JP2015527002A

JP2015527002A - マイクアセンブリ

Info

Publication number: JP2015527002A
Application number: JP2015525538A
Authority: JP
Inventors: トニーケイリム; ワン　チン; チンワン; サンドラエフヴォス
Original assignee: ノールズエレクトロニクス，リミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-09-10
Also published as: EP2880870A1; US20140037120A1; CN104838668A; KR20150040307A; EP2880870A4; WO2014022487A1

Abstract

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アセンブリが、カバーと、基板と、カバーと基板の間に配置されてこれらのカバー及び基板に取り付けられた少なくとも１つの壁部と、カバーに配置されたＭＥＭＳデバイスと、基板に配置された集積回路とを含む。集積回路及びＭＥＭＳデバイスは、一方が他方の上に配置され、壁部を貫いて延びる導管によって共に少なくとも部分的に電気的に接続される。或いは、ＭＥＭＳデバイスを基板上に配置し、集積回路を底部上に配置することもできる。【選択図】図２

Description

〔関連出願との相互参照〕
本特許は、２０１２年８月１日に出願された「マイクアセンブリ」という名称の米国仮特許出願第６１／６７８，１８６号に対して合衆国法典第３５編第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張するものであり、この仮特許出願の内容はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。

本出願は、音響デバイスに関し、具体的には、これらのデバイス内で使用されるコンポーネントに関する。

長年にわたり、様々なタイプの音響デバイスが使用されている。音響デバイスの一例にはマイクがあり、別の例には受信機がある。一般に、マイクは、音を拾ってこれを電気信号に変換し、受信機は、電気信号を受けて音に変換する。

通常、マイクは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスと、場合によっては集積回路とを含む。ＭＥＭＳデバイスは、音響エネルギー（音）を受け取って、これを電気信号に変換する。ＭＥＭＳデバイス自体は、ダイアフラム及びバックプレートを含む。音響エネルギーは、アセンブリのハウジング内のポートを通じて入り込む。そして、この音響エネルギーがＭＥＭＳデバイス内のダイアフラムを動かし、バックプレートとダイアフラムの間の電位を変化させて電流を生じるように作用する。

マイクは、様々な用途で使用されている。例えば、いくつかの例を挙げると、マイクは、聴覚機器（例えば、補聴器）、携帯電話機及びパーソナルコンピュータで使用されている。マイクを導入しているデバイスは、時間とともに小型化してきている。例えば、携帯電話機は、小型、軽量化されてきている。デバイス全体のサイズをさらに小型化するには、マイクのサイズも小型化する必要がある。これまでにも、マイクを小型化しようという取り組みは行われてきたが、一般に、これらの以前の取り組みは、マイクの性能に影響を与えることなくどれほどの小型化を行えるかに関して限界にぶつかってきた。

本開示をより完全に理解できるように、以下の詳細な説明及び添付図面を参照されたい。

当業者であれば、図中の要素は単純化及び明瞭化を目的として示されたものであると認識するであろう。動作及び／又はステップの中には、特定の発生順で説明又は図示されているものもあるとさらに認識されるであろうが、当業者であれば、このような順序に関する特定性は実際には不要であると理解するであろう。また、本明細書で使用する用語及び表現は、本明細書内で別途特定の意味を記載している場合を除き、対応するそれぞれの探求及び研究分野に関するこのような用語及び表現に従う通常の意味を有することも理解されるであろう。

本明細書で説明する方法では、（例えば、トップポートアーキテクチャ及びボトムポートアーキテクチャの両方に関してアセンブリ全体の寸法が（１辺）約１ｍｍ〜３ｍｍ又は（合計）１²ｍｍ〜３²ｍｍの）小型フォームファクタのマイクアセンブリを提供する。別の態様では、形状が正方形（或いは、ほぼ又は実質的に正方形）であるレイアウトのアセンブリを提供する。他の構成も可能である。この小型フォームファクタは、携帯電話機、聴覚機器及びコンピュータなどの小型デバイス（例えば、小型のサイズが望ましいデバイス）内におけるマイクアセンブリの使用を可能にする。

本発明の様々な実施形態による、フリップチップ構成を用いて実装したＭＥＭＳデバイスを含むトップポート式マイクアセンブリの斜視図である。本発明の様々な実施形態による、図１のマイクアセンブリの線Ａ−Ａに沿った側断面図である。本発明の様々な実施形態による、図１〜図２のマイクアセンブリの蓋部の側断面図である。本発明の様々な実施形態による、図１〜図２のマイクアセンブリの、ＭＥＭＳが取り付けられていない蓋部を下から見た図である。本発明の様々な実施形態による、図１〜図２のマイクアセンブリの、ＭＥＭＳが取り付けられた蓋部を下から見た図である。本発明の様々な実施形態による、図１〜図２のマイクアセンブリの底部を上から見た図である。本発明の様々な実施形態による、フリップチップ構成を用いて実装したＭＥＭＳデバイスを含むボトムポート式マイクアセンブリの断面図である。本発明の様々な実施形態による、表面実装ワイヤボンディング構成を用いて実装したＭＥＭＳデバイスを含むトップポート式マイクアセンブリの斜視図である。本発明の様々な実施形態による、図８のトップポート式マイクアセンブリの線Ａ−Ａに沿った側断面図である。本発明の様々な実施形態による、図８〜図９のマイクアセンブリの蓋部の側断面図である。本発明の様々な実施形態による、図８〜図９のマイクアセンブリの、ＭＥＭＳデバイスが取り付けられていない蓋部を下から見た図である。本発明の様々な実施形態による、図８〜図９のマイクアセンブリの、ＭＥＭＳデバイスが取り付けられた蓋部を下から見た図である。本発明の様々な実施形態による、図８〜図９のマイクアセンブリの底部を上から見た図である。本発明の様々な実施形態による、ワイヤボンド構成を用いて実装したＭＥＭＳデバイスを含むボトムポート式マイクアセンブリの断面図である。

これらの実施形態の多くでは、マイクアセンブリが、壁部に結合された蓋部を含む。壁部は、底部に対して配置される。壁部内にはキャビティが形成されて定められる。底部又は蓋部の一方にはポートが配置される。キャビティ内には、ＭＥＭＳデバイス及び集積回路が配置される。ＭＥＭＳデバイス又は集積回路の一方は蓋部に結合される。ＭＥＭＳデバイス及び集積回路の他方は底部に結合される。ＭＥＭＳデバイス及び集積回路は、わずかな垂直距離だけ分離される。換言すれば、ＭＥＭＳデバイス及び集積回路は、一方が他方の上に（例えば、１つの例では、両方が共通の縦軸を中心として）配置される。ＭＥＭＳデバイスと集積回路の間には、壁部を貫いて形成されたバイアによって電気的接続が部分的に提供される。

いくつかの態様では、アセンブリが、極めて良好なフラットな周波数応答をもたらすほんのわずかな前方容量を有する。また、本明細書で説明するアセンブリは、現在確立されている製造能力及び処理能力を全部ではないが多く再利用することができる。

これらの実施形態の他の実施形態では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アセンブリが、カバーと、基板と、カバーと基板の間に配置されてこれらのカバー及び基板に取り付けられた少なくとも１つの壁部と、カバーに配置されたＭＥＭＳデバイスと、基板に配置された集積回路とを含む。集積回路及びＭＥＭＳデバイスは、一方が他方の上に配置され、壁部を貫いて延びる導管によって共に少なくとも部分的に電気的に接続される。或いは、ＭＥＭＳデバイスを基板上に配置し、集積回路を底部上に配置することもできる。

ここで図１〜図７を参照しながら、トップポートを含んでフリップチップ構成を使用するマイクアセンブリ１００の一例について説明する。アセンブリ１００は、蓋部１０２、壁部１０４、ＭＥＭＳ装置１０６、集積回路１０８及び底部１１０を含む。底部１１０上には、顧客用接点パッド２００が配置される。トップポート１１２は、蓋部１０２の開口部を形成する。ポート１１２内には、粒子フィルタ１１４が配置される。粒子フィルタ１１４の１つの機能は、アセンブリ１００に粒子が入り込むのを防ぐことである。本明細書で使用する「フリップチップ構成」は、ＭＥＭＳデバイスのボンディングパッドが、半田バンプ又は金対金界面接合剤（ＧＧＩ）などの導電性相互接続材料によって基板材料に直接接着されていることを意味する。

蓋部１０２は、セラミック性の蓋部とすることができる。フリップチップ接続を可能にする他の蓋部構成材料の例を使用することもできる。底部１１０は、ＦＲ−４材料（又は、セラミック材料などの他の材料）で構成されたプリント回路基板とすることができる。

壁部１０４は、１つの例ではセラミックで構成され、第１のメッキバイア１４０及び第２のメッキバイア１４１を含むことができる。１つの態様では、第１及び第２のメッキバイア１４０及び１４１は、（銅などの）導電材料でメッキ又は被覆されることによって電気信号を伝える細長い開口部又はチャネルである。蓋部１０２上の第１のトレース（又は導体）１４２は、ＭＥＭＳデバイス１０６をメッキバイア１４０に電気的に結合する。蓋部１０２上の第２のトレース（又は導体）１４３は、ＭＥＭＳデバイス１０６を第２のメッキバイア１４１に電気的に結合する。底部１１０上の第１のトレース（又は導体）１４４は、バイア１４０を（ワイヤ１４６を介して）集積回路１０８に結合する。底部１１０上の第２のトレース（又は導体）１４５は、第２のバイア１４１を（ワイヤ１４７を介して）集積回路１０８に結合する。ワイヤ１４９、１５０及び１５１は、集積回路１０８を、底部１１０上の及び／又は底部１１０を貫く他のトレース又は導電路（図示せず）に結合する。これらの底部上の他のトレースは、顧客用接点パッド２００に接続される。

ＭＥＭＳ装置１０６は、音響エネルギーを受け取ってこれを電気エネルギーに変換する。この点に関し、ＭＥＭＳ装置１０６は、ダイアフラム１０７及びバックプレート１０９を含むことができる。音響エネルギーは、ダイアフラム１０７の動きを引き起こし、この動きがダイアフラム１０７とバックプレート１０９の間の電位を変化させる。バックプレートを利用しない他のタイプのＭＥＭＳ法を使用することもできる。生成される電流又は電圧は、ＭＥＭＳ装置１０６によって受け取られた音響エネルギーを表す。ＭＥＭＳ装置１０６は、導電性金属接続又はその他のいずれかの適当な締結機構又は方法によって蓋部１０２に取り付けられる。組み立てられたアセンブリにより、前方容量２０１及び後方容量２０３が形成される。

集積回路１０８は、あらゆる種類の処理機能を実行するあらゆる種類の集積回路である。一例では、集積回路１０８が、緩衝器、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、又は増幅器である。他の集積回路の例及びタイプも可能である。

ＭＥＭＳデバイス１０６には、エッジ充填部１６０が配置される。エッジ充填部１６０の１つの目的は、ＭＥＭＳデバイス１０６と蓋部１０２の間に音響シールを提供する（このシールによって後方容量が前方容量から分離されるようにする）ことである。シールリング１９９は、アセンブリ１００の内部を外部環境から音響的に密封する。

フリップチップバンプ１６２は、ＭＥＭＳデバイス１０６を蓋部１０２に結合する。フリップチップバンプ１６２は、導電性材料で構成される。導電性／金属接合部１６４、１６６、１７２及び１７４は、蓋部１０２（又は底部１１０）上の導体と、対応するバイア１４０又は１４１との間の電気的接続を提供する。非導電性接合部１６８、１７０、１７６及び１７８は、組み立てを目的として（蓋部１０２／壁部１０４間、又は底部１１０／壁部１０４間の）４つの角部全てへの取り付けを可能にする。

図１〜図７のシステムの１つの動作例では、ＭＥＭＳデバイス１０６によって音響エネルギーが受け取られ、デバイス１０６がこの音響エネルギーを電気エネルギーに変換する。この点に関し、音響エネルギーは、ダイアフラム１０７の動きを引き起こし、この動きがダイアフラム１０７とバックプレート１０９の間の電位を変化させる。生成される電流又は電圧は、ＭＥＭＳ装置１０６によって受け取られた音響エネルギーを表す。

導体１４２からバイア１４０、トレース１４５、集積回路１０８に信号が伝達される。集積回路１０８は、この信号をさらに処理することができ、この信号は、底部内の、及び／又は底部を通るさらなる導体（図示せず）に（ワイヤ１４９、１５０及び１５１を介して）伝達された後に、ここから底部上のパッド２００に伝達され、ここで顧客はパッド及びこれらのパッド２００上に提供される信号にアクセスすることができる。

一般に、ＭＥＭＳデバイス１０６及び集積回路１０８は、互いに、又は一方が他方の上に積み重ねられ、又は配置されると認識されるであろう。本明細書で説明する例では、ＭＥＭＳデバイス１０６及び集積回路１０８が、同じ縦軸２０４に沿って中心を置く。しかしながら、これらの２つのデバイスを互いにずらす（例えば、異なる縦軸に沿って配置する）こともできると認識されるであろう。こうすることで、デバイスの全体的なフォームファクタ又は「占有面積」が低減され、これによって例えば形状／フォームファクタを矩形にすることができる。そうすると、デバイスの全体的なサイズが低減され、アセンブリ１００を含むデバイスをさらに小型化することができる。

この結果、（例えば、トップポートアーキテクチャ及びボトムポートアーキテクチャの両方に関してアセンブリ全体の寸法が（１辺）約１ｍｍ〜３ｍｍ又は（合計）１２ｍｍ〜３２ｍｍの）小型フォームファクタのマイクアセンブリが提供される。他の寸法及びレイアウト例も可能である。フラットな周波数応答のためにわずかな前方容量２０１が存在することも認識されるであろう。また、トップポートの例では、信号対雑音（ＳＮＲ）性能を高めるために（前方容量に比べて大きな）後方容量２０３が存在する。

ここで図７を参照しながら、マイクアセンブリ１００の別の例について説明する。この例では、音響ポートが底部に存在する。これに関連して、ＭＥＭＳデバイス１０６はアセンブリの底部上（底部１１０）に存在し、集積回路１０８はアセンブリの頂部（蓋部１０２上）に存在し、従ってこのアセンブリはボトムポート構成になっている。バイア２０３は、導電バイア１４０からパッド２００に電気信号を接続する。他のコンポーネントは、図１〜図７で使用したものと同じものであるため、ここではこれらの説明及び動作については繰り返さない。図１〜図６の例は（ポートが顧客用半田パッドと反対側にある）トップポート式マイクであり、図７には（ポートが顧客用半田パッドと同じ側にある）ボトムポート式デバイスを示していると認識されるであろう。これらの２つの例は、顧客用半田パッド（これらは常にデバイスの底部側に存在する）を除いて基本的に１８０°回転させた同じアセンブリである。

ここで図８〜図１３を参照しながら、ワイヤボンド構成のトップポートを有するマイクアセンブリ８００の一例について説明する。この例は、図１〜図７の例と同様のものであり、同様の番号のコンポーネントについては同様に番号を付けている（例えば、１０２と表記したコンポーネントは８０２と表記している）。図１〜図７の例示的なアセンブリ１００と図８〜図１３の例示的なアセンブリ８００との相違点は、半田バンプ１６２が除去されている（すなわち、ＭＥＭＳデバイス１０６がフリップチップ構成で実装されていない）点である。代わりに、ＭＥＭＳデバイスは何らかの締結方法を通じて蓋部バイアに固定され、トレース１４２（及び、蓋部１０２上の他のトレース）とＭＥＭＳデバイス１０６の間の電気的接続はワイヤボンド８２０及び８２１によって提供される。図８〜図１３のアセンブリの動作及びその他のコンポーネントは図１〜図７の例と同じものであるため、ここでは繰り返さない。

ここで図１４を参照しながら、ワイヤボンド構成のボトムポートを有するマイクアセンブリの一例について説明する。この例では、音響ポートが底部に存在する。これに関連して、ＭＥＭＳデバイス８０６はアセンブリの底部上に存在し、集積回路８０８はアセンブリの頂部上に存在し、従ってこのアセンブリはボトムポート構成になっている。バイア９０３は、導電バイア８４０からパッド９００に電気信号を接続する。他のコンポーネントは、図８〜図１３で使用したものと同じものであるため、ここではこれらの説明及び動作については繰り返さない。図８〜図１３の例は（ポートが顧客用半田パッドと反対側にある）トップポート式マイクであり、図１４には（ポートが顧客用半田パッドと同じ側にある）ボトムポート式デバイスを示していると認識されるであろう。これらの２つの例は、顧客用半田パッド（これらは常にデバイスの底部側に存在する）を除いて基本的に１８０°回転させた同じアセンブリである。

本明細書では、発明者らに周知の、発明を実施するための最良の形態を含む本発明の好ましい実施形態を説明した。図示の実施形態は例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。

１０２蓋部
１０４壁部
１０６ＭＥＭＳ装置
１０７ダイアフラム
１０８集積回路
１０９バックプレート
１１０底部
１１２トップポート
１１４粒子フィルタ
１４０バイア
１４４第１のトレース
１４５第２のトレース
１４６ワイヤ
１４７ワイヤ
１６０エッジ充填部
１６２フリップチップパンプ
１６４導電性／金属接合部
１６６導電性／金属接合部
１７２導電性／金属接合部
１７４導電性／金属接合部
２００顧客用接点パッド
２０１前方容量
２０３後方容量
２０４縦軸

Claims

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アセンブリであって、
カバーと、
基板と、
前記カバーと前記基板の間に配置されて該カバー及び該基板に取り付けられた少なくとも１つの壁部と、
前記カバーに配置されたＭＥＭＳデバイスと、
前記基板に配置された集積回路と、
を備え、前記集積回路及び前記ＭＥＭＳデバイスは、一方が他方の上に配置され、壁部を貫いて延びる導管によって共に少なくとも部分的に電気的に接続される、
ことを特徴とするＭＥＭＳアセンブリ。
前記ＭＥＭＳデバイスは、前記カバーにおいて導体を介して前記導管に結合する、
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳアセンブリ。
前記集積回路は、前記基板において導体を介して前記導管に結合する、
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳアセンブリ。
前記基板は、プリント回路基板を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳアセンブリ。
前記カバーは、金属又はセラミックを含む材料で構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳアセンブリ。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アセンブリであって、
カバーと、
基板と、
前記カバーと前記基板の間に配置されて該カバー及び該基板に取り付けられた少なくとも１つの壁部と、
前記基板に配置されたＭＥＭＳデバイスと、
前記カバーに配置された集積回路と、
を備え、前記集積回路及び前記ＭＥＭＳデバイスは、一方が他方の上に配置され、壁部を貫いて延びる導管によって共に少なくとも部分的に電気的に接続される、
ことを特徴とするＭＥＭＳアセンブリ。
前記集積回路は、前記カバーにおいて導体を介して前記導管に結合する、
ことを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳアセンブリ。
前記ＭＥＭＳデバイスは、前記基板において導体を介して前記導管に結合する、
ことを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳアセンブリ。
前記基板は、プリント回路基板を含む、
ことを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳアセンブリ。
前記カバーは、金属又はセラミックを含む材料で構成される、
ことを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳアセンブリ。