JP2010109457A - 音響電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】低周波側の感度保障が可能な信頼性の高い音響電子部品を提供する。
【解決手段】実装基板（１１１）と、前記実装基板上に配置され、音響容量として機能する空洞部及び音響抵抗として機能する溝のいずれか一方又は両方が設けられた部材（１１２）と、前記部材上に配置され、チップの表面に音響素子が設けられ、チップの裏面における前記音響素子の下部に、音響容量として機能する裏面空洞が設けられたウェハチップ（１１３）と、を備えることを特徴とする音響電子部品。
【選択図】図２

Description

本発明は、音響電子部品に関し、例えば、チップの表面に音響素子、チップの裏面に裏面空洞が設けられた音響トランスデューサに関する。

近年、携帯電話機等の通信機器には、マイク、フィルタ、発振器等の電子部品が数多く用いられている。そして、これらの電子部品に対しては、小型化及び高信頼性が強く求められている。また、これらの電子部品は、これらの電子部品から製品を組み立てる際に、歩留まりよく組み立てができることも求められている。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造されるＭＥＭＳマイクロフォンが注目されている。ＭＥＭＳマイクロフォンの例であるシリコンマイクロフォンは、シリコン基板上に、薄膜の圧電膜を電極で挟み込んだ圧電素子を形成することで作製される。シリコンマイクロフォンでは、圧電素子が音圧を感知することで、電極間に電荷が発生する。このようにして、機械振動が電気信号に変換される。

ＭＥＭＳマイクロフォンでは一般に、シリコン基板の表面に圧電素子が設けられ、シリコン基板の裏面における圧電素子の下部にバックキャビティ（裏面空洞）が設けられる。そして、シリコン基板の裏面は、実装基板に接着される。しかしながら、このようなＭＥＭＳマイクロフォンには、バックキャビティの体積が小さく、低周波側の感度が低いという欠点がある。

特許文献１及び２には、実装基板の表面に窪みを設けたＭＥＭＳマイクロフォンが記載されている。このような窪みにより、バックキャビティの容積を広くすることが可能となっている。しかしながら、この技術には、実装基板の表面に窪みを設けるためのコストがかさむという欠点がある。
特表２００８−５１０４２７号公報 米国特許出願ＵＳ２００５／００１８８６４号公報

本発明は、低周波側の感度保障が可能な信頼性の高い音響電子部品を提供することを課題とする。

本発明の一の態様は例えば、実装基板と、前記実装基板上に配置され、音響容量として機能する空洞部及び音響抵抗として機能する溝のいずれか一方又は両方が設けられた部材と、前記部材上に配置され、チップの表面に音響素子が設けられ、チップの裏面における前記音響素子の下部に、音響容量として機能する裏面空洞が設けられたウェハチップと、を備えることを特徴とする音響電子部品である。

本発明によれば、低周波側の感度保障が可能な信頼性の高い音響電子部品を提供することが可能になる。

本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の音響トランスデューサ１０１の上面図である。図２は、図１の音響トランスデューサ１０１の側方断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図となっている。本実施形態の音響トランスデューサ１０１は、本発明の音響電子部品の例である。

本実施形態の音響トランスデューサ１０１は、図２に示すように、実装基板１１１と、本発明の部材の例である樹脂部材１１２と、本発明のウェハチップの例であるシリコン基板１１３と、蓋１１４とを備える。

実装基板１１１は、種々の電子部品を実装するための基板である。実装基板１１１はここでは、樹脂基板である。実装基板１１１には、図１に示すように、ワイヤパッド１２１や、実装基板１１１と蓋１１４を接着するための蓋接着部材１２２が設けられている。

樹脂部材１１２は、実装基板１１１上に配置されている。樹脂部材１１２には、図２に示すように、音響容量として機能する空洞部２０１が設けられている。本実施形態では、空洞部２０１は、樹脂部材１１２を貫通している。そのため、樹脂部材１１２は、図３のような板状の部材ではなく、図４のような環状の部材となっている。図３，図４は、図中のＺ軸方向を垂直方向とする斜視図である。本実施形態では、空洞部２０１の面積，高さはそれぞれ、２．２ｍｍ×２．２ｍｍ，０．１ｍｍとなっており、体積は０．４８ｍｍ^３となっている。

シリコン基板１１３は、樹脂部材１１２上に配置されている。シリコン基板１１３は、シリコンウェハがダイシングされたシリコンチップである。シリコン基板１１３の面積，厚さはそれぞれ、２．５ｍｍ×２．５ｍｍ，０．４３ｍｍとなっている。

図２では、シリコン基板１１３の表面がＳ₁で示され、シリコン基板１１３の裏面がＳ₂で示されている。

シリコン基板１１３の表面Ｓ₁には、図２に示すように、本発明の音響素子の例である圧電素子１３１が設けられている。これにより、本実施形態の音響トランスデューサ１０１は、ＭＥＭＳマイクロフォンとなっている。圧電素子１３１は、薄膜の圧電膜を電極で挟み込んだ構造を有している。具体的には、圧電素子１３１は、シリコン基板１１３上に形成された下部電極と、下部電極上に形成された圧電膜と、圧電膜上に形成された上部電極とを備えている。下部電極は、メタル層でも活性層でも構わない。

なお、下部電極を活性層とする場合、当該活性層は、シリコン基板１１３の表面へのイオン注入により形成される。当該活性層は例えば、シリコン基板１１３の表面にイオン注入マスクパターンを形成し、シリコン基板１１３にＰ（リン）イオンを打ち込むことで形成される。Ｐイオンの打ち込み条件は例えば、180keV及び1×10¹⁵atoms/cm²とする。これにより、圧電素子１３１の下部電極として機能する活性層が形成される。

シリコン基板１１３の裏面Ｓ₂には、図２に示すように、音響容量として機能する裏面空洞２０２が設けられている。裏面空洞２０２は、シリコン基板１１３の裏面Ｓ₂において、圧電素子１３１の下部に設けられている。本実施形態では、裏面空洞２０２の面積，高さはそれぞれ、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ，０．４３ｍｍとなっており、体積は０．９７ｍｍ^３となっている。

このように、本実施形態の音響トランスデューサ１０１には、裏面空洞２０２に加えて空洞部２０１が設けられている。これにより、圧電素子１３１に作用する音響容量が増加している。本実施形態では、空洞部２０１は、裏面空洞２０２の下部に設けられ、裏面空洞２０２と一体化されている。

図５は、音響トランスデューサ１０１の感度−周波数特性を示したグラフである。図５の横軸は、音圧の周波数を表し、図５の縦軸は、音響トランスデューサ１０１の感度を表す。また、Ｃ_mは空洞部２０１の音響容量、Ｃ_cavは裏面空洞２０２の音響容量、Ｒ_gapは、圧電素子１３１に作用する音響抵抗を表す。

図５に示すように、音響トランスデューサ１０１の感度は、低周波側で低くなる。図５には、Roll-Off周波数ω_Roll-Offが示されている。音響トランスデューサ１０１の感度は、Roll-Off周波数よりも高周波側では、周波数によらず一定であり、Roll-Off周波数よりも低周波側では、周波数により変化する。音響トランスデューサ１０１は通常、Roll-Off周波数よりも高周波側で使用される。Roll-Off周波数よりも高周波側の周波数領域は、感度領域と呼ばれる。

Roll-Off周波数は、図５に示す式（＊）で与えられる。このように、Roll-Off周波数は、空洞部２０１の音響容量Ｃ_mと裏面空洞２０２の音響容量Ｃ_cavとの和Ｃ_m＋Ｃ_cavに反比例する。よって、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１に空洞部２０１を設けることで、Roll-Off周波数を低下させ、音響トランスデューサ１０１の感度領域を低周波側に広げることができる。

本実施形態では、裏面空洞２０２の体積は０．９７ｍｍ^３であり、空洞部２０１の体積は０．４８ｍｍ^３である。よって、裏面空洞２０２の体積と空洞部２０１の体積との合計は、１．４５ｍｍ^３となる。これは、裏面空洞２０２の体積の１．４９倍である。よって、Ｃ_m＋Ｃ_cavの値は、Ｃ_cavの値の１．４９倍になる。そのため、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１に空洞部２０１を設けることで、Roll-Off周波数が０．６７倍に低下し、音響トランスデューサ１０１の感度領域が低周波側に広くなる。

以上のように、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１に、裏面空洞２０２と空洞部２０１とが設けられる。これにより、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１の感度領域を低周波側に広げることができる。このように、本実施形態によれば、低周波側の感度保障が可能な信頼性の高い音響トランスデューサ１０１を提供することが可能になる。

また、本実施形態では、空洞部２０１は、樹脂部材１１２に設けられる。これにより、本実施形態では、実装基板１１１の表面に窪みを設けずに、音響トランスデューサ１０１の感度領域を低周波側に広げることができる。空洞部２０１を有する樹脂部材１１２は、窪みを有する実装基板１１１に比べ、はるかに低いコストで用意することができる。

本実施形態では、空洞部２０１は、裏面空洞２０２の下部に設けられ、裏面空洞２０２と一体化されている。これは、裏面空洞２０２の体積が、空洞部２０１の体積分だけ増加したものと解釈することもできる。即ち、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１に空洞部２０１を設けることで、裏面空洞２０２の体積を増加させ、裏面空洞２０２の音響容量を増加させることができる。その結果、音響トランスデューサ１０１の感度領域が低周波側に広くなる。

図６は、比較例の音響トランスデューサ１０１の側方断面図である。図２では、部材１１２の形状が環状なのに対し、図６では、部材１１２の形状が板状になっている。図６では、部材１１２に空洞部２０１が設けられていない。一方、図２では、部材１１２の形状を環状にすることで、部材１１２に空洞部２０１が設けられている。これにより、図２では、裏面空洞２０２の体積が増加し、裏面空洞２０２の音響容量が増加している。

本実施形態では、樹脂部材１１２の厚さとシリコン基板１１３の厚さの合計は、蓋１１４の高さよりも小さくする必要がある。音響トランスデューサ１０１では、多くの場合、蓋１１４の高さに仕様上の制限がある。この場合には、樹脂部材１１２の厚さも、一定値未満に制限されることになる。本実施形態では、樹脂部材１１２の形状は、環状になっている。これには、樹脂部材１１２の厚さが薄くても、空洞部２０１の体積を大きくすることができるという利点がある。

なお、本実施形態では、部材１１２は、樹脂部材となっているが、樹脂部材以外の部材であっても構わない。また、本実施形態では、基板１１３は、シリコン基板となっているが、シリコン基板以外の基板であっても構わない。基板１１３は例えば、半導体基板と、半導体基板上に形成された埋込絶縁膜と、埋込絶縁膜上に形成された半導体層とを備えるＳＯＩ（Semiconductor On Insulator）基板であっても構わない。

以下、樹脂部材１１２の詳細について説明する。

樹脂部材１１２は例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、Ｂステージ化可能樹脂、又は紫外線硬化型樹脂で形成される。樹脂部材１１２は、これらのうちの２種類以上の樹脂を含んでいてもよい。また、樹脂部材１１２には、シリコン、炭素、金、銀のうちの１種類以上が添加されていてもよい。また、樹脂部材１１２には、ソルダレジスト、永久レジスト、感光型レジストのうちの１種類以上のレジストが含まれていてもよい。

樹脂部材１１２は例えば、シート状の樹脂部材を環状の樹脂部材に加工することで形成される。また、樹脂部材１１２は、樹脂の重ね塗りにより形成してもよい。樹脂の重ね塗りには、樹脂部材１１２の厚さを厚くすることができるという利点がある。これにより、空洞部２０１の音響容量を増加させることができる。

本実施形態では、樹脂部材１１２は、実装基板１１１とシリコン基板１１３を接着するためのダイボンド材となっている。よって、本実施形態では、樹脂部材１１２は、空洞部２０１を形成する役割と、チップ接着剤としての役割を兼ねている。これには、樹脂部材１１２の厚さとシリコン基板１１３の厚さの合計を小さくすることができるという利点がある。

なお、本実施形態では、シリコン基板１１３上に、圧電素子１３１に加えて、ドライバが設けられていてもよい。この場合、裏面空洞２０２及び空洞部２０１は、ドライバの下部にまで広がっていてもよい。これにより、圧電素子１３１に作用する音響容量が、更に大きくなる。また、素子１３１は、圧電素子以外の音響素子でも構わない。また、本実施形態では、電子部品の例として音響トランスデューサ１０１を取り上げたが、本実施形態は、音響トランスデューサ１０１以外の音響電子部品にも適用可能である。

以上のように、本実施形態では、ウェハチップ１１３に裏面空洞２０２が設けられるとともに、部材１１２に空洞部２０１が設けられる。これにより、本実施形態では、低周波側の感度保障が可能な信頼性の高い音響トランスデューサ１０１を提供することが可能になる。

以下、第２実施形態の音響トランスデューサ１０１について説明する。第２実施形態は第１実施形態の変形例であり、第２実施形態については、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態の音響トランスデューサ１０１の上面図である。図８は、図７の音響トランスデューサ１０１の側方断面図である。図８は、図７のＢ−Ｂ’線に沿った断面図となっている。本実施形態の音響トランスデューサ１０１は、本発明の音響電子部品の例である。

本実施形態の音響トランスデューサ１０１は、図８に示すように、実装基板１１１と、本発明の部材の例である積層部材１４１と、本発明のウェハチップの例であるシリコン基板１１３と、蓋１１４とを備える。

本実施形態では、実装基板１１１上に積層部材１４１が配置され、積層部材１４１上にシリコン基板１１３が配置されている。積層部材１４１には、図７に示すように、音響抵抗として機能する溝３０１が設けられている。溝３０１は、裏面空洞２０２の内部と外部とをつなぐ通気孔となっている。

図９は、図７に示す領域Ｘの拡大図である。図９には、溝３０１を上方から見た様子が示されている。図１０は、図８に示す領域Ｙの拡大図であり、図７のＢ−Ｂ’線に沿った断面図となっている。また、図１１は、図９のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。また、図１２は、図９のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。図１１及び図１２にはそれぞれ、溝３０１を側方から見た様子が示されている。なお、図９は、図１０から図１２のＥ−Ｅ’線に沿った断面図となっていることに留意されたい。

積層部材１４１は、図１０から図１２に示すように、本発明の第１の部材の例であるメタル層１５１と、本発明の第２の部材の例であるダイアタッチフィルム１５２とを有している。積層部材１４１には更に、ソルダレジスト１６１が含まれている。メタル層１５１とダイアタッチフィルム１５２は、ソルダレジスト１６１により接合されている。

メタル層１５１は、実装基板１１１上に配置されている。メタル層１５１はここでは、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、又はＡｕ（金）で形成される。メタル層１５１は、これらのうちの２種類以上を含んでいてもよい。メタル層１５１（及びソルダレジスト１６１）には、図１１及び図１２に示すように、音響容量として機能する空洞部２０１と、音響抵抗として機能する上記の溝３０１が設けられている。空洞部２０１は、裏面空洞２０２の下部に設けられている。溝３０１は、空洞部２０１の側方に設けられている。溝３０１は、図１２に示すように、空洞部２０１につながっている。

ダイアタッチフィルム１５２は、メタル層１５１上に配置されている。ダイアタッチフィルム１５２には、図１１及び図１２に示すように、裏面空洞２０２と空洞部２０１とを連絡する小さな穴３０２が設けられている。この小さな穴３０２は、音響抵抗としても機能する。なお、本実施形態のダイアタッチフィルム１５２は、ダイアタッチフィルム本来の役割に加えて、溝３０１の蓋の役割も果たしている。

以下、図５を参照して、音響トランスデューサ１０１の感度−周波数特性について説明する。

上述のように、音響トランスデューサ１０１のRoll-Off周波数は、図５に示す式（＊）で与えられる。この式を参照すると、Roll-Off周波数は、圧電素子１３１に作用する音響抵抗Ｒ_gapに反比例することが解る。よって、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１に溝３０１を設けることで、Roll-Off周波数を低下させ、音響トランスデューサ１０１の感度領域を低周波側に広げることができる。

溝３０１の音響抵抗は、ハーゲン−ポアズイユの法則により、開口半径の４乗に反比例すると共に、溝３０１の長さに比例する。そのため、本実施形態では、溝３０１の長さを長くすることで、Roll-Off周波数を低下させ、音響トランスデューサ１０１の感度領域を低周波側に広げることができる。

本実施形態の溝３０１は、図９に示すように、Ｌ字形の形状を有している。このように溝３０１に折れ曲がりを設けることには、溝３０１の長さを長くすることができるという利点がある。なお、溝３０１は、折れ曲がりを有していても、折れ曲がりを有していなくても構わない。

本実施形態の溝３０１は、積層部材１４１に設けられている。溝３０１には、音響抵抗Ｒ_gapを増加させる作用がある。音響抵抗Ｒ_gapは、圧電素子１３１に穴を設けることでも増加させることができる。しかし、これには、圧電素子１３１に穴を開けるのが難しいという問題がある。一方、積層部材１４１に溝３０１を設けるのは比較的容易である。このように、溝３０１には、加工が容易であるという利点がある。

以上のように、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１に、裏面空洞２０２と溝３０１とが設けられる。これにより、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１の感度領域を低周波側に広げることができる。このように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、低周波側の感度保障が可能な信頼性の高い音響トランスデューサ１０１を提供することが可能になる。

また、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１にさらに、空洞部２０１が設けられる。これにより、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１の感度領域をさらに低周波側に広げることができる。

また、本実施形態では、裏面空洞２０２と空洞部２０１とを連絡する穴３０２も、音響抵抗として機能する。これにより、本実施形態では、音響トランスデューサ１０１の感度領域をさらに低周波側に広げることができる。

以下、積層部材１４１の詳細について説明する。

本実施形態では、溝３０１が設けられた第１の部材の例として、メタル層１５１が示されている。本実施形態では、溝３０１は、メタル層１５１及びソルダレジスト１６１に設けられている。よって、本実施形態の第１の部材には、詳細には、メタル層１５１とソルダレジスト１６１とが含まれている。

なお、第１の部材には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、Ｂステージ化可能樹脂、又は紫外線硬化型樹脂が含まれていてもよい。第１の部材には、これらのうちの２種類以上の樹脂が含まれていてもよい。また、第１の部材に含まれる樹脂には、シリコン、炭素、金、銀のうちの１種類以上が添加されていてもよい。また、第１の部材には、ソルダレジスト、永久レジスト、感光型レジストのうちの１種類以上のレジストが含まれていてもよい。

また、第１の部材に含まれる樹脂は、シート状の樹脂部材を環状の樹脂部材に加工することで形成してもよい。また、第１の部材の一部または全部は、蓋接着部材１２２と同じプロセスで形成してもよい。

また、本実施形態では、穴３０２が設けられた第２の部材は、ダイアタッチフィルム１５２となっているが、その他の部材であっても構わない。

以上のように、本実施形態では、ウェハチップ１１３に裏面空洞２０２が設けられるとともに、部材１４１に溝３０１及び空洞部２０１が設けられる。これにより、本実施形態では、低周波側の感度保障が可能な信頼性の高い音響トランスデューサ１０１を提供することが可能になる。

なお、第１実施形態では、部材１１２に空洞部２０１が設けられており、第２実施形態では、部材１４１に空洞部２０１及び溝３０１が設けられている。しかしながら、本発明の実施形態には、空洞部２０１が設けられておらず、溝３０１が設けられている部材を備える音響トランスデューサ１０１も含まれる。このような音響トランスデューサ１０１の例を、図１３及び図１４に示す。この例は、第２実施形態の変形例であり、図１３及び図１４はそれぞれ、図１１及び図１２に対応する断面図である。この例では、図１３及び図１４に示すように、裏面空洞２０２の内部と外部とが、溝３０１と穴３０２だけを介してつながっており、部材１４１に空洞部２０１は設けられていない。本発明の実施形態には、このような例も含まれる。

以上、本発明の具体的な態様の例を、第１及び第２実施形態により説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。

第１実施形態の音響トランスデューサの上面図である。 第１実施形態の音響トランスデューサの側方断面図である。 樹脂部材の形状について説明するための斜視図である。 樹脂部材の形状について説明するための斜視図である。 音響トランスデューサの感度−周波数特性を示したグラフである。 比較例の音響トランスデューサの側方断面図である。 第２実施形態の音響トランスデューサの上面図である。 第２実施形態の音響トランスデューサの側方断面図である。 図７に示す領域Ｘの拡大図である。 図８に示す領域Ｙの拡大図である。 図９のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。 図９のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。 第２実施形態の変形例を説明するための、図１１に対応する断面図である。 第２実施形態の変形例を説明するための、図１２に対応する断面図である。

符号の説明

１０１ 音響トランスデューサ
１１１ 実装基板
１１２ 樹脂部材
１１３ シリコン基板
１１４ 蓋
１２１ ワイヤパッド
１２２ 蓋接着部材
１３１ 圧電素子
１４１ 積層部材
１５１ メタル層
１５２ ダイアタッチフィルム
１６１ ソルダレジスト
２０１ 空洞部
２０２ 裏面空洞
３０１ 溝
３０２ 穴

Claims (5)

1. 実装基板と、
   前記実装基板上に配置され、音響容量として機能する空洞部及び音響抵抗として機能する溝のいずれか一方又は両方が設けられた部材と、
   前記部材上に配置され、チップの表面に音響素子が設けられ、チップの裏面における前記音響素子の下部に、音響容量として機能する裏面空洞が設けられたウェハチップと、
   を備えることを特徴とする音響電子部品。
2. 前記部材に前記空洞部が設けられている場合において、
   前記部材は、前記空洞部が設けられた環状の部材であり、
   前記空洞部は、前記裏面空洞の下部に設けられ、前記裏面空洞と一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の音響電子部品。
3. 前記部材は、ダイボンド材であることを特徴とする請求項２に記載の音響電子部品。
4. 前記部材に前記空洞部及び前記溝が設けられている場合において、
   前記部材は、
   前記実装基板上に配置され、前記裏面空洞の下部に前記空洞部が設けられ、前記空洞部の側方に前記溝が設けられた第１の部材と、
   前記第１の部材上に配置され、前記裏面空洞と前記空洞部とを連絡する穴が設けられた第２の部材と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の音響電子部品。
5. 前記第２の部材は、ダイアタッチフィルムであることを特徴とする請求項４に記載の音響電子部品。

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