JP4670699B2

JP4670699B2 - マイクロホンチップの実装方法、及びその方法で実装したマイクロホンチップ

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Publication number: JP4670699B2
Application number: JP2006086874A
Authority: JP
Inventors: 利彦高畑; 裕志河田; 岳司吉田; 直樹牛山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP2007266802A

Description

本発明は、段差形状を有するマイクロホンチップの実装方法、及びその方法で実装したマイクロホンチップに関する。

従来から、対向電極型のコンデンサ、例えば、平行平板コンデンサの一方の電極を音響によって振動させ、音響圧力の変化をコンデンサの静電容量の電気的変化に変換して音響検出を行うマイクロホンチップが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような静電容量型のマイクロホンチップとその実装方法を、図７を参照して説明する。静電容量型のマイクロホンチップは、シリコン半導体から成る基板２、基板２の一部に凹部２１を形成すると共に基板２を薄膜化して形成した振動板３、基板２上に形成した１つ以上の接続部５、接続部５を用いて振動板３と一定の狭い隙間を設けて相対するように形成され複数の微小な貫通孔（音響孔、アコースティックホール）を有するバックプレート４、及び、コンデンサを形成する振動板３とバックプレート４のそれぞれに接続して電気信号を取り出す接続パッドを構成要素としている。

振動板３とバックプレート４は、それぞれの少なくとも一部は導体であって、平行平板コンデンサを形成する対向電極を構成する。接続部５は、振動板３の振動を妨げないように振動板３とバックプレート４の周辺において両者を一体化する。このようなマイクロホンチップにおいて、基板２の一部を薄膜化して形成する振動板３は、通常、基板２の主面に形成され、振動板３に対向するバックプレート４は、基板２の主面から段差状に突出して形成されることになる。

上述のマイクロホンチップは、例えば、凹部２１側を音響信号の存在空間とし、バックプレート４側を音響消失空間とするように、実装基板９に実装される。ところで、上述のように、基板２に対して段差を有して形成されたバックプレート４側を実装基板９に実装するため、例えば、次のような実装方法が考えられる。実装基板９の主面に前記段差に相当する実装用段差９０を設け、その実装用段差９０の底面にバックプレート４との電気接続用の電極９１を設け、実装基板９の主面に振動板３との電気接続用の電極９２を設ける。そして、バックプレート４に設けたバンプ９３を電極９１に電気接続すると共に、振動板３と導通する基板２に設けたバンプ９４を電極９２に電気接続した後、補強用樹脂９５，９６でそれらの接続部を補強する。

このようにして形成され実装されたマイクロホンチップは、音響を電気信号に変換することの他に、電気信号を音響に変換することもでき、いわゆる、双方向の音響電気トランスデューサとして機能する。そして、静電容量型のマイクロホンチップは、その小型かつ高精度な特性により、携帯機器や補聴器などに用いられる。
特開平６−２１７３９６号公報

しかしながら、上述した図７に示されるようなマイクロホンチップの実装方法においては、段差凹部９０を実装基板９に精度良く形成することが技術上非常に困難であるという問題がある。これは、バックプレート４と基板２との両方において、バンプ９４，９４による同時ボンディングを実施できる寸法精度が段差凹部９０に要求されるからである。従って、このような方法で実装したマイクロホンチップのコストは高くなる。

本発明は、上記課題を解消するものであって、段差形状を有するマイクロホンチップの段差部側を実装側にして実装する際に、実装基板に容易かつ低コストで実装できるマイクロホンチップの実装方法、及びその方法で実装したマイクロホンチップを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、基板の主面に形成され音響によって振動する振動板と、前記振動板に対向すると共に前記主面から段差状に突出して形成されたバックプレートとを有し、前記両者間の容量変化を検出することによって前記音響を検出するマイクロホンチップを実装基板に実装するマイクロホンチップの実装方法において、前記バックプレートの前記主面に対向していない面に当該バックプレートと電気的に導通するバンプを形成する工程と、前記工程により形成したバンプを用いて前記マイクロホンチップを実装基板の電極にフリップチップ実装する工程と、前記工程によりフリップチップ実装したマイクロホンチップの振動板に電気的に導通する前記振動板を形成した基板の少なくとも一部と前記実装基板の電極とを導電性接着剤で導通させる工程と、を備えるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載のマイクロホンチップの実装方法によって実装されたことを特徴とするマイクロホンチップである。

請求項１の発明によれば、段差を形成して突出しているためマイクロホンチップの中で最初に実装基板に接触することになるバックプレートについてのみフリップチップ実装を行い、その後に、振動板を形成した基板と実装基板との電気接続、すなわち、振動板と実装基板との電気接続を導電性接着剤によって行うので、実装基板にマイクロホンチップを実装する部分に実装用段差を設ける必要がなく、平面からなる実装面を有する実装基板を用いることができ、容易かつ低コストで実装できる。

請求項２の発明によれば、実装されたマイクロホンチップが低コストで得られる。

以下、本発明の一実施形態に係るマイクロホンチップの実装方法、及びその方法で実装したマイクロホンチップについて、図面を参照して説明する。図１は本発明のマイクロホンチップの実装方法のフローチャートを示し、図２は同実装方法によりマイクロホンチップ１を実装基板７に実装する様子を示す。

マイクロホンチップ１は、例えば、シリコン半導体から成る基板２の主面１０に形成され音響によって振動する振動板３と、振動板３に対向すると共に主面１０に対して段差状に突出して形成されたバックプレート４とを有し、両者間の容量変化を検出することによって音響を検出する。このようなマイクロホンチップ１は、バンプ形成工程（Ｓ１）と、フリップチップ実装工程（Ｓ２）と、振動板電気接続工程（Ｓ３）と、を備えた、本発明のマイクロホンチップの実装方法によって、平板状の実装面を有する実装基板７に実装される。

以下に、本発明の実装方法によって実装されるマイクロホンチップ１の各構成要素と、マイクロホンチップ１を実装する実装基板７の構成を説明し、その後、上述の実装方法を工程順に説明する。

基板２は、マイクロホンチップ１の形を保持すると共に音響を導く凹部２１を有する。このような基板２は、例えば、シリコンウエハを半導体プロセスによりエッチング加工して形成される。以下において、マイクロホンチップ１は、シリコン半導体プロセスを用いて形成されるものとして説明するが、基板２の材料やマイクロホンチップ１の形成プロセスは、これらに限定されるものではない。

振動板３は、バックプレート４と共に平行板コンデンサを形成する部材であり、振動する部分の全体が導体によって形成され、コンデンサの一方の対向電極となっている。振動板３は、周囲を基板２に保持されると共にその一面を凹部２１に臨ませており、凹部２１に臨ませた部分の振動板３が音響によって振動する。振動板３は、外部から到達する音響の有する微小な音圧変化によって振動するようにその厚さが十分薄く、例えば、数μｍ程度に、形成されている。このような振動板３は、半導体プロセスを用いて形成される。例えば、基板２の主面１０に振動板３となる所定の厚さの薄膜を積層し、基板２の一部をエッチングによって除去することにより凹部２１を形成し、その凹部２１の底に振動板３を露出させる。このような振動板３は、周囲を基板２によって保持され、凹部２１の底に露出した部分が自由に振動する振動部分となる。また、振動板３は、このような薄膜の積層を行うことなく、基板２のエッチングによる一体物として形成することもできる。

上述の振動板３となる薄膜は、基板２に高濃度不純物拡散を行って形成した拡散層や、基板２に形成したポリシリコン膜の堆積層などを用いることができる。振動板３が、ポリシリコン膜のように、非導電性又は高抵抗の薄膜によって形成される場合、不純物のドーピングや金属薄膜の積層が行われて、コンデンサの電極としての導電性が振動板３に付与される。また、振動板３となる薄膜層を有する基板２として、活性層を有するＳＯＩ基板を用いることもできる。振動板３は、振動板３から電気信号を外部に出力するため、基板２の主面１０の外周部に部分的に接続パッドを設けたり、主面１０全体や基板２全体を導体としたりすることにより、これらと振動板３とが導通されている。

バックプレート４は、振動板３の外周側の２ヶ所に設けた絶縁性の接続部５によって、振動板３と所定の間隔を保つように固定されている。バックプレート４は、例えば、その全体が導体によって形成され、コンデンサのもう一方の対向電極となっている。バックプレート４は、振動板３に対する固定電極となっており、振動板３と共に平行板コンデンサを形成して音響による音圧変化を容量の変化として検出可能とする。

また、バックプレート４は、振動板３が音響に応じて遅滞なく自在に振動するように、振動板３とバックプレート４の間の空気抵抗を減らすための空気流通孔、いわゆるアコースティックホールを備えている。また、バックプレート４は、接続部５によって支持される部分が空気流通のために最少の２ヶ所とされ、さらに、バックプレート４の周辺部から空気が自在に流入又は流出するように、また、寄生容量の発生を抑えるように、最小限の外形寸法とされている。バックプレート４は、フリップチップ実装によってバックプレート４からの電気信号を実装基板７側に出力するため、バンプ形成用の接続パッドを備えている。

上述のような構造を有するバックプレート４は、上述したようにシリコン半導体プロセスの成膜技術やエッチング技術によって形成される。例えば、振動板３の形成と同様に、基板２に高濃度不純物拡散を行って形成した拡散層や、基板２に形成したポリシリコン膜の層などを用いてバックプレート４を形成することができる。非導電性又は高抵抗の薄膜に不純物をドーピングしたり、金属薄膜を積層したりしてバックプレート４にコンデンサの電極としての導電性を付与することも行われる。

接続部５は、振動板３とバックプレート４の間にあって、両者を電気絶縁した状態で一定の距離に保つものである。接続部５の材料は、例えば、シリコン半導体プロセスでは、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などを用いることができる。

また、接続部５の形成は、犠牲層エッチングの手法により形成することができる。この犠牲層エッチングでは、一部が接続部５となり、他の部分がエッチング除去される、いわゆる犠牲層と呼ばれる層を、振動板３の上に形成し、さらにその上にバックプレート４の形状を形成した後に、エッチングする。犠牲層のエッチングでは、バックプレート４の下層にある犠牲層を接続部５が残存するようにエッチング除去する。犠牲層エッチングの手法は、接続部５でバックプレート４を支持した構造、すなわち３次元立体構造を形成するための手法である。犠牲層エッチングは、接続部５のエッチングレートを、他の部材、つまり振動板３やバックプレート４のエッチングレートより高くした状態（レジストで保護することも含む）と、等方性のエッチングと、を組合せて行われる。

上述の各構成要素と構造を有するマイクロホンチップ１は、上述のように、シリコン半導体プロセスを用いて、シリコン基板の上に各構成要素の材料層を順番に積層し、各層を周知のパターニング技術やエッチング技術を用いて加工して形成される。また、上述のように、導電性付与のために不純物拡散やドーピングを行うこともある。加工時に成膜する代わりに、予め成膜されたＳＯＩ基板を用いることもできる。

マイクロホンチップ１を実装する実装基板７は、平面から成る実装面に、バックプレート４を電気接続するための電極７１と、振動板３を基板２の主面１０の外周部で電気接続するための電極７２と、を備えている。電極７１は、フリップチップ実装に用いられ、電極７２は、導電性接着剤による振動板３の電気接続及び封止に用いられる。実装基板７は、例えば、通常のプリント配線基板、セラミック基板、いわゆるＭＩＤ基板と呼ばれる樹脂成形立体回路基板などを用いて構成される。

次に、図１、図２に加えて、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）、図４を参照して、本発明のマイクロホンチップの実装方法を説明する。まず、バンプ形成工程Ｓ１では、バックプレート４の主面１０に対向していない面に当該バックプレート４と電気的に導通するバンプ６を形成する。図３（ａ）はバンプ形成工程後のマイクロホンチップ１を示している。バンプ６は、例えば、スタッドバンプ、めっきバンプ、半田バンプなどを用いることができる。また、バンプ６は、電気接続に必要なバンプ数以上に、複数のダミーバンプを設けることができる。ダミーバンプを設けることにより、マイクロホンチップ１と実装基板７との平行度を確保したり、バンプ６の接合部の応力緩和による接合信頼性を確保したりできる。

フリップチップ実装工程Ｓ２では、バンプ形成工程Ｓ１により形成したバンプ６を用いてマイクロホンチップ１を実装基板７の電極７１にフリップチップ実装する。図２はフリップチップ実装直前の様子を示す。また、フリップチップ実装工程では、互いに電気接続されたバンプ６と電極７１との機械的強度を確保するため、図３（ｂ）に示すように、いわゆるアンダーフィル材６１がバンプ６を包むように、バックプレート４と電極７１との間に、充填される。このアンダーフィル材６１は、非導電性樹脂や導電性樹脂のいずれも用いることができる。

振動板電気接続工程Ｓ３では、図３（ｃ）、図４に示すように、フリップチップ実装工程Ｓ２によりフリップチップ実装したマイクロホンチップ１の基板２の少なくとも一部と実装基板７の電極７２とを導電性接着剤８で導通させる。この場合、導電性接着剤８で導通させた基板２の部分は、前提として、振動板３に電気的に導通している。このように、本発明の実装方法によれば、振動板３に導通している基板２と実装基板７との電気接続を、導電性接着剤８によって行うので、実装基板７にマイクロホンチップ１を実装する部分に実装用の段差を設ける必要がなく、平面からなる実装面を有する実装基板７を用いることができ、容易かつ低コストでマイクロホンチップ１を実装できる。

また、主面１０の辺縁部分に沿って一周するように、基板２と実装基板７の電極７２との間に導電性接着剤８を介在させることにより、導電性接着剤８によって、バックプレート４を含む空間を封止している。導電性接着剤８は、例えば、シリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂などのバインダに、銀、金、ニッケル、カーボンなど導電性のフィラーを混入させたものである。

次に、図５を参照して、本発明の他の実施形態に係るマイクロホンチップの実装方法、及びその方法で実装したマイクロホンチップを説明する。この実施形態のマイクロホンチップ１は、上述の実施形態とは、振動板電気接続工程Ｓ３における導電性接着剤８の用い方が異なっており、その他の点は同様である。上述の実施形態では、導電性接着剤８をバックプレート４を含む空間を封止するためにも用いているが、本実施形態では、図５に示すように、導電性接着剤８は、振動板３（と導通している基板２）と実装基板７との電気接続の目的だけに用い、封止は、封止用の非導電性接着剤８１を用いて行っている。

このような封止方法を用いたマイクロホンチップの実装方法、及びその方法で実装したマイクロホンチップ１は、上述の実施形態におけるものよりも低コストのものとなる。一般に、導電性接着剤は導電性のフィラーを混入させて良導体としたものであり、非導電性の単なる接着剤よりも高価である。そこで、本実施形態では、高価な導電性接着剤８の使用量を必要最小限に抑えて、安価な非導電性接着剤を用いて封止を行うことにより、より低コストで実装したマイクロホンチップ１を実現している。

次に、図６を参照して、本発明のさらに他の実施形態に係るマイクロホンチップの実装方法、及びその方法で実装したマイクロホンチップを説明する。本実施形態では、図６に示すように、マイクロホンチップ１の外形、すなわち基板２の外形よりも大きな面積を有する凹部７０を実装面に形成した実装基板７を用いてマイクロホンチップ１を実装している。凹部７０には、電極７１，７２が立体回路形成技術によって形成されている。バックプレート４は、上述の２つの実施形態と同様にバンプ６によってフリップチップ接合され、振動板３、従って基板２は、導電性接着剤８によって、基板２の上部外周稜線部と凹部７０の内壁部における電極７２との電気接続及び封止が行われている。

上述の凹部７０は、その深さに実装上の厳しい寸法精度を要求されることがなく、容易に形成可能である。この点、背景技術として説明した図７において、凹部９０を高い寸法精度で形成する必要があるのと大きく異なっている。従来の実装方法は、主面１０から突出して形成されたバックプレート４の成す段差を、バンプ９４，９４による同時ボンディングによって解消しようとするところに、難しさがある。本実施形態では、上述の２つの実施形態と同様に、バックプレート４の電気接続工程と、振動板３の電気接続工程とを別工程で行うので、実装が容易となっている。

凹部７０の深さは、マイクロホンチップ１が沈み込むように深い深さや、実装基板７と基板２の上面が面一となる深さや、基板２の上面が実装基板７の上面より突出するように浅い深さなどのように、設計上の必要性に応じて任意に選択することができる。このような凹部７０のいずれの状態に対しても、導電性接着剤８、又は導電性接着剤８と非導電性接着剤８１（図５参照）を用いて、振動板電気接続工程（Ｓ３）を実行してマイクロホンチップ１を容易かつ低コストで実装基板７に実装することができる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、バンプ６やダミーバンプの配置や個数、電極７１，７２の配置、形状、及び個数、導電性接着剤８や非導電性接着剤８１などの施工形状、アンダーフィル材６１の施工形状やアンダーフィル材６１の使用の有無などは、必要に応じて増減、変形、変更などを行い、最適化することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロホンチップの実装方法を説明するフローチャート。同上実装方法によりマイクロホンチップを実装基板に実装する様子を示すマイクロホンチップと実装基板の斜視図。（ａ）は同上実装方法におけるバンプ形成工程を説明するためのマイクロホンチップの断面図、（ｂ）は同上実装方法におけるフリップチップ実装工程後のマイクロホンチップと実装基板の断面図、（ｃ）は同上実装方法により実装基板に実装されたマイクロホンチップと実装基板の断面図。同上実装方法により実装されたマイクロホンチップの実装状態を示す透視及び部分破断斜視図。本発明の他の実施形態に係るマイクロホンチップの実装方法、及びその方法で実装したマイクロホンチップを説明する断面図。本発明のさらに他の実施形態に係るマイクロホンチップの実装方法、及びその方法で実装したマイクロホンチップを説明する断面図。従来のマイクロホンチップの実装方法を説明する実装状態のマイクロホンチップの断面図。

符号の説明

１マイクロホンチップ
２基板
３振動板
４バックプレート
６バンプ
７実装基板
８導電性接着剤
１０主面
７１，７２電極

Claims

基板の主面に形成され音響によって振動する振動板と、前記振動板に対向すると共に前記主面から段差状に突出して形成されたバックプレートとを有し、前記両者間の容量変化を検出することによって前記音響を検出するマイクロホンチップを実装基板に実装するマイクロホンチップの実装方法において、
前記バックプレートの前記主面に対向していない面に当該バックプレートと電気的に導通するバンプを形成する工程と、
前記工程により形成したバンプを用いて前記マイクロホンチップを実装基板の電極にフリップチップ実装する工程と、
前記工程によりフリップチップ実装したマイクロホンチップの振動板に電気的に導通する前記振動板を形成した基板の少なくとも一部と前記実装基板の電極とを導電性接着剤で導通させる工程と、を備えることを特徴とするマイクロホンチップの実装方法。
請求項１に記載のマイクロホンチップの実装方法によって実装されたことを特徴とするマイクロホンチップ。