JP2008118258A - コンデンサマイクロホン - Google Patents

Abstract

【課題】環境適応性に優れパッケージサイズの小さいコンデンサマイクロホンを提供する。
【解決手段】インピーダンス変換器を含むインピーダンス変換ダイと、前記インピーダンス変換ダイと重なり静止電極を形成するプレートと、前記プレートと重なり前記静止電極に対する振動電極を形成するダイヤフラムと、を備え、前記インピーダンス変換ダイと配線部との間に設けられ、前記静止電極又は前記振動電極が前記インピーダンス変換器に接続されている電気音響変換ダイと、を備え、前記インピーダンス変換ダイと前記電気音響変換ダイとの間には外部空間から前記ダイヤフラムに音波を伝達するための伝達路が形成されている、コンデンサマイクロホン。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサマイクロホンに関し、特にＭＥＭＳセンサである電気音響変換ダイを備えるコンデンサマイクロホンに関する。

従来、電気音響変換機能を有するＭＥＭＳセンサであるダイ（以下、電気音響変換ダイという。）を備えるコンデンサマイクロホンが知られている。電気音響変換ダイのダイヤフラムが音波を受けて振動すると、その振動に応じてコンデンサマイクロホンの静電容量が変化する。電気音響変換ダイの出力信号端子は、対向電極を形成しているダイヤフラムまたはプレートのいずれかに直接接続され、静電容量の微弱な変化を出力する。電気音響変換ダイの出力インピーダンスが高いため、電気音響変換ダイの出力信号端子にはノイズ耐性を向上させるインピーダンス変換器が接続される。
特許文献１には、インピーダンス変換器を含むダイと電気音響変換ダイとが平面的に並んで配置されているコンデンサマイクロホンが記載されている。
特許文献２には、ＥＭＩを低減するフィルタが設けられたコンデンサマイクロホンが記載されている。
特表２００４−５３７１８２ 特表２００３−５０８９９８

特許文献１に記載されているようにインピーダンス変換器を含むダイと電気音響変換ダイとが平面的に並んで配置されるとパッケージサイズが増大する。
特許文献２に記載されているフィルタには音波を通すための孔が形成されているため、ＥＭＩノイズや光がフィルタを通過して電気音響変換ダイの性能を低下させる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、環境適応性に優れパッケージサイズの小さいコンデンサマイクロホンを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、インピーダンス変換器を含むインピーダンス変換ダイと、前記インピーダンス変換ダイと重なり静止電極を形成するプレートと、前記プレートと重なり前記静止電極に対する振動電極を形成するダイヤフラムと、を備え、前記インピーダンス変換ダイと配線部との間に設けられ、前記静止電極又は前記振動電極が前記インピーダンス変換器に接続されている電気音響変換ダイと、を備え、前記インピーダンス変換ダイと前記電気音響変換ダイとの間には外部空間から前記ダイヤフラムに音波を伝達するための伝達路が形成されている。
このコンデンサマイクロホンによると、電気音響変換ダイとインピーダンス変換ダイとが積載される構成であるので、コンデンサマイクロホンのパッケージサイズを小さくすることができる。またこのコンデンサマイクロホンによると、インピーダンス変換ダイと配線部との間に電気音響変換ダイが配置されるので、電気音響変換ダイの表面に露出しているプレートまたはダイヤフラムに風が当たることによるノイズ音の発生が抑止され、塵埃がプレートやダイヤフラムに付着しにくい。また、電気音響変換ダイとインピーダンス変換ダイとを収容するパッケージを不要とし、種々の電子デバイスが実装される配線基板に電気音響変換ダイを直接接合することも可能である。尚、配線部は、コンデンサマイクロホンを外部の回路に接続するための部品であって、例えばパッケージされたコンデンサマイクロホンの一部を構成する配線基板やリードフレームだけでなく、コンデンサマイクロホンが接合される外部の配線基板をも含む意味で用いられている。

（２）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記インピーダンス変換ダイは前記プレートと前記ダイヤフラムとに重なるノイズシールド層を備えてもよい。
この場合、コンデンサマイクロホンのパッケージにノイズシールド効果がなくてもハイインピーダンスである電気音響変換ダイに影響を及ぼす電磁ノイズ、静電ノイズなどのノイズを低減できる。

（３）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、前記伝達路を形成している通気フィルタをさらに備えてもよい。
この場合、通気フィルタによってプレートおよびダイヤフラムに対する防風および防塵効果を高めることができる。

（４）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記通気フィルタは前記電気音響変換ダイまたは前記インピーダンス変換ダイと一体に形成されていてもよい。
電気音響変換ダイまたはインピーダンス変換ダイと一体の通気フィルタはダイの製造プロセスにおける微細加工技術によって形成することができる。ダイの製造プロセスにおいてウェハ全体に対して一度に施される微細加工技術はダイシング工程後の加工コストよりもダイあたりの加工コストが低い。したがってこの場合、通気フィルタを追加することによるコンデンサマイクロホンの生産コストの増大を抑制できる。

（５）静止電極と振動電極のうちバイアス電圧が印加されていない一方は電気音響変換ダイの出力端子に接続される。電気音響変換ダイの出力端子に接続される電極がインピーダンス変換ダイと隣接すると両者間に寄生容量が生じ感度が低下する場合を想定し得る。
したがって上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記静止電極と前記振動電極のうちバイアス電圧が印加されている一方が他方より前記インピーダンス変換ダイ側に配置されていることが望ましい。

（６）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、内部空間の一部に前記電気音響変換ダイと前記インピーダンス変換ダイとを収容し、前記インピーダンス変換ダイと重ならない位置に通孔を有するパッケージをさらに備えてもよい。前記通孔の近傍において前記インピーダンス変換ダイと前記電気音響変換ダイとの間の前記伝達路は樹脂材によって充填されていてもよい。
この場合、電気音響変換ダイにもインピーダンス変換ダイにもパッケージ外部の光が照射されにくいため、内部光電効果によるノイズが発生することを抑止できる。

（７）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、内部空間の一部に前記電気音響変換ダイと前記インピーダンス変換ダイとを収容し、前記インピーダンス変換ダイを基準として前記配線部と反対側の面に通孔を有するパッケージをさらに備え、少なくとも前記インピーダンス変換ダイの前記通孔側の面は樹脂材によって覆われていてもよい。
この場合、インピーダンス変換ダイにも電気音響変換ダイにもパッケージ外部の光が照射されにくいため、内部光電効果によるノイズが発生することを抑止できる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。各実施形態において対応している構成要素には共通の符号を付し、重複する説明は省略する。
（第一実施形態）
・構成
図１Ａは、本発明のコンデンサマイクロホンの第一実施形態を示す模式的な断面図である。コンデンサマイクロホン１は、電気音響変換ダイ３とインピーダンス変換ダイ２と、これらを収容するパッケージ５とを備えている。

電気音響変換ダイ３は、音波を電気信号に変換する機能を有し、パッケージ５の底部５１に接合されている。電気音響変換ダイ３はシリコンウェハ上にドープトシリコン薄膜などの導電膜や、シリコン酸化膜などの絶縁膜が積層された構造を有する。電気音響変換ダイ３は、静止電極を形成しているプレート３２、振動電極を形成しているダイヤフラム３６、プレート３２およびダイヤフラム３６を支持する環状の支持部３４などを備えている。支持部３４は、配線部としての底部５１に接着などにより固定されている。支持部３４は、一層以上の膜から構成され、プレート３２とダイヤフラム３６とを支持している。支持部３４には開口が形成され、その開口がキャビティ３５を形成している。

ダイヤフラム３６は、キャビティ３５の上に張り渡され、音波が到来する空間とキャビティ３５とを仕切っている。ダイヤフラム３６は振動電極を形成する導電膜を含む一層以上の膜で形成され、支持部３４の開口を覆う円形の輪郭を有している。ダイヤフラム３６の厚さは例えば０．５〜１．５μｍに設定される。

ダイヤフラム３６に重なるプレート３２は静止電極を形成する導電膜を含む一層以上の膜で構成されている。プレート３２には複数の通孔が形成されており、各通孔が音響孔３１を形成している。音波は音響孔３１を通過して電気音響変換ダイ３の内部に進行し、ダイヤフラム３６を振動させる。

図１Ｂはパッケージ５のカバー５４を取り外した状態のコンデンサマイクロホン１の平面図、図２Ａはパッケージ５のカバー５４とインピーダンス変換ダイ２とを取り外した状態のコンデンサマイクロホン１の平面図である。
インピーダンス変換ダイ２は電気音響変換ダイ３に積載され、プレート３２およびダイヤフラム３６と重なっている。すなわちインピーダンス変換ダイ２の投影領域は、ダイヤフラム３６およびプレート３２を完全に包含する。電気音響変換ダイ３の電極パッド３０１、３０２、３０３、３１１、３１２、３１３、３１４とインピーダンス変換ダイ２の電極パッド２０１、２０２、２０３、２１１、２１２、２１３、２１４とはそれぞれはんだボールによって電気的に接続されている。

インピーダンス変換ダイ２は、静止電極または振動電極のいずれか一方に一定のバイアス電圧を印加するためのチャージポンプ、静止電極または振動電極のいずれか他方に接続されるインピーダンス変換器などを備えており、電気音響変換ダイ３のハイインピーダンスの出力をローインピーダンス化し、コンデンサマイクロホン１のノイズ耐性を向上させる。また、インピーダンス変換ダイ２はノイズシールド層２１を備えている。ノイズシールド層２１は、投影領域がダイヤフラム３６およびプレート３２を完全に包含する導電膜で形成され、コンデンサマイクロホン１のグラウンド電位に接続されている。

電気音響変換ダイ３とインピーダンス変換ダイ２との間に位置するバンパ４２および通気フィルタ４１は、絶縁膜を含む一層以上の堆積膜によって形成されている。通気フィルタ４１は、プレート３２の外周より外側の環状の領域に形成されている。バンパ４２は、通気フィルタ４１の外側に互いに離間して形成されている。バンパ４２および通気フィルタ４１の高さは同一かまたは少なくともバンパ４２の高さが通気フィルタ４１の高さより低くないように設定され、バンパ４２は通気フィルタ４１の高さ方向の強度を補強する役割を果たす。

なお、バンパ４２は通気フィルタ４１の内側に形成されてもよい。また、通気フィルタ４１は環状に形成されていなくてもよく、バンパ４２とバンパ４２との間を塞ぐように互いに離間して複数個形成されてもよい。バンパ４２は省略されてもよい。

図２Ｂに示すように、通気フィルタ４１は、複数の柱４１１から構成される。複数の柱４１１の間にある間隙がダイヤフラム３６に音波を伝達するための伝達路４１２を形成している。柱４１１の形状や配列は通気フィルタ４１に要求される音響特性や遮ろうとする対象の形態によって適宜設定される。柱４１１の形状は例えば、直径数μｍ〜数十μｍ、高さ約１０μｍの円柱である。各柱４１１同士の間隔は例えば数μｍ〜数十μｍに設定される。

パッケージ５は多層配線基板によって構成される底部５１と、底部５１とともにパッケージ５の内側に空洞を形成しているカバー５４とで構成されている。底部５１は、図示しない外部配線基板に図示しないＢＧＡ（Ball Grid Array）などを介して接合される。カバー５４には、インピーダンス変換ダイ２と重ならない位置に通孔５３が形成されている。通孔５３は、パッケージ５の外側の空間からパッケージ５の内部空間に音波を伝搬させるために形成されている。通孔５３の直下にあって通孔５３によってパッケージ５の外側の空間に露出する部分とその近傍とを含む領域７１は、樹脂材７によってポッティングされている。したがって、通孔５３の近傍のインピーダンス変換ダイ２と電気音響変換ダイ３との間は、樹脂材７によって充填されている。

多層配線基板である配線基板６０には、電極パッド６０１、６０２、６０３が形成されており、底部５１を介して図示しない外部配線基板に形成されている配線と電気的に接続される。底部５１には、グラウンド電位に接続される導電層５２が含まれている。配線基板６０の電極パッド６０１、６０２、６０３は、電気音響変換ダイ３の電極パッド３２１、３２２、３２３、３０１、３０２、３０３とそれぞれ接続されている。

・作用
通孔５３を通過してパッケージ５内部に進行した音波は、インピーダンス変換ダイ２と電気音響変換ダイ３との隙間を通ってプレート３２に到達する。プレート３２の音響孔３１を通過した音波はダイヤフラム３６に到達し、ダイヤフラム３６を振動させる。ダイヤフラム３６が振動することによって、静止電極と振動電極とで構成されるコンデンサの容量が変化する。本実施形態のコンデンサマイクロホン１では、振動電極側にバイアス電圧が印加され、コンデンサの容量変化は静止電極の電位変化としてインピーダンス変換ダイ２に出力される。

コンデンサマイクロホン１では、電気音響変換ダイ３はインピーダンス変換ダイ２と底部５１との間に配置されているので、電気音響変換ダイ３の表面に露出しているプレート３２やダイヤフラム３６に風が当たることによるノイズ音の発生を抑止することができる。すなわち、ノイズ音を発生する原因となる空気の流れをインピーダンス変換ダイ２によって遮ることができる。また、インピーダンス変換ダイ２によって空気の流れが遮られるので、塵埃がプレート３２やダイヤフラム３６に付着しにくい。また、コンデンサマイクロホン１は通気フィルタ４１を備えているので、この通気フィルタ４１によってプレート３２およびダイヤフラム３６に対する防風および防塵効果をさらに高めることができる。

また、電気音響変換ダイ３とインピーダンス変換ダイ２とが積載される構成であるので、コンデンサマイクロホン１のパッケージサイズを小さくすることができる。

さらに、インピーダンス変換ダイ２がノイズシールド層２１を備えているため、ハイインピーダンスである電気音響変換ダイ３に影響を及ぼす電磁ノイズや静電ノイズを低減することができる。

また、通孔５３近傍の領域７１においてインピーダンス変換ダイ２と電気音響変換ダイ３の間が樹脂材７によって充填されていることにより、電気音響変換ダイ３に外部の光が照射されにくいため、内部光電効果によるノイズの発生を抑止することができる。また、通孔５３がインピーダンス変換ダイ２と重ならない位置に、すなわちインピーダンス変換ダイ２の真上に位置しない構成であるので、インピーダンス変換ダイ２に外部の光が照射されにくい。そのため、インピーダンス変換ダイ２に関してもノイズの発生を抑止できる。
以上説明したような、風、塵埃対策、各種のノイズ対策が施されていることにより、コンデンサマイクロホン１の環境適応性が向上する。

・製造方法
本実施形態のコンデンサマイクロホン１においては、バンパ４２と通気フィルタ４１とは電気音響変換ダイ３と一体に形成される。すなわち、電気音響変換ダイ３と一体の通気フィルタ４１はダイの製造プロセスにおける微細加工技術によって形成される。そのため、ダイの製造プロセスにおいてウェハ全体に対して一度に施される微細加工はダイシング工程後の加工コストよりもダイあたりの加工コストが低いので、通気フィルタ４１を追加することによるコンデンサマイクロホン１の製造コストの増大を抑制することができる。

図３は、本実施形態の電気音響変換ダイ３を実現するための膜の積層構造の一例を示す断面図である。
電気音響変換ダイ３の基板は単結晶Ｓｉなどからなるウェハ１０７から形成される。図３を用いて電気音響変換ダイ３の製造方法を説明する。はじめに、ウェハ１０７の上にエッチストッパ膜１０２を成膜する。次に、エッチストッパ膜１０２の上に振動電極を構成する導電膜１０８を成膜し、レジストマスクのパターンをエッチングにより転写することによりダイヤフラム３６の輪郭を形成する。

次に、エッチストッパ膜１０２の上と導電膜１０８の上とにスペーサ膜１０３を成膜する。次に、スペーサ膜１０３の上に、静止電極を構成する導電膜１０４を成膜し、レジストマスクのパターンを転写することにより、プレート３２の輪郭および音響孔３１を形成する。次に、導電膜１０４の上とスペーサ膜１０３の上とに絶縁膜１０５を成膜する。次に、通気フィルタ４１やバンパ４２を構成する絶縁膜１０９を絶縁膜１０５の上に成膜し、レジストマスクのパターンをエッチングにより転写することにより、柱４１１やバンパ４２（図３には図示無し）を形成する。

次に、レジストマスクのパターンをエッチングにより転写することにより、プレート３２を露出させるために絶縁膜１０５の不要部を除去する。次に、ウェハ１０７の裏面上にレジストマスクを形成し、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによりウェハ１０７にキャビティ３５を形成する。

次に、音響孔３１とキャビティ３５とからエッチャントを供給し、エッチストッパ膜１０２とスペーサ膜１０３の不要部を除去する。なお、絶縁膜１０９および絶縁膜１０５は、エッチストッパ膜１０２とスペーサ膜１０３とエッチング選択性がある材料で構成される。最後にダイシングによりウェハ１０７を分断すると、電気音響変換ダイ３が完成する。

なお、通気フィルタ４１とバンパ４２のいずれか一方または両方は、インピーダンス変換ダイ２と一体に形成されてもよい。通気フィルタ４１やバンパ４２は、インピーダンス変換ダイ２や電気音響変換ダイ３と別体に形成された後に接合されてもよい。

（第二実施形態）
図４Ａは、本発明のコンデンサマイクロホンの第二実施形態を示す模式的な断面図である。図４Ａに示すように、ダイヤフラム３６がプレート３２よりインピーダンス変換ダイ２側に位置していてもよい。電気音響変換ダイ３の出力端子に接続される電極がインピーダンス変換ダイと隣接すると両者間に寄生容量が生じ感度が低下する可能性がある。したがって、図４Ａに示す構成では、振動電極にバイアス電圧が印加され、静止電極が電気音響変換ダイ３の出力端子に接続されることが望ましい。

（第三実施形態）
図４Ｂは、本発明のコンデンサマイクロホンの第三実施形態を示す模式的な断面図である。図４Ｂに示すように、コンデンサマイクロホンのパッケージを省略し、種々の電子デバイスが実装される外部配線基板８に電気音響変換ダイ３を直接接合してもよい。

（第四実施形態）
図５Ａは、本発明のコンデンサマイクロホンの第四実施形態を示す模式的な断面図である。図５Ｂはパッケージ５のカバー５４を取り外した状態のコンデンサマイクロホンの平面図である。通孔５３は、カバー５４のいずれの位置にあってもよく、例えば図５Ａに示すようにインピーダンス変換ダイ２と重なる位置に形成されていてもよい。第四実施形態では、電極パッドやボンディングワイヤに加えて、インピーダンス変換ダイ２の上面（底部５１から遠方の面）も樹脂材７によって覆われている（図５Ｂの領域７２）。そのため、インピーダンス変換ダイ２にも電気音響変換ダイ３にもパッケージ外部の光が照射されにくいので、内部光電効果によるノイズの発生を抑止することができる。尚、図５Ｂに示すように、インピーダンス変換ダイ２の電極パッド３２２側の一辺と支持部３４との間の空間は樹脂材７によって充填されるが、その他の３辺と支持部３４との間は樹脂材７によって充填されないので、音波はこの空間を通って電気音響変換ダイ３の内部に進行することができる。

尚、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

（１Ａ）は本発明の第一実施形態にかかる断面図、（１Ｂ）は本発明の第一実施形態にかかる平面図。 （２Ａ）は本発明の第一実施形態にかかる平面図、（２Ｂ）は本発明の第一実施形態にかかる拡大図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 （４Ａ）は本発明の第二実施形態にかかる断面図、（４Ｂ）は本発明の第三実施形態にかかる断面図。 （５Ａ）は本発明の第四実施形態にかかる断面図、（５Ｂ）は本発明の第四実施形態にかかる平面図。

符号の説明

１：コンデンサマイクロホン、２：インピーダンス変換ダイ、３：電気音響変換ダイ、５：パッケージ、７：樹脂材、２１：ノイズシールド層、３１：音孔、３２：プレート、３４：支持部、３５：キャビティ、３６：ダイヤフラム、４１：通気フィルタ、４２：バンパ、４２：通気フィルタ、４２：バンパ、５１：底部、５２：導電層、５３：通孔、５４：カバー、６０：配線基板、４１１：柱、４１２：伝達路

Claims (7)

1. インピーダンス変換器を含むインピーダンス変換ダイと、
   前記インピーダンス変換ダイと重なり静止電極を形成するプレートと、前記プレートと重なり前記静止電極に対する振動電極を形成するダイヤフラムと、を備え、前記インピーダンス変換ダイと配線部との間に設けられ、前記静止電極又は前記振動電極が前記インピーダンス変換器に接続されている電気音響変換ダイと、
   を備え、
   前記インピーダンス変換ダイと前記電気音響変換ダイとの間には外部空間から前記ダイヤフラムに音波を伝達するための伝達路が形成されている、
   コンデンサマイクロホン。
2. 前記インピーダンス変換ダイは前記プレートと前記ダイヤフラムとに重なるノイズシールド層を備える、
   請求項１に記載のコンデンサマイクロホン。
3. 前記伝達路を形成している通気フィルタをさらに備える、
   請求項１又は２に記載のコンデンサマイクロホン。
4. 前記通気フィルタは前記電気音響変換ダイまたは前記インピーダンス変換ダイと一体に形成されている、
   請求項３に記載のコンデンサマイクロホン。
5. 前記静止電極と前記振動電極のうち一定のバイアス電圧が印加されている一方が他方より前記インピーダンス変換ダイ側に配置されている、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン。
6. 内部空間の一部に前記電気音響変換ダイと前記インピーダンス変換ダイとを収容し、前記インピーダンス変換ダイと重ならない位置に通孔を有するパッケージをさらに備え、
   前記通孔の近傍において前記インピーダンス変換ダイと前記電気音響変換ダイとの間は樹脂材によって充填されている、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン。
7. 内部空間の一部に前記電気音響変換ダイと前記インピーダンス変換ダイとを収容し、前記インピーダンス変換ダイを基準として前記配線部と反対側の面に通孔を有するパッケージをさらに備え、
   少なくとも前記インピーダンス変換ダイの前記通孔側の面は樹脂材によって覆われている、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン。

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