行うために、振動に強く、耐湿性にも優れる封止構造(パッケージ構造)を得ることができる。また、光素子や高周波トランジスタ等のパッケージとして一般的に使用されているメタルキャン封止の技術を援用することができる。
また、金属キャップは、半田付け時の熱を効率的に外に放熱する役目をするため、半田付け時の高熱による、封止体内部の素子の劣化を効果的に防止することができる。また、金属キャップは電磁シールドとして機能するためノイズの抑制効果も得ることができる。
また、本発明の音響センサは、前記電子回路部品は、半導体製造技術により形成されたチップ部品であるものを含む。
電気音響変換素子(シリコンマイクロホン)と共に回路基板上に実装される電子部品(例えば、増幅素子としてのJFETやコンデンサ)として、半導体製造技術により製造されたチップ部品を採用するものである。したがって、半田付け時に高熱処理を行っても、素子特性が劣化することがない。
また、本発明は、前記金属キャップが、前記回路基板に対向する上壁と、この上壁に連接し、鉛直方向に延在する側壁と、この側壁から水平方向に突出するヒサシと、によって構成される、ヒサシ形状を有しており、かつ、前記ヒサシの裏面が、前記回路基板に半田付けされているものを含む。
金属キャップの形状として、半田付けに適したヒサシをもつ、ヒサシ形状を採用するものである。ヒサシの裏面が、半田を介して回路基板の実装面に接触することになる。これにより、良好な半田付けを行うことが可能となる。
また、本発明の音響センサの製造方法は、金属キャップによって封止される音響センサの製造方法であって、回路基板上に、電気音響変換素子および電子回路部品を実装する第1の工程と、前記金属トレイを位置決めするための位置決め孔をもつ金属トレイを用意し、側壁から水平方向に突出するヒサシを有する前記金属キャップを、前記金属トレイの前記位置決め孔内に、前記ヒサシの裏面が上側に露出するように配置する第2の工程と、前記ヒサシの裏面に半田ペーストを供給する第3の工程と、回路基板を、実装面を下向きにして金属トレイに係合させる第4の工程と、前記回路基板が前記金属トレイに係合された状態にて、熱処理を行い、前記半田のリフローを実施する第5の工程と、半田付けされて一体化された前記回路基板および前記金属キャップを、前記金属トレイから取り出し、前記回路基板を分割して個別化する第6の工程と、を含む。
回路基板上に電気音響変換素子(シリコンマイクロホン)ならびに電子部品を実装し、また、位置決め孔をもつ金属トレイを用意し、その位置決め孔内に金属キャップを、ヒサシの裏面が上側に露出するようにして配置し、ヒサシの裏面に半田を供給し、回路基板を係合し、そして、例えば、リフロー炉により半田リフローを実施してメタルキャンパッケージを形成し、最後に回路基板を分割して、音響センサを個別化するものである。多数のシリコンマイクロホンならびに電子部品を回路基板に一括して実装し、一方、位置決め孔をもつ金属トレイを使用して多数の金属キャップを一括して位置決めし、半田供給の後に回路基板と金属キャップとを位置合わせして係合し、リフローによって、多数の金属キャップを一括して回路基板に接続し、しかる後に個別化するため、多数の音響センサを効率的に一括して製造する(バッチ処理する)ことが可能である。また、電気音響変換素子(シリコンマイク)のみならず、増幅素子等の電子部品も同時に実装できるため、小型で高性能の音響センサを製造可能である。また、半田付け時に、金属トレイごとリフロー炉に入れて熱処理するため、熱が効率的かつ均等に加わり、温度バラツキによる半田不良または半田接合強度のバラツキを防止することができる。また、金属キャップは、半田付け時の熱を、効率的に金属トレイに放熱する役目をするため(つまり、放熱キャップとして機能するため)、半田付け時の高熱による、封止体内部の素子の劣化を効果的に防止することもできる。本発明の音響センサの製造方法によって、音響センサの製造効率を飛躍的に高め、高性能な音響センサの大規模な量産化を実現することができる。
本発明の音響センサでは、シリコンマイクロホンがもつ、良好な耐環境性ならびにハンドリング性に着目して、半田付けによるメタルキャン封止パッケージが採用されている。したがって、LSIの実装と同様の過程を経て音響センサを製造することができ、製造効率が飛躍的に向上する。
また、キャップ(パッケージ材)として金属を使用し、さらに半田付けによる封止を行うために、振動に強く、耐湿性にも優れる封止構造(パッケージ構造)を得ることができる。
また、光素子や高周波トランジスタ等のパッケージとして一般的に使用されているメタルキャン封止の技術を援用することができる。
また、金属キャップは、半田付け時の熱を効率的に外に放熱する役目をするため、半田付け時の高熱による、封止体内部の素子の劣化を効果的に防止することができる。
また、金属キャップは電磁シールドとして機能するためノイズの抑制効果も得ることができる。
また、電気音響変換素子(シリコンマイクロホン)と共に回路基板上に実装される電子部品(例えば、増幅素子としてのJFETやコンデンサ)として、半導体製造技術により製造されたチップ部品を採用することによって、半田付け時に高熱処理を行っても、素子特性が劣化する心配がない。
また、金属キャップの形状として、半田付けに適したヒサシ部分をもつ、ヒサシ形状を採用し、ヒサシの裏面を半田を介して回路基板の実装面に面接触させ、これによって、良好な半田付けが実現される。したがって、耐環境性に優れたパッケージ構造を得ることができる。
また、本発明の音響センサの製造方法によれば、多数のシリコンマイクロホンならびに電子部品を回路基板に一括して実装し、一方、位置決め孔をもつ金属トレイを使用して多数の金属キャップを一括して位置決めし、半田供給の後に回路基板と金属キャップとを位置合わせして係合し、リフローによって、多数の金属キャップを一括して回路基板に接続し、しかる後に個別化するため、多数の音響センサを効率的に一括して製造する(バッチ処理する)ことが可能となる。したがって、製造効率が飛躍的に向上し、高性能な音響センサの大規模な量産化が可能となる。
また、電気音響変換素子(シリコンマイク)のみならず、増幅素子等の電子部品も同時に実装できるため、小型で高性能の音響センサを製造可能である。
また、半田付け時に、金属トレイごとリフロー炉に入れて熱処理するため、熱が効率的かつ均等に加わり、温度バラツキによる半田不良または半田接合強度のバラツキを防止することができる。
また、金属キャップは、半田付け時の熱を、効率的に金属トレイに放熱する役目をするため(つまり、放熱キャップとして機能するため)、半田付け時の高熱による、封止体内部の素子の劣化を効果的に防止することができ、製造上の安全も確保される。
したがって、本発明によって、音響センサの製造効率を飛躍的に高め、高性能な音響センサのさらなる量産化を実現することができる。
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の音響センサの封止構造の概略(金属キャップならびに各半導体チップ部品の相対的な位置関係)を説明するための平面図である。
本発明の音響センサ200は、金属キャップ(メタルキャン:図中、点線で囲んで示されている)と、シリコン半導体の製造技術(MEMS加工技術ならびにCMOS製造技術)を利用して製造された電気音響変換素子(シリコンマイクロホンとも称する。ここでは、エレクトレット化されたシリコン酸化膜を振動板とするエレクトレットコンデンサマイクロホン(ECM)とする)102と、増幅素子としての接合型電界効果トランジスタ(JFET)が形成された半導体チップ(電子回路部品)104と、容量素子が形成された半導体チップ(電子回路部品)107とを具備している。
半導体チップ104,107も、シリコン半導体の製造技術によって製造されたものである。また、電気音響変換素子102と、半導体チップ104,107は、回路基板(図1では不図示)上に、例えば、樹脂系接合材料を介して搭載されている。また、電気音響変換素子102と半導体チップ104は、ボンディングワイヤと回路基板上に形成されている配線層を介して電気的に接続されている。また、半導体チップ104と半導体チップ107は、回路基板上に形成されている配線層によって相互に電気的に接続されている。ただし、図中、ボンディングワイヤと配線層は、記載を省略してある。
図2は、図1に示される音響センサの断面構造と、金属キャップの形状の特徴を説明するための図であり、(a)は、図1の音響センサのA−A線に沿う断面図、(b)は、金属キャップの断面図である。
図2(a)に示されるように、回路基板90上には、電気音響変換素子102と、半導体チップ104と、が樹脂系接合材料106a,106bによって固定されている。また、電気音響変換素子102と半導体チップ104とは、ボンディングワイヤにて接続されている。なお、回路基板90上に形成されている配線層は、図示を省略している。
そして、電気音響変換素子102および半導体チップ104を覆うように、金属キャップ100が設けられている。金属キャップ100は、回路基板90に半田付けによって接続、固定されている。
また、図2(b)に示すように、金属キャップ100は、回路基板90の実装面に対向する上壁(X)と、この上壁(X)に連接し、鉛直方向に延在する側壁(Y)と、この側壁(Y)から水平方向に突出する(張り出す)ヒサシ(Z)と、からなるヒサシ形状を備えている。そして、ヒサシ(Z)の裏面が、半田を介して回路基板90の実装面に接触する。金属キャップ100の回路基板90への半田付けについては、後述する。
また、金属キャップ100の上壁の一部には、音波を通過させるための音孔が形成されている。図中、音孔は記載を省略している(この点は、図6〜図11でも同様である)。
また、金属キャップ100は、電磁シールドとして機能し、マイクロホンのノイズを低減する効果を生じさせ、また、製造工程において加えられる熱を、外に放熱する放熱キャップとしても機能し、これによって、半導体チップが熱から保護されることになる(この点については、後述する)。
図3は、図1に示される音響センサの回路構成を示す回路図である。図3において、図1(および図2)と同じ部分には同じ参照符号を付してある。
図示したように、電気音響変換素子(ECM)102の一極は接地端子(GND)に接続され、他極はゲート保護ダイオード(D)付きの半導体チップ104のゲートに接続されている。
また、半導体チップ (JFET)のソース・ドレイン間には、出力安定化のための容量素子107が形成されている。また図中、R1は、入力端子(IN)から直流バイアスを印加するための入力抵抗であり、C1は、出力信号(交流信号)を出力端子(OUT)から取り出すためのカップリングコンデンサである。
次に、電気音響変換素子(ECM)102の構造について、図4,図5を用いて説明する。
図4は、本発明で使用される電気音響変換素子(ECM)の構造を説明するための、デバイスの平面図である。
図4において、参照符号10は低抵抗のシリコン部材を示す。シリコン部材10の中央部には、シリコンの加工により形成された複数の音孔11が形成されている。
図5は、図4のA−A線に沿う、電気音響変換素子(ECM)の断面図である。
図示されるように、シリコン基板6上に、永久電荷が形成されているエレクトレットとなるシリコン酸化膜7が形成されている。このシリコン基板6には、シリコン酸化膜7の一部を振動膜とするための開口部が設けてあり、これによって、シリコン酸化膜7の下面の一部が露出している。さらにこのシリコン酸化膜7の上面には、絶縁膜9が形成されている。
また、シリコン酸化膜7およびシリコン基板6の下面には、金からなる導電膜8が形成されている。絶縁膜9、シリコン酸化膜7および導電膜8の積層膜は、振動膜を構成している。
そして、絶縁膜9の上方には、金からなる接合層12を介して低抵抗のシリコン部材10が設置される。接合層12は、シリコン基板6の上方、つまり、振動膜部分を除いた領域に形成されている。また、振動膜部分の上方のシリコン部材10には多数の貫通孔11が設けられている。
また、シリコン酸化膜7の下面に形成された導電膜8は、エレクトレットコンデンサ(ECM)の振動電極となり、一方、低抵抗のシリコン部材10は、ECMの固定電極となる。
このような構造をもつ、シリコンの微細加工技術(MEMS技術(微小電気機械システム技術))を用いて構成された電気音響変換素子(ECM)102は、従来の組み立てタイプの電気音響変換素子と比べて、構造的に頑強であり、耐環境性ならびにハンドリング性に優れ、さらに、熱にも強く、高熱処理も可能である。したがって、金属キャップを使用した半田付けによる封止構造(メタルキャン封止)の採用が可能となるものである。
すなわち、本発明では、シリコン製造技術によって製造された電気音響変換素子(ECM)がもつ上記の優れた特性に着目し、その電気音響変換素子(ECM)を、他の電子部品(FETや容量素子等)と共に回路基板に実装し、金属キャップを被せて半田によって両者を接続し、いわゆるメタルキャン封止パッケージを構成する。したがって、従来の機械的な組み立てではなく、LSIの実装と同様の過程を経て音響センサを製造することができるため、製造効率が飛躍的に向上する。
以下、図6〜図11を参照して、本発明の音響センサの製造方法について説明する。図6〜図11は各々、本発明の音響センサの製造方法を説明するための各工程におけるデバイスの断面図である。各図において、前掲の図と共通する部分には、同じ参照符号を付している。
図6に示される第1の工程では、半導体製造プロセスによって形成される電気音響変換素子(102a,102b)と、半導体製造プロセスによって形成される電子回路部品(104a,104b)とを、回路基板90上に、樹脂系接合材料(106a,106b:例えば、エポキシ樹脂)を介して搭載する。
図7に示す第2の工程では、電気音響変換素子(102a,102b)と電子回路部品(104a,104b)とを、ボンディングワイヤ(110a,110b)を介して電気的に接続し、また、実装面上に設けられている配線層(不図示)によっても接続する。
また、電子回路部品(104a,104b)と回路基板90とは、実装面上に形成されている配線層(不図示)によって相互に接続される。
図8に示す第3の工程では、ヒサシ形状(図2(b)参照)を有する金属キャップ(106a,106b)を、ヒサシ(Z)の裏面を上向きにして金属トレイ120上に配置する。図示されるように、金属トレイ120には、位置決め用の孔(以下、位置決め孔という)302a,302bが形成されており、この位置決め孔302,302bにより、各金属キャップ100a,100bが、金属トレイ120の所定位置において位置決めされる。
図9に示す第4の工程では、ヒサシ(Z)の裏面に半田ペースト122を供給する。
図10に示される第5の工程では、回路基板90を実装面を下向きにして、金属トレイ120上に係合させ、回路基板90が金属トレイ120上に係合された状態にて、リフロー炉によって熱処理を行い、半田ペースト122のリフローを実装し、これによって、金属キャップ(100a,100b)が回路基板90の実装面に固着される。
半田リフロー処理の際、リフロー炉の内部にて、金属トレイ120、金属キャップ100a,100b、回路基板90が均等に、かつ効率よく加熱されるため、金属キャップ100a,100bの実装時における、温度バラツキによる半田不良または半田接合強度のバラツキが発生しない。したがって、信頼性の高いパッケージ構造を得ることができる。
また、半田リフロー処理の際、金属キャップ100a,100bは、放熱キャップとして機能し、金属トレイ120に熱を放熱する。これによって、電気音響変換素子(102a,102b)ならびに電子回路部品(104a,104b)が熱から保護され、素子特性が劣化することがない。
そして、図11に示す第6の工程において、金属キャップ100a,100bが実装された回路基板90を金属トレイ120から外し、次に、回路基板90を個別に分割する。これによって、音響センサ200が完成する。
このように、ヒサシ形状を有する金属キャップを半田を介して実装する際に、複数の金属キャップを、ヒサシの裏面を上向きにして金属トレイに配置し、ヒサシ部分に半田ペーストを供給し、次に回路基板を実装面を下向きにして、金属トレイに係合させた後、金属製トレイに係合された状態で半田をリフローする、本実施形態の製造方法によれば、多数の音響センサを効率的に一括して製造する(バッチ処理する)ことが可能である。また、金属キャップの実装において、温度バラツキによる半田不良または半田接合強度のバラツキが生じない。したがって、半導体チップからなる電気音響変換素子を用いた、信頼性の高い音響センサの、大規模な量産化が可能となる。
なお、本発明では、パッケージ形成のために半田のリフローを用いているが、これに限定されるものではなく、他の導電性材料を使用することもできる。
以上説明したように、本発明の音響センサでは、シリコンマイクロホンがもつ、良好な耐環境性ならびにハンドリング性に着目して、半田付けによるメタルキャン封止パッケージが採用されている。したがって、LSIの実装と同様の過程を経て音響センサを製造することができ、製造効率が飛躍的に向上する。
また、キャップ(パッケージ材)として金属を使用し、さらに半田付けによる封止を行うために、振動に強く、耐湿性にも優れる封止構造(パッケージ構造)を得ることができる。
また、光素子や高周波トランジスタ等のパッケージとして一般的に使用されているメタルキャン封止の技術を援用することができる。
また、金属キャップは、半田付け時の熱を効率的に外に放熱する役目をするため、半田付け時の高熱による、封止体内部の素子の劣化を効果的に防止することができる。
また、金属キャップは電磁シールドとして機能するためノイズの抑制効果も得ることができる。
また、電気音響変換素子(シリコンマイクロホン)と共に回路基板上に実装される電子部品(例えば、増幅素子としてのJFETやコンデンサ)として、半導体製造技術により製造されたチップ部品を採用することによって、半田付け時に高熱処理を行っても、素子特性が劣化する心配がない。
また、金属キャップの形状として、半田付けに適したヒサシ部分をもつ、ヒサシ形状を採用し、ヒサシの裏面を半田を介して回路基板の実装面に面接触させ、これによって、良好な半田付けが実現される。したがって、耐環境性に優れたパッケージ構造を得ることができる。
また、本発明の音響センサの製造方法によれば、多数のシリコンマイクロホンならびに電子部品を回路基板に一括して実装し、一方、位置決め孔をもつ金属トレイを使用して多数の金属キャップを一括して位置決めし、半田供給の後に回路基板と金属キャップとを位置合わせして係合し、リフローによって、多数の金属キャップを一括して回路基板に接続し、しかる後に個別化するため、多数の音響センサを効率的に一括して製造する(バッチ処理する)ことが可能となる。したがって、製造効率が飛躍的に向上し、高性能な音響センサの大規模な量産化が可能となる。
また、電気音響変換素子(シリコンマイク)のみならず、増幅素子等の電子部品も同時に実装できるため、小型で高性能の音響センサを製造可能である。
また、半田付け時に、金属トレイごとリフロー炉に入れて熱処理するため、熱が効率的かつ均等に加わり、温度バラツキによる半田不良または半田接合強度のバラツキを防止することができる。
また、金属キャップは、半田付け時の熱を、効率的に金属トレイに放熱する役目をするため(つまり、放熱キャップとして機能するため)、半田付け時の高熱による、封止体内部の素子の劣化を効果的に防止することができ、製造上の安全も確保される。
したがって、本発明によって、音響センサの製造効率を飛躍的に高め、高性能な音響センサの大規模な量産化を実現することができる。
本発明は、高性能の音響センサの製造効率を飛躍的に高めて、大規模な量産化を可能とするという効果を奏し、したがって、エレクトレットコンデンサマイクロホン(ECM)のような小型軽量の音響センサ、ならびに、その製造方法として有用である。
本発明の音響センサの封止構造の概略(金属キャップならびに各半導体チップ部品の相対的な位置関係)を説明するための平面図 図1に示す音響センサの断面構造と、金属キャップの形状の特徴を説明するための図であり、(a)は、図1の音響センサのA−A線に沿う断面図、(b)は、金属キャップの断面図 図1に示す音響センサの回路構成を示す回路図 本発明で使用する電気音響変換素子(ECM)の構造を説明するための、デバイスの平面図 図4のA−A線に沿う、電気音響変換素子(ECM)の断面図 本発明の音響センサの製造方法の第1の工程におけるデバイスの断面図 本発明の音響センサの製造方法の第2の工程におけるデバイスの断面図 本発明の音響センサの製造方法の第3の工程におけるデバイスの断面図 本発明の音響センサの製造方法の第4の工程におけるデバイスの断面図 本発明の音響センサの製造方法の第5の工程におけるデバイスの断面図 本発明の音響センサの製造方法の第6の工程におけるデバイスの断面図
符号の説明
6 シリコン基板
7 シリコン酸化膜
9 絶縁膜
10 低抵抗のシリコン部材
11 音孔
12 接合層
90 回路基板
100 金属キャップ
102 MEMS技術により製造された電気音響変換素子(ECM,シリコンマイクロホン)
104 電子回路部品(JFET)
107 容量素子
106(106a,106b) 樹脂系接合材料
108 ボンディングワイヤ
120 金属トレイ
122 半田ペースト

Claims (4)

  1. 回路基板上に搭載される電気音響変換素子および電子回路部品と、
    前記電気音響変換素子および電子回路部品を覆うように設けられ、その一部が前記回路基板に半田付け可能に構成された金属キャップと、
    を有する音響センサ。
  2. 請求項1記載の音響センサであって、
    前記電子回路部品は、半導体製造技術により形成されたチップ部品である音響センサ。
  3. 請求項1記載の音響センサであって、
    前記金属キャップは、前記回路基板に対向する上壁と、この上壁に連接し、鉛直方向に延在する側壁と、この側壁から水平方向に突出するヒサシと、によって構成される、ヒサシ形状を有し、前記ヒサシの裏面が、前記回路基板に半田付けされるように構成される音響センサ。
  4. 金属キャップによって封止される音響センサの製造方法であって、
    回路基板上に、電気音響変換素子と、電子回路部品とを実装する第1の工程と、
    前記金属トレイを位置決めするための位置決め孔をもつ金属トレイを用意し、側壁から水平方向に突出するヒサシを有する前記金属キャップを、前記金属トレイの前記位置決め孔内に、前記ヒサシの裏面が上側に露出するように配置する第2の工程と、
    前記ヒサシの裏面に半田ペーストを供給する第3の工程と、
    回路基板を、実装面を下向きにして金属トレイに係合させる第4の工程と、
    前記回路基板が前記金属トレイに係合された状態にて、熱処理を行い、前記半田のリフローを実施する第5の工程と、
    半田付けされて一体化された前記回路基板および前記金属キャップを、前記金属トレイから取り出し、前記回路基板を分割して個別化する第6の工程と、
    を含むことを特徴とする音響センサの製造方法。
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