JP4738481B2 - 付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン - Google Patents

付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン Download PDF

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Description

本発明は、コンデンサマイクロホンに関し、より詳細には、音響特性を向上させるために付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンに関する。
一般に、移動通信端末機やオーディオなどに広く使用されるコンデンサマイクロホンは、電圧バイアス要素、音圧(Sound Pressure)に対応して変化するキャパシタ(C)を形成するダイアフラム/バックプレート対、及び出力信号をバッファリングするための接合形電界効果トランジスタ(JFET)からなる。このような伝統的な方式のコンデンサマイクロホンは、一つのケース内に、振動板、スペーサリング、絶縁リング、バックプレート、通電リングを順に挿入した後、最後に回路部品が実装されたPCB(Printed Circuit Board)を入れて、ケースの端部をPCB側に曲げて、一つの組立体として完成される。
近年、微細装置の集積化のために使用される技術として、マイクロマシニングを用いる半導体加工技術がある。このような技術は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)と呼ばれる。前記MEMS技術によれば、半導体工程、特に、集積回路技術を応用したマイクロマシニング技術を利用して、μm単位の超小型センサーやアクチュエータ及び電気機械的構造物を製作することができる。かかるマイクロマシニング技術を利用して製作されたMEMSチップマイクロホンは、従来の振動板、スペーサリング、絶縁リング、バックプレート、通電リングのような伝統的なマイクロホン部品を超精密微細加工により小型化、高性能化、多機能化、集積化することで、安定性及び信頼性が向上することができるという長所を有する。
図1は、シリコンコンデンサマイクロホンに使用される一般的なMEMSチップ構造を示す図である。図1に示すように、MEMSチップ10は、シリコンウェハ14の上にMEMS技術を利用してバックプレート13を形成した後、スペーサ12を介して振動膜11が形成された構造を有する。バックプレート13には音孔13aが形成されている。前記MEMSチップ10は、通常のマイクロマシニング技術と半導体チップ製造技術で製造される。
図2は、MEMSチップを用いて具現された従来のシリコンコンデンサマイクロホンを示す側断面図である。図2に示すように、従来のシリコンコンデンサマイクロホン1は、PCB基板40にMEMSチップ10と特殊目的型半導体(ASIC:Application Specific Integrated Circuit)チップ20を実装した後、音孔30aが形成されたケース30に内蔵し、組み立てて完成する。
しかし、このようなシリコンコンデンサマイクロホン1のバックチェンバ15は、図2に図示されたように、MEMSチップ10により形成されるが、MEMSチップ10は、半導体チップであってサイズが非常に小さいので、バックチェンバ15の空間が極めて狭く、それによってマイクロホンの音質が低下する問題点がある。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、音響特性を向上させるために付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンを提供することにある。
上記目的を達成すべく、本発明に係るマイクロホンは、前方音を流入するための前方音響ホールが形成されたケースと;音響を位相遅延するための音響遅延体と;チェンバ筒と、前記チェンバ筒により形成された付加的なバックチェンバを有するMEMSチップと、前記MEMSチップの駆動のための特殊目的型半導体(ASIC)チップが実装されており、前記ケースとの接合のための導電パターンが形成されており、後方音を流入するための後方音響ホールが形成された基板と;前記ケースを前記基板に固定するための固定手段と;前記固定手段により固定された前記ケースと前記基板の全体接合面に塗布されて、前記ケースと前記基板を接合する接着剤とを含むことを特徴とする。
本発明によれば、MEMSチップの下部に付加的なバックチェンバを形成するためのチェンバ筒を備えて、MEMSチップ自体の不足するバックチェンバ空間を拡張して、感度を向上させ、THD(Total Harmonic Distortion)などのノイズを改善する効果が得られる。
また、本発明に係る指向性シリコンコンデンサマイクロホンは、メインPCBに多様な方式で実装されることができるので、実装空間をコンパクトにすることができる。さらに、ケースをPCBにレーザで溶接して固定した後、接着剤で接合することで、接合の際ケースが固定されて不良が発生せず、接合力が強くて機械的堅固性が向上し、外部雑音にも強い。特に工程費用を節減して全体的な製造原価が大幅下がる効果が得られる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。通常、指向性コンデンサマイクロホンには、音響遅延体が付加されるが、本発明の実施の形態では、音響遅延体が、前方音を流入するケースの前方音響ホールに設けられる場合と、後方音を流入するPCBの後方音響ホールに設けられる場合に区分して説明する。
図3は、本発明に係る付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンの第1実施の形態を示す側断面図であって、音響遅延体170が前方音を流入するケースの前方音響ホール130aに設けられた場合を示す。
図3に示すように、本発明の第1実施の形態に係る付加的なバックチェンバ152を有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン100は、接続端子142、144と導電パターン141が形成されたPCB基板140の上に付加的なバックチェンバ152を形成するためのチェンバ筒150と、MEMSチップ110の電気的信号を駆動するための特殊目的型半導体(ASIC)チップ120とを配置実装した後、チェンバ筒150の上にMEMSチップ110を付着し、前方音を流入するための前方音響ホール130aが形成されたケース130をPCB基板140に付着した構造からなっている。ここで、前方音響ホール130aの内側ケースには、音響遅延体170が付着されており、導電パターン141と接地接続端子144は、スルーホール146を介して連結されている。
チェンバ筒150は、MEMSチップ110自体の不足するバックチェンバ空間を拡張して感度を向上させ、THD(Total Harmonic Distortion)などのノイズを改善するためのものである。チェンバ筒150の上面には、MEMSチップ110により形成されたバックチェンバ15と付加的なバックチェンバ152を連結するための貫通孔150aが形成されている。MEMSチップは、図1に図示されたように、シリコンウェハ14の上にMEMS技術を利用してバックプレート13を形成した後、スペーサ12を介して振動膜11が形成された構造からなっている。このとき、チェンバ筒150の形状は、四角筒形状、円筒形状などが可能で、材質としては金属やモールド樹脂などが可能である。また、図面には図示されていないが、チェンバ筒150には、MEMSチップ110の電気的信号をASICチップ120に伝達するための電気的配線が形成されている。
PCB基板140には、付加的なバックチェンバを形成するために上面に貫通孔150aが形成されたチェンバ筒150と、チェンバ筒150の貫通孔150aの上に付着されることによりバックチェンバが拡張されたMEMSチップ110と、ASICチップ120とが実装されており、ケース130と接触する部分に導電パターン141が形成されている。そして、チェンバ筒150が実装された位置のPCB基板140に外部の後方音を流入するための後方音響ホール140aが形成されている。ここで、PCB基板140の後方音響ホール140aの周囲には、メインPCBに実装する時、音波の歪曲を防止するために、音響ホール140aをソルダリング(soldering)によりシーリング(hole sealing)するためのシーリングパッド148が必要によって付加されることができる。参照番号148aは、シーリングパッド148により形成された音響ホールを示す。
ケース130は、一面が開放された円筒形状または四角筒形状の金属材質の筒であって、底面には外部の前方音を流入するための前方音響ホール130aが形成されており、その端部がPCB基板140の導電パターン141と接触している。ケース130をPCB基板140に付着する方法によれば、PCB基板140に形成された導電パターン141の上に金属からなるケース130を整列し、レーザ溶接或いはスポット溶接などで少なくとも2箇所以上点溶接した後、エポキシなどのような接着剤164でケース130とPCB基板140の接合部位をシーリングする。参照符号162は、溶接点を示す。
以下、上記の第1実施の形態の指向性シリコンコンデンサマイクロホン100を製造する過程を説明する。まず、PCB基板140の後方音響ホール140aが付加的なバックチェンバ152内部に位置するようにチェンバ筒150を付着すると共に、PCB基板140上にASICチップ120を実装する。その後、チェンバ筒150の貫通孔150aがMEMSチップ110のバックチェンバ15内部に位置するように、MEMSチップ110をチェンバ筒150に付着する。
次に、円筒形状や四角筒形状のケース130の前方音響ホール130aに音響遅延体170を付着し、前記ケース130をPCB基板140の導電パターン141にレーザで溶接して固定した後、接着剤164で円筒形状や四角筒形状のケース130をPCB基板140に接合する。ここで、接着剤164としては、伝導性エポキシ、非伝導性エポキシ、シルバーペイスト、シリコン、ウレタン、アクリル、クリームソルダなどが可能である。
図3を参照すると、PCB基板140には、チェンバ筒150により形成された付加的なバックチェンバ152を有するMEMSチップ110とASICチップ120が実装されており、円筒形状や四角筒形状のケース130と接触する部分に円形や四角形の導電パターン141が形成されている。
PCB基板140のサイズは、円筒形状や四角筒形状のケース130のサイズより大きいので、外部デバイスとの接続のための接続パッドや接続端子を、広いPCB基板面上に自由に配置することができる。導電パターン141は、一般的なPCB製作工程により銅箔を形成し、ニッケル(Ni)や金(Au)をメッキして形成される。この時、PCB基板140の代わりに、セラミック基板、フレキシブルPCB、メタルPCBなどの様々な基板を使用することができる。円筒形状や四角筒形状のケース130は、PCB基板140との接続面が開口されて、その内部にチップ部品を実装できるようになっており、前方音を流入するための前方音響ホール130aが形成されている。ケース130の材質としては、黄銅や銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル合金などを使用するが可能で、金や銀メッキして使用することもできる。
前記ケース130をPCB基板140の導電パターン141に整列し、レーザ加工機(図示せず)を用いて接続部位の一部分の溶接点162をレーザ溶接して、ケース130とPCB基板140を一次固定した後、接着剤164を溶接部位の全体面に塗布して、マイクロホンパッケージを完成する。ここで、「溶接」とは、ケース130とPCB基板140が接合する全体面を溶接するのではなく、ケース130とPCB基板140を固定するために1箇所以上の多数箇所(好ましくは、2箇所〜4箇所)を点溶接することを意味する。このように溶接によりケース130とPCB基板140の間に形成された接合点を溶接点162とする。前記溶接点162によりケース130がPCB基板140に固定されることで、PCB基板140にケース130を接着剤164で接着する時や硬化過程でケース130が動かなくなって、正しい位置で接合が行われることができる。また、導電パターン141は、スルーホール146を介して接続端子144と連結されており、ここにケース130が接着されると、外部雑音の流入を遮断して、雑音の除去が容易な利点がある。
PCB基板140の底面には、外部デバイスとの連結のための接続端子142、144が少なくとも二つ以上八つまで形成されることができる。各接続端子142、144は、スルーホール146を介してチップ部品面と通電されることができる。特に、本発明の実施の形態において、接続端子142、144をPCB基板140の周辺部まで長く形成する場合、露出面を介して電気こてなどを接近させてリワーク作業を容易にすることができる。
本発明の実施の形態では、ケース130をPCB基板140に固定する方法として、レーザによる溶接の例を説明したが、ソルダリング、パンチングなどの他の方式によりケース130をPCB基板140に固定することもできる。そして、接着剤164としては、伝導性や非伝導性エポキシ類、シルバーペイスト、シリコン、ウレタン、アクリル、クリームソルダなどを使用することができる。
図4は、本発明に係る付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンの第2実施の形態を示す側断面図である。前述したように、第1実施の形態と第2実施の形態とでは、音響遅延体170が付着される位置が異なる。すなわち、第1実施の形態では、音響遅延体170が前方音を流入するためのケース130の前方音響ホール130aに付着されるが、第2実施の形態では、音響遅延体170が後方音を流入するためのPCB基板140の後方音響ホール140aに付着される。
よって、第1実施の形態の指向性シリコンコンデンサマイクロホン100では、外部の音源から前方音響がケースの前方音響ホール130aを経て音響遅延体170で位相遅延されてから、MEMSチップ110に伝達される。一方、第2実施の形態の指向性シリコンコンデンサマイクロホン100’では、外部音源の後方音響がPCB基板140の後方音響ホール140aを通して流入し、音響遅延体170で位相遅延されてから、MEMSチップ110に伝達される。
このように第2実施の形態の場合は、音響遅延体170の位置を除く他の構成は、第1実施の形態と同一なので、繰り返しを避けるためにこれ以上の説明は省略する。
図5は、本発明に係る四角筒形状の付加的なバックチェンバの構造を示す図であり、図6は、本発明に係る円筒形状の付加的なバックチェンバの構造を示す図である。
本発明に係る付加的なバックチェンバ152を形成するためのチェンバ筒150は、図5及び図6に示すように、四角筒150’や円筒150”の形状に形成されることができる。四角筒150’や円筒150”の上側には、MEMSチップ110の付着により形成されるバックチェンバ15との通路を形成するための貫通孔150aが形成されている。
このようなチェンバ筒150により付加的なバックチェンバ152を有するMEMSチップ110とASICチップ120が実装されたPCB基板140の上に、様々な形状のケース130を付着して、様々な形状のシリコンコンデンサマイクロホンを製造することができる。例えば、本発明の実施の形態におけるケースの形状は、円筒形状、四角筒形状、端部に羽部付きの円筒形状、端部に羽部付きの四角筒形状などが可能である。
このように、メインPCB基板310に指向性シリコンコンデンサマイクロホン100が実装された全体構造は、図7に示すように、PCB基板140の中央部分で突出した金属ケース130がメインPCB310の挿入ホール310aに挿入されると共に、メインPCB310の接続パッド320とマイクロホンの接続端子142、144がソルダリングにより接続されている形状となっている。
したがって、本発明の実装方式によれば、マイクロホンの基板の上に突出されたケース130部分がメインPCB310に形成された挿入ホール310aに挿入されるので、実装後の全体高さが、従来のマイクロホンにおける部品面の反対面に接続端子が形成されてメインPCBの上に実装されるときの全体高さより低くなって、製品の部品実装空間を効率的に使用することができる。
本発明は、MEMSチップの下部に付加的なバックチェンバを形成するためのチェンバ筒を備えて、MEMSチップ自体の不足するバックチェンバ空間を拡張して、感度を向上させ、THD(Total Harmonic Distortion)などのノイズを改善する効果を有する。
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
シリコンコンデンサマイクロホンに使用される一般的なMEMSチップ構造の例を示す図である。 MEMSチップを用いる従来のシリコンコンデンサマイクロホンを示す側断面図である。 本発明に係る付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンの第1実施の形態を示す側断面図である。 本発明に係る付加的なバックチェンバを有するシリコンコンデンサマイクロホンの第2実施の形態を示す側断面図である。 本発明に係る四角筒形状の付加的なバックチェンバの構造を示す図である。 本発明に係る円筒形状の付加的なバックチェンバの構造を示す図である。 本発明の第1実施の形態に係る指向性シリコンコンデンサマイクロホンをメインPCBに実装する例を示す側断面図である。
符号の説明
15 バックチェンバ
100 シリコンコンデンサマイクロホン
110 MEMSチップ
120 ASICチップ
130 ケース
130a 前方音響ホール
140 PCB基板
140a 後方音響ホール
141 導電パターン
142、144 接続端子
146 スルーホール
148 シーリングパッド
148a シーリングパッドにより形成された音響ホール
150 チェンバ筒
150a 貫通孔
152 バックチェンバ
162 溶接点
164 接着剤
170 音響遅延体

Claims (8)

  1. 前方音を流入するための前方音響ホールが形成されたケースと、
    音響を位相遅延するための音響遅延体と、
    チェンバ筒と、前記チェンバ筒により形成された付加的なバックチェンバを有するMEMSチップと、前記MEMSチップの駆動のための特殊目的型半導体(ASIC)チップが実装されており、前記ケースとの接合のための導電パターンが形成されており、後方音を流入するための後方音響ホールが形成された基板と、
    前記ケースを前記基板に固定するための固定手段と、
    前記固定手段により固定された前記ケースと前記基板の全体接合面に塗布されて、前記ケースと前記基板を接合する接着剤と、を含むことを特徴とする付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン。
  2. 前記後方音響ホールは、
    前記付加的なバックチェンバの位置の基板上に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン。
  3. 前記基板の音響ホールの周辺には、マイクロホンをメインPCBに実装する場合、音波の歪曲を防止するためのシーリングパッドが形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン。
  4. 前記固定手段は、
    レーザやソルダの溶接により形成された溶接点であり、
    前記接着剤は、
    伝導性エポキシ、非伝導性エポキシ、シルバーペースト、シリコン、ウレタン、アクリル、クリームソルダのうち何れか一つであることを特徴とする請求項1に記載の付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン。
  5. 前記ケースは、円筒形状四角筒形状、端部に羽部付きの円筒形状、及び、端部に羽部付きの四角筒形状からなるグループから選択された1つの形態からなることを特徴とする請求項1に記載の付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン。
  6. 前記チェンバ筒は、
    円筒形状や四角筒形状からなり、前記MEMSチップのバックチェンバとの連結のために形成された貫通孔を含むことを特徴とする請求項1に記載の付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン。
  7. 前記基板は、PCB、セラミック基板、フレキシブルPCB、メタルPCBのうち何れか一つであることを特徴とする請求項1に記載の付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン。
  8. 前記音響遅延体は、
    前記ケースの前方音響ホールやPCBの後方音響ホールのうち何れか一つの周囲に付着されることを特徴とする請求項1に記載の付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン。
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