KR101092795B1 - 조립이 간편한 콘덴서 마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘덴서 마이크로폰을 개시한다. 본 발명의 콘덴서 마이크로 폰은 소정의 회로패턴과 외부연결단자를 구비하는 PCB; 증폭회로를 구비하는 IC칩과, 상기 IC칩에 전기적으로 연결된 단자와, 상기 IC칩에 전기적으로 연결된 백플레이트를 일체로 패키징한 것으로서 상기 단자와 상기 백플레이트의 일부는 각각 외부로 노출되어 있는 패키지유닛; 상기 백플레이트와 이격되어 대향하도록 상기 패키지유닛의 상부에 배치되는 진동막; 음압이 인가되는 음공을 구비하며, 상기 패키지유닛과 상기 진동막을 커버한 채 일 단부가 상기 PCB에 결합되는 케이스를 포함한다.
본 발명에 따른 마이크로폰은 종래의 ECM에 비해 감도가 일정하고 설정된 감도가 변하지 않는 장점을 가지며, MEMS마이크로폰에 비해 잡음이 적고 우수한 음질을 구현할 수 있다. 또한 ECM이나 MEMS마이크로폰에 비해 제조공정이 간단하므로 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

조립이 간편한 콘덴서 마이크로폰{Condenser microphone which can be conveniently assembled}

본 발명은 콘덴서 마이크로폰에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 진동막과 대향하는 백플레이트와, 증폭회로를 구비하는 IC칩을 일체로 패키징함으로써 조립이 매우 간편하고 종래의 ECM 및 MEMS마이크로폰의 문제점을 획기적으로 개선한 콘덴서 마이크로폰에 관한 것이다.

마이크로폰(또는 마이크)은 음향신호를 전기적 신호로 변환하는 장치로서 재질이나 작동원리에 따라 매우 다양한 종류가 있다. 대체적으로 재질에 따라서는 카본 마이크로폰, 크리스탈 마이크로폰, 마그네틱 마이크로폰 등으로 구분되고, 작동원리에 따라서는 자기장에 의한 유도기전력을 이용하는 다이내믹 마이크로폰과, 진동막이 콘덴서의 전극역할을 하고 진동막의 진동에 따른 전압변화를 이용하는 콘덴서 마이크로폰으로 구분될 수 있다.

이중에서 컴퓨터, 이동통신단말기, MP3녹음기, 카세트 녹음기, 캠코더, 헤드셋, 보청기 등과 같은 휴대용 또는 소형 전자기기에 광범위하게 사용되는 것이 콘덴서 마이크로폰이다. 특히 최근에는 강한 전기장에 의해 반영구적으로 분극된 일렉트릿(electret)층이 형성된 전극을 이용함으로써 DC바이어스전원을 사용하지 않는 ECM(Electret Condenser Microphone)이 많이 사용되고 있다.

ECM(10)은 일반적으로 도 1의 단면도에 도시된 바와 같이, 일측이 개구되고 타측에 음공(12)이 형성된 금소재질의 케이스(11)의 내부에 진동막유닛(13), 스페이서(14), 절연링(15), 백플레이트(16), 도전링(17)이 순차적으로 삽입되고, 케이스(11)의 개구된 일측에 회로부품이 실장된 PCB(18)가 결합된 구조를 가진다.

진동막유닛(13)은 음압에 따라 진동하는 진동막(13a)과 상기 진동막(13b)의 가장자리에 결합되어 조립시에 케이스(11)의 내측에 밀착되는 도전링(13b)으로 이루어진다. 스페이서(14)는 진동막(13a)과 백플레이트(16)를 이격시키기 위해 설치되며 절연물질로 제조된다.

백플레이트(16)는 진동막(13a)과 평행하게 설치되는 금속재질의 플레이트이다. ECM(10)에서는 DC바이어스를 위하여 일렉트릿층이 형성된 백플레이트(16) 또는 진동막(13b)이 이용된다.

진동막유닛(13)은 케이스(11)를 통해 PCB(18)상의 회로패턴과 전기적으로 연결되고, 백플레이트(16)는 금속재질의 도전링(17)에 의해 지지되면서 PCB(18)상의 회로패턴과 전기적으로 연결된다. 백플레이트(16)와 도전링(17)은 그 외주를 둘러싸는 절연링(15)에 의해 케이스(11)와 절연된다.

PCB(18)에는 진동막(13a)과 백플레이트(16)의 양단에 걸리는 전압신호를 증폭하는 FET 등의 증폭회로(19)와 주변회로가 실장된다.

그런데 이러한 ECM(10)은 다음과 같은 여러 문제점을 가지고 있다.

첫째, 백플레이트(16) 또는 진동막(13a)에 형성된 일렉트릿층에 균일한 분포로 전하를 충전하는 것이 어렵기 때문에 제품별로 감도의 편차가 큰 문제점이 있다. 또한 습기가 많은 환경에서는 일렉트릿층에 충진된 전하가 유출되어 감도가 일정하게 유지되지 못하는 문제가 있다.

둘째, 일렛트릿층이 열에 매우 취약하기 때문에 완성품을 전자기기의 기판에 표면실장할 때 고온의 리플로우(reflow) 공정을 적용하지 못하고 납땜으로 장착해야 하므로 생산성을 높이는데 한계가 있다. 또한 불량검사를 위해 조사되는 레이저 또는 적외선 때문에 일렉트릿층의 전하가 영향을 받아 제품불량률이 매우 높은 문제점이 있다.

셋째, 진동막, 스페이서, 절연링, 백플레이트, 도전링 등의 많은 부품을 조립해야 하므로 조립공수가 지나치게 많아서 생산성이 낮은 단점이 있다.

한편 최근에는 전자기기의 소형화가 가속화되면서 반도체 제조기술을 응용하여 전통적인 마이크로폰 부품들을 초정밀 미세 가공한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰이 개발되고 있다.

MEMS마이크로폰(20)은 도 2의 단면도에 도시된 바와 같이, 저면에 외부연결단자(22)가 형성된 PCB(21), PCB(21)의 상면에 표면실장된 MEMS칩(30)과 증폭회로(25), MEMS칩(30)의 일 전극과 증폭회로(25)를 연결하는 본딩와이어(26), MEMS칩(30)과 증폭회로(25)를 보호하기 위해 PCB(21)에 결합되고 음공(24)을 가지는 금속재질의 케이스(23)를 포함한다.

MEMS칩(30)은 관통공(32)이 형성된 실리콘기판(31), 실리콘기판(31)의 상부에 형성된 진동막(33), 에어갭(36)을 사이에 두고 진동막(34)의 상부에 형성되고 다수의 음공(35)을 가지는 고정막(34)을 포함한다.

MEMS칩(30)은 반도체 제조기술로 제조되는데, 예를 들어 (a) 실리콘기판(31)의 상부에 진동막층을 형성하는 단계, (b) 진동막층의 상부에 희생막층을 형성하는 단계, (c) 희생막층의 상부에 고정막층을 형성하는 단계, (d) 습식식각(wet etching)을 통해 실리콘기판(31)에 관통공(32)을 형성하는 단계, (e) 습식식각으로 희생막층을 제거하여 진동막층과 고정막층의 사이에 에어갭(36)을 형성하는 단계 등의 프로세서를 거쳐서 제조된다. 여기서 진동막층이나 고정막층은 서로 커패시터의 전극쌍을 이루기 때문에 도전막을 포함하고, 도전막을 보호 또는 절연하는 보호막을 포함한다.

이러한 구조를 가지는 MEMS마이크포폰(20)은 열에 취약한 일렉트렛 소재를 사용하지 않기 때문에 고온 리플로우 공정으로 휴대폰 등의 기판에 표면실장하는 것이 가능하다.

그러나 MEMS마이크로폰(20)은 이러한 장점에도 불구하고 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

즉, 초정밀 반도체 제조기술이 이용되고 강한 증폭을 위해 증폭회로(25)에 고가의 CMOS를 사용하므로 ECM(10)에 비해 가격이 2배 이상 비싸다.

또한 실리콘 재질의 진동막(33)이 충격에 취약하므로 진동막(33)의 직경을 크게 하기가 어려우며, 이로 인해 상대적으로 큰 직경의 진동막을 가지는 ECM(10)에 비해 음질이 크게 뒤떨어진다. 또한 CMOS를 사용하기 때문에 잡음이 크다.

이러한 문제점으로 인해 MEMS마이크로폰(20)은 아직까지 ECM(10)을 대체할 만한 제품으로 부상하지 못하고 있으며, 실제로도 전세계 마이크 시장에서 차지하는 비율이 5~6% 정도에 불과한 실정이다.

본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 종래의 ECM 및 MEMS마이크로폰이 가지는 문제점을 해결한 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

구체적으로는 고온 리플로우 공정으로 소형 전자기기의 기판에 표면실장함으로써 생산성을 높이고, 종래의 ECM에 비해 제품불량을 최소화할 수 있는 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

또한 종래의 MEMS마이크로폰이나 ECM에 비해 제조공정을 단순화함으로써 생산비용을 최소화할 수 있는 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

또한 종래의 MEMS마이크로폰에 비해 음질이 뛰어나고 내구성이 뛰어난 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 소정의 회로패턴과 외부연결단자를 구비하는 PCB; 증폭회로를 구비하는 IC칩과, 상기 IC칩에 전기적으로 연결된 단자와, 상기 IC칩에 전기적으로 연결된 백플레이트를 일체로 패키징한 것으로서 상기 단자와 상기 백플레이트의 일부는 각각 외부로 노출되어 있는 패키지유닛; 상기 백플레이트와 이격되어 대향하도록 상기 패키지유닛의 상부에 배치되는 진동막; 음압이 인가되는 음공을 구비하며, 상기 패키지유닛과 상기 진동막을 커버한 채 일 단부가 상기 PCB에 결합되는 케이스를 포함하는 콘덴서 마이크로폰을 제공한다.

본 발명에 따른 콘덴서 마이크로폰에서 상기 케이스는 도전성 재질로서 상기 진동막과 상기 PCB에 형성된 회로패턴을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한 상기 패키지유닛은 상기 백플레이트의 주변부를 따라 상기 백플레이트보다 돌출된 돌출부를 구비하며, 상기 진동막은 그 주변부가 상기 돌출부와 상기 케이스의 사이에 고정된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 패키지유닛은 QFN(Quad Flat No lead)타입으로서 상기 백플레이트가 노출된 면과 반대쪽 면으로 상기 단자가 노출되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로폰은, 종래의 ECM에 비해 감도가 일정하고 설정된 감도가 변하지 않는 장점을 가지며, MEMS마이크로폰에 비해 잡음이 적고 우수한 음질을 구현할 수 있다.

또한 ECM이나 MEMS마이크로폰에 비해 제조공정이 간단하므로 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 ECM의 일반적인 구성을 나타낸 단면도
도 2은 MEMS마이크로폰의 일반적인 구성을 나타낸 단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 분해 단면도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 단면도
도 5는 패키지유닛의 평면도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 개략적인 회로블록도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 단면도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 분해단면도 및 조립단면도이고, 도 5는 패키지유닛의 평면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰(100)은 증폭회로를 구비하는 IC칩(111)과 백플레이트(112)가 일체로 패키징된 패키지유닛(110), 상기 백플레이트(112)와 대향하도록 패키지유닛(110)의 상부에 장착되는 진동막유닛(120), 상기 패키지유닛(110)이 표면실장되는 PCB(130), 상기 패키지유닛(110)과 진동막유닛(120)의 외부를 커버하면서 하단이 상기 PCB(130)에 고정되는 케이스(140)를 포함한다.

진동막유닛(120)은 진동막(120a)과 진동막(120a)의 가장자리에 결합된 도전링(120b)으로 이루어진다.

진동막(120a)은 백플레이트(112)와 함께 콘덴서 역할을 하므로 알루미늄, 티타늄, 금 등의 금속재질을 사용하거나, PET, PPS 재질의 필름에 금, 니켈, 알루미늄, 티타늄 등의 금속물질이 증착된 것을 사용할 수 있다.

도전링(120b)은 진동막(120a)보다 큰 두께를 가지며 조립시에 그 상면이 케이스(140)의 내측에 밀착된다. 또한 도전링(120b)은 후술하는 바와 같이 패키지유닛(110)의 주변부에 형성된 돌출부(117)에 놓여진다.

진동막(120a)과 도전링(120b)은 일체로 제작할 수도 있고, 분리 제작한 후 결합할 수도 있다. 또한 경우에 따라서는 도전링(120b)을 결합하지 않고 진동막(120a)만을 사용할 수도 있다.

패키지유닛(110)은 IC칩(111)과 백플레이트(112), IC칩(111)과 단자(115)가 각각 본딩와이어(114)로 연결된 상태에서 봉지제(113)에 의해 패키징된 것이다.

IC칩(111)은 음압에 따른 백플레이트(112)와 진동막(120a) 사이의 전압변화를 검출하고 이를 증폭하는 증폭회로를 구비한다. 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 백플레이트(112)에 연결되어 전하를 공급하는 전하펌프(CP), DC블록킹을 위한 필터, 신호증폭을 위한 버퍼앰프(BA)와 OP앰프(OP) 등을 포함한다.

이러한 IC칩(111)을 이용하면 종래 MEMS마이크로폰에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 콘덴서 마이크로폰을 생산할 수 있는 장점이 있다.

백플레이트(112)는 도전성 재질이며 가장자리와 저면은 봉지제(113)에 의해 고정된 채 상면부는 외부로 노출된다.

또한 패키지유닛(110)의 상면 주변부에는 돌출부(117)가 형성되며, 돌출부(117)가 백플레이트(112)의 상면보다 돌출되므로 돌출부(117)에 진동막(120a)의 주변부를 올려 놓으면 진동막(120a)과 백플레이트(112)가 서로 평행하게 이격되어 콘덴서 쌍을 이루게 된다. 진동막(120a)에 도전링(120b)이 결합된 경우에는 도전링(120b)이 돌출부(117)에 올려지도록 제작하면 될 것이다.

돌출부(117)는 그 상면에 적어도 하나의 절개홈(118)을 구비하며, 상기 절개홈(118)은 진동막(120a)과 백플레이트(112) 사이의 공간을 외부와 연통시켜 음압이 인가되었을 때 내부압력을 적절히 해소시키는 역할을 한다. 도 5에는 4개의 절개홈(118)이 도시되었으나 그 개수가 이에 한정되지 않음은 물론이다.

한편 패키지유닛(110)의 저면부에는 IC칩(111)과 PCB(130)에 형성된 회로패턴을 전기적으로 연결하기 위한 단자(115)가 형성된다. 단자(115)는 그 저면부가 외부로 노출되며, 그 상면부는 본딩와이어(114)에 의해 IC칩(111)과 전기적으로 연결된다.

케이스(140)는 패키지유닛(110)의 돌출부(117)에 놓여진 진동막유닛(110)의 도전링(120b)을 눌러서 고정시키는 역할을 하며, 하단부가 PCB(130)에 고정된다. 케이스(140)는 진동막(120)의 상부에 해당하는 위치에 음압이 가해지는 음공(142)을 구비한다.

케이스(140)는 도전성 재질로 이루어지며, 그 하단부가 PCB(130)의 미도시된 회로패턴과 전기적으로 연결된다. 케이스(140)의 상부 내측면은 진동막유닛(120)의 진동막(120a)에 밀착되거나 도전링(120b)이 있는 경우에는 도전링(120b)에 밀착되므로 진동막(120a)은 케이스(140)에 의해 PCB(130)의 회로패턴(통상 접지선)과 전기적으로 연결된다.

PCB유닛(130)은 그 저면부에 외부연결단자(132)를 구비하며, 본 발명의 콘덴서 마이크로폰(100)을 휴대폰, MP3 등의 전자기기의 기판에 실장할 때 외부연결단자(132)는 해당 기판의 회로패턴과 전기적으로 연결된다.

이와 같이 본 발명의 콘덴서 마이크로폰(100)은 백플레이트(112)와 IC칩(111)이 일체로 패키징된 패키지유닛(110)을 사용하므로 종래의 ECM에 비해 조립성이 우수하고 일렉트릿층을 사용하지 않으므로 리플로우 공정이 가능하며 감도편차가 적은 장점이 있다. 또한 반도체 정밀가공기술이 적용되는 MEMS마이크로폰에 비해 제작비용을 절감할 수 있고 훨씬 우수한 음질을 얻을 수 있다.

이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 동작을 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰(100)이 전자기기의 기판에 장착된 상태에서, 외부 음원으로부터 음압이 가해지면 진동막유닛(120)의 진동막(120a)이 진동함에 따라 패키지유닛(110)의 백플레이트(112)와 진동막(120a) 사이에 형성된 커패시턴스(C) 값이 변하게 된다. 이와 같이 커패시턴스값이 변화하면 백플레이트(112)에 일정전하를 공급하는 전하펌프(CP)의 전압출력이 달라지며, 이러한 전압출력신호는 버퍼앰프(BA)와 OP앰프(OP)를 거치면서 증폭되어 단자(115)와 PCB(130)의 외부연결단자(132)를 거쳐 휴대폰 등 전자기기의 기판으로 전달된다.

한편 이상에서는 단자(115)가 저면으로 노출되는 QFN(Quad Flat No leads) 타입의 패키지유닛(110)을 사용하여 콘덴서 마이크로폰(100)을 제작하는 경우를 설명하였다.

그런데 본 발명의 콘덴서 마이크로폰(100)에 사용되는 패키지유닛(110)의 패키징 형태가 반드시 QFN 타입에만 국한되는 것은 아니다. 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 패키지유닛(110)의 측면으로 리드단자(115')가 돌출되는 QFP(Quad Flat Package) 타입이 사용될 수도 있다.

다만, QFN 타입의 패키지유닛(110)을 사용하면 콘덴서 마이크로폰(100)을 보다 컴팩트하게 제작할 수 있는 이점이 있으므로 소형 전자기기용일수록 QFN 타입의 패키지유닛(110)을 사용하는 것이 바람직할 것이다.

또한 QFN 타입의 패키지유닛(110)을 사용하면 PCB(130)에 패키지유닛(110)을 실장하지 않고 케이스(140)만으로 패키지유닛(110)과 진동막유닛(120)을 고정한 형태의 콘덴서 마이크로폰(100)을 제작할 수 있는 이점도 있다. 즉, 케이스(140)의 상단부가 진동막유닛(120)의 도전링(120b)을 누른 상태에서 케이스(140)의 하단부를 컬링(curling)시켜 패키지유닛(110)의 저면 주변부를 감싸거나 패키지유닛(110)의 측면에 고정시킨 형태의 콘덴서 마이크로폰(100)을 제작할 수 있다. 이 경우 패키지유닛(110)의 저면부로 노출된 단자(115)를 전자기기의 기판에 형성된 회로패턴에 직접 연결하면 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다. 그런데 이와 같이 변형 또는 수정된 실시예가 후술하는 특허청구범위에 포함된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다.

100: 콘덴서 마이크로폰 110: 패키지유닛
111: IC칩 112: 백플레이트
113: 봉지제 114: 본딩와이어
115: 단자 117: 돌출부
118: 절개부 120: 진동막유닛
120a: 진동막 120b: 도전링
130: PCB 132: 외부연결단자
140: 케이스 142: 음공

Claims (5)

1. 소정의 회로패턴과 외부연결단자를 구비하는 PCB;
   증폭회로를 구비하는 IC칩과, 상기 IC칩에 전기적으로 연결된 단자와, 상기 IC칩에 전기적으로 연결된 백플레이트를 일체로 패키징한 것으로서 상기 단자와 상기 백플레이트의 일부는 각각 외부로 노출되어 있는 패키지유닛;
   상기 백플레이트와 이격되어 대향하도록 상기 패키지유닛의 상부에 배치되는 진동막;
   음압이 인가되는 음공을 구비하며, 상기 패키지유닛과 상기 진동막을 커버한 채 일 단부가 상기 PCB에 결합되는 케이스;
   를 포함하는 콘덴서 마이크로폰
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이스는 도전성 재질로서 상기 진동막과 상기 PCB에 형성된 회로패턴을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 패키지유닛은 상기 백플레이트의 주변부를 따라 상기 백플레이트보다 돌출된 돌출부를 구비하며, 상기 진동막은 그 주변부가 상기 돌출부와 상기 케이스의 사이에 고정된 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 패키지유닛은 QFN(Quad Flat No lead)타입으로서 상기 백플레이트가 노출된 면과 반대쪽 면으로 상기 단자가 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰
   
5. 증폭회로를 구비하는 IC칩과, 상기 IC칩에 전기적으로 연결된 단자와, 상기 IC칩에 전기적으로 연결된 백플레이트를 일체로 패키징한 것으로서 상기 단자와 상기 백플레이트의 일부는 각각 외부로 노출되어 있는 패키지유닛;
   상기 백플레이트와 이격되도록 상기 패키지유닛의 일측에 배치되는 진동막;
   음압이 인가되는 음공을 구비하며, 상기 패키지유닛과 상기 진동막을 커버한 채 일 단부가 상기 패키지유닛의 저면 주변부에 컬링(curling)되어 고정되거나 상기 패키지유닛의 측면에 고정되는 케이스;
   를 포함하는 콘덴서 마이크로폰

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