JP5374716B2 - マイクロフォンとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロフォンとその製造方法に関するものである。

例えば携帯電話などの携帯機器においては、さらなる小型化、軽量化が求められてきており、そのような要望に応え、その内部に実装されるマイクロフォンも小型化、軽量化を目指した構成となっている。

具体的には、音孔を有する基板上に、音から電気信号への変換体を実装し、基板の基板電極と、変換体の振動体電極とを、ボンディングワイヤーにより接続し、マイクロフォンを基板モジュール化することにより、小型化、軽量化を図ろうとしている。なお、対象製品がマイクロフォンとは異なるが、類似する先行文献としては、パッケージの小型化に関する特許文献１がある。
特開平９−９２６７０号公報

上記従来例における課題は、装置の小型化が不十分になるということであった。すなわち従来例では、上述のごとく、基板上に変換体を実装後、基板の基板電極と、変換体の振動体電極とを、ボンディングワイヤーにより接続しているが、ボンディングワイヤーによる接続時には、必ずこのボンディングワイヤーを引くための大きな空間が必要となり、この結果としてパッケージの小型化が十分に図れなかった。マイクロフォンについても従来技術を適用した場合、十分に小型化を図ることができなかった。

本発明は、小型化が図られたマイクロフォンを提供することを目的とするものである。

この目的を達成するために本発明のマイクロフォンは、音孔が形成され、上面上に基板電極を有する基板と、音圧を電気信号に変換し、前記基板の上面上に設けられた変換体と、シールドキャップと、バンプとを備え、前記変換体は、背面空間が形成された本体と、前記本体の背面空間の底部に設けられ、前記音圧を受ける振動膜と、前記本体の下面のうち前記基板電極に対向する領域に設けられた変換体電極とを有しており、前記シールドキャップは、前記本体の上面及び側面に接し、前記背面空間の上部を覆っており、前記バンプは、前記基板電極と前記変換体電極とを接続する。

この構成により、振動膜の前面の空間を音孔の径を変えずに従来よりも薄くすることができるので、集音能力を低下させずにマイクロフォンのサイズを小さくすることができる。そのため、本発明のマイクロフォンを用いれば、小型化、軽量化された携帯機器を実現することができる。

また、前記変換体の本体はシリコンにより構成されていれば、半導体プロセスによりマイクロフォンを容易に製造することが可能となる。

前記振動膜はシリコンにより構成されており、前記本体と前記振動膜とは一体的に形成されていてもよい。

前記背面空間は前記本体を貫通しており、且つ前記振動膜から上方に向かって広がっていてもよい。

マイクロフォンは、前記基板の上面の一部と、前記シールドキャップの外表面の少なくとも一部とを覆う樹脂体をさらに備えていてもよい。シールドキャップを覆う樹脂体が設けられていることにより、マイクロフォンの衝撃に対する強度が向上しているので、本発明のマイクロフォンを用いることで、携帯機器の耐衝撃性を向上させることができる。

前記樹脂体は、前記シールドキャップの側面を覆っていてもよい。

前記変換体で生成された信号を増幅する増幅素子をさらに備えていてもよい。

前記基板は、自身の下面に設けられた実装端子を有していてもよい。

また、背面空間の体積は振動膜の下面から音孔までの空間の体積よりも大きければ、集音能力を確保しつつ広い周波数帯域で振動膜が振動しやすくなるので好ましい。

本発明のマイクロフォンの製造方法は、背面空間が形成された本体と、前記背面空間の底部に設けられた振動膜と、前記本体の下面に設けられた変換体電極とを有する変換体を準備する工程（ａ）と、音孔が形成され、上面の前記変換体電極に対応する位置に形成された基板電極を有する基板上に前記変換体を載せ、前記変換体電極と前記基板電極とを接続させる工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後、前記本体の上面及び側面に接し、前記背面空間の上部を覆うシールドキャップを前記基板上に設置する工程（ｃ）とを備えている。

この方法により、サイズの小さいマイクロフォンを製造することができる。

前記工程（ｂ）では、前記変換体電極と前記基板電極とを超音波熱圧着により接続させてもよい。

前記工程（ｃ）の後、前記基板の上面の一部と、前記シールドキャップの外表面の少なくとも一部とを樹脂で封止する工程（ｄ）をさらに備えていることにより、耐衝撃性を向上させたマイクロフォンを製造することができる。

前記工程（ａ）は、シリコン板の中央部を選択的にウェットエッチングすることで、逆角錐状の前記背面空間を形成する工程（ａ１）を含んでいてもよい。

前記工程（ａ１）では、前記背面空間が前記本体を貫通する前にウェットエッチングを停止することで、前記振動膜を前記本体と一体的に形成してもよい。

以上のごとく本発明のマイクロフォンによれば、振動膜の前面の空間を音孔の径を変えずに従来よりも薄くすることができるので、集音能力を低下させずにマイクロフォンのサイズを小さくすることができる。そのため、本発明のマイクロフォンを用いれば、小型化、軽量化された携帯機器を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態を、添付図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るマイクロフォンの上面側を示す平面図であり、図２は、本実施形態に係るマイクロフォンの下面側を示す平面図であり、図３は、本実施形態に係るマイクロフォンの図２におけるIII-III線での断面図である。

本実施形態のマイクロフォンは、図１〜図３に示すように、円形の音孔１を有する長方形状の基板２と、基板２上に配置された変換体３と、基板２や変換体３と共に樹脂体１４により封止される増幅素子４とを備えている。

変換体３は、本体５と、振動膜７と、変換体電極８とを有する。本体５は、例えばシリコン製であり、基板２の上方から見て正方形状となっている。振動膜７は本体に接続されている。変換体電極８は本体５の下面に設けられている。また、本体５には、振動膜７が設けられた位置から上方に向けて逆角錐状に広がる背面空間が形成されている。

図示しないが、振動膜７には圧電体が貼り付けてあり、この圧電体は、音孔１から進入した音により振動膜７が振動することで、音（音圧）を電気信号に変換するようになっており、変換された電気信号は、増幅素子４で増幅された後、基板２の実装端子９から携帯電話等の電子機器の制御回路に出力されるようになっている。なお、圧電体は振動膜７の上面もしくは下面のどちらに設けても良い。さらに、圧電体に代えてエレクトレットを用いてもよい。また、振動膜７を一方の電極とし、音圧を電気信号に変換するためのキャパシタが設けられていてもよい。

また、基板２の上面の変換体電極８に対向する位置には、基板電極１０が形成されており、この基板電極１０と変換体電極８とはバンプ１１を介して互いに電気的に接続されている。なお、基板電極１０と実装端子９、基板電極１０と増幅素子４とは、それぞれ基板２内のパターン１２により、適宜接続されている。これにより、音孔１から進入した音が振動膜７により電気信号に変換されると、その電気信号が増幅素子４で増幅され、その後、基板２の実装端子９から携帯電話等の電子機器の制御回路に出力されるようになっているのである。

本実施形態のマイクロフォンには、変換体３に形成された背面空間６の上部を覆うように、変換体３（本体５）の上面及び側面に密着するシールドキャップ１３が設けられている。すなわち、変換体３の本体５の上面および側面は、図３に示すように、金属製のシールドキャップ１３により覆われており、これにより本体５の上面側からの外部ノイズ成分の侵入が抑制されている。さらに、このように変換体３の本体上面側を、シールドキャップ１３により覆うことにより、背面空間６の大きさを固定化し、これにより音響特性を安定化させている。また、シールドキャップ１３が本体５に直接接触することで、本体５の電位をシールドキャップ１３を介して安定化することができ、外乱ノイズに強いマイクロフォンを実現できる。また、従来のマイクロフォンを搭載した基板にシールドキャップを被せる構成に対して、シールドキャップ１３を本体５に直接接触するように設置することで、背面空間を小さくすることができ、モジュール全体の小型化を図ることができる。なお、本実施形態の説明で「本体５の側面」とは、本体５の外側の側面を意味し、特記しない場合、背面空間６に面した面を意味しないものとする。

そして、シールドキャップ１３を形成した後に、基板２の上面および本体５の上面及び側面を増幅素子４とともに、樹脂体１４で封止し、これにより基板２と変換体３との一体化と、変換体３と増幅素子４の保護を図っている。

さて、このように基板２と変換体３が一体化された状態では、変換体３の本体５に形成された背面空間６は、この背面空間６に接する振動膜７の下面から、基板２の下面の音孔１までで形成された前面空間１５よりも体積が大きくなっている。

これは、背面空間６が大きいほど、振動膜７が振動しやすく、また振動する周波数帯域も広くなるからである。これをヘルムホルツ共鳴器の概念で説明すると、体積Ｖａの背面空間６に振動膜７の前面空間１５が開口しており、前面空間１５から音が入ると、ピストン効果で空間内部の空気が圧縮・膨張し、結果、振動膜７が振動する。

図７で示すとＶａ（背面空間６の体積）＞Ｖｂ（振動膜７の前面空間１５の体積）のようになる。前面空間１５は音の進入が主目的であるので、平面的な広さはとるが、上下方向の寸法は出来るだけ小さくし、それにより空間体積を小さくし、また背面空間６は、振動膜７が広い周波数帯域で振動しやすくなるようにできるだけ、その空間体積を大きくすることが好ましい。なお、従来のマイクロフォンではＶａ（背面空間の体積）＜Ｖｂ（振動膜の前面空間１５の体積）の関係であった。

本実施形態のマイクロフォンでは、上述のように、音孔１を有する基板２と本体５および振動膜７を有する変換体３とがバンプ１１を介して接続されているので、ワイヤを用いる場合に比べて音孔１の大きさを狭めることなく振動膜７の前面空間１５の体積を小さくすることができる。このため、集音機能を低下させることなくマイクロフォンのサイズを小さくすることが可能となる。

さらに、シールドキャップ１３の側面及び上面が樹脂体１４により覆われているため、変換体３の側方からの衝撃だけでなく変換体３の上方から加わる衝撃に対しても破損しにくくなっている。このように、本実施形態のマイクロフォンは、特に小型化、薄型化しながらも優れた耐衝撃性を有しているので、落下等を起こしやすい携帯電話等の携帯用通信機器に特に好ましく用いられる。

なお、樹脂体１４はシールドキャップ１３の側面全体を覆っていてもよいが、シールドキャップ１３の上面及び側面の一部を覆っていても樹脂体１４を設けない場合に比べてマイクロフォンの耐衝撃性を向上させることはできる。

図４、図５および図６は、本実施形態のマイクロフォンの製造方法を示す断面図である。図４に示すように、まずシリコン製の本体５を上方からウェットエッチングすることにより、中央部に本体５を貫通する音孔１を形成する。続いて、音孔１の底部に振動膜７を接着する。次に、図５に示すように、基板２の上面上に変換体３の本体５を載せた状態で、この基板２上面の基板電極１０と、本体５の変換体電極８とを超音波熱圧着により接続する。次に、図６に示すように、基板電極１０と変換体電極８とを接続した後、シールドキャップ１３で本体５を覆い、樹脂体１４で封止する。この工程では、増幅素子も樹脂体で封止する。なお、シールドキャップ１３は変換体３（本体５）の上面及び側面と密着させ、背面空間６の上部を覆うように設けられる。このように、本実施形態の方法によれば、半導体プロセスを用いてマイクロフォンを製造することができる。

なお、本実施形態では、振動膜７を変換体３と別体で形成する例を示したが、振動膜７と変換体３とをシリコンで一体的に形成してもよい。すなわち、上述の方法では、変換体３の背面空間６はシリコン製の本体５を上方からウェットエッチングで貫通させることにより形成しているが、このエッチングを途中で止めることにより、本体５に振動膜７が連設された変換体３を形成することができる。

なお、本実施形態のマイクロフォンの構成材料や部材の位置などは適宜変更してもよい。例えば、本体５の平面形状は、正方形以外に長方形などの多角形であってもよく、円形などであってもよい。

なお、基板電極１０と変換体電極８を超音波熱圧着以外の方法で接続してもよい。

−マイクロフォンの変形例−
図８は、本発明の実施形態に係るマイクロフォンの変形例を示す断面図である。

同図に示すように、図３に示すマイクロフォンにおいて、樹脂体１４はシールドキャップ１３の上面を覆わずに側面のみを覆っている。この場合でも、変換体３の側方から加わる衝撃に対する強度が樹脂体１４により向上しているので、携帯電話等の通信機器に好ましく用いることができる。また、本変形例に係るマイクロフォンは、シールドキャップ１３の上面上に樹脂体１４が設けられていない分、図３に示すマイクロフォンに比べてより薄型化することができる。

なお、樹脂体１４はシールドキャップ１３の側面全体を覆っていてもよいが、シールドキャップ１３の側面の一部を覆っていてもマイクロフォンの耐衝撃性を向上させることはできる。

また、樹脂体１４はシールドキャップ１３の側面上に設けられずに上面上にのみ設けられてもよい。樹脂体１４がシールドキャップ１３の外表面（側面及び上面）の少なくとも一部を覆っていれば、衝撃に対する強度を向上させることはできる。

以上で説明した本発明のマイクロフォンは、携帯電話など音の発信および受信を行う携帯機器の小型化、軽量化に有用である。

本発明の実施形態に係るマイクロフォンの上面側を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るマイクロフォンの下面側を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るマイクロフォンの図２におけるIII-III線での断面図である。 本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るマイクロフォンの断面図である。 本発明の実施形態に係るマイクロフォンの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１ 音孔
２ 基板
３ 変換体
４ 増幅素子
５ 本体
６ 背面空間
７ 振動膜
８ 変換体電極
９ 実装端子
１０ 基板電極
１１ バンプ
１２ パターン
１３ シールドキャップ
１４ 樹脂体
１５ 前面空間

Claims (14)

1. 音孔が形成され、上面上に基板電極を有する基板と、
   音圧を電気信号に変換し、前記基板の上面上に設けられた変換体と、
   シールドキャップと、
   バンプとを備え、
   前記変換体は、背面空間が形成された本体と、前記本体の背面空間の底部に設けられ、前記音圧を受ける振動膜と、前記本体の下面のうち前記基板電極に対向する領域に設けられた変換体電極とを有しており、
   前記シールドキャップは、前記本体の上面及び側面に接し、前記背面空間の大きさを前記本体と前記シールドキャップとにより固定化するように前記背面空間の上部を覆っており、
   前記バンプは、前記基板電極と前記変換体電極とを接続するマイクロフォン。
2. 前記変換体の本体はシリコンにより構成されている請求項１に記載のマイクロフォン。
3. 前記振動膜はシリコンにより構成されており、前記本体と前記振動膜とは一体的に形成されている請求項２に記載のマイクロフォン。
4. 前記背面空間は前記本体を貫通しており、且つ前記振動膜から上方に向かって広がっている請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のマイクロフォン。
5. 前記基板の上面の一部と、前記シールドキャップの外表面の少なくとも一部とを覆う樹脂体をさらに備えている請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のマイクロフォン。
6. 前記樹脂体は、前記シールドキャップの側面を覆うことを特徴とする請求項５に記載のマイクロフォン。
7. 前記変換体で生成された信号を増幅する増幅素子をさらに備えている請求項１〜６のうちいずれか１つに記載のマイクロフォン。
8. 前記基板は、自身の下面に設けられた実装端子を有している請求項１〜７のうちいずれか１つに記載のマイクロフォン。
9. 前記背面空間の体積は、前記振動膜の下面から前記音孔までの空間の体積よりも大きい請求項１〜８のうちいずれか１つに記載のマイクロフォン。
10. 背面空間が形成された本体と、前記背面空間の底部に設けられた振動膜と、前記本体の下面に設けられた変換体電極とを有する変換体を準備する工程（ａ）と、
    音孔が形成され、上面の前記変換体電極に対応する位置に形成された基板電極を有する基板上に前記変換体を載せ、前記変換体電極と前記基板電極とを接続させる工程（ｂ）と、
    前記工程（ｂ）の後、前記本体の上面及び側面に接し、前記背面空間の大きさを前記本体と前記シールドキャップとにより固定化するように前記背面空間の上部を覆うシールドキャップを前記基板上に設置する工程（ｃ）とを備えているマイクロフォンの製造方法。
11. 前記工程（ｂ）では、前記変換体電極と前記基板電極とを超音波熱圧着により接続させる請求項１０に記載のマイクロフォンの製造方法。
12. 前記工程（ｃ）の後、前記基板の上面の一部と、前記シールドキャップの外表面の少なくとも一部とを樹脂で封止する工程（ｄ）をさらに備えている請求項１０または１１に記載のマイクロフォンの製造方法。
13. 前記工程（ａ）は、シリコン板の中央部を選択的にウェットエッチングすることで、逆角錐状の前記背面空間を形成する工程（ａ１）を含む請求項１０〜１２のうちいずれか１つに記載のマイクロフォンの製造方法。
14. 前記工程（ａ１）では、前記背面空間が前記本体を貫通する前にウェットエッチングを停止することで、前記振動膜を前記本体と一体的に形成する請求項１３に記載のマイクロフォンの製造方法。

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