KR20150040307A - 마이크로폰 어셈블리 - Google Patents

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KR20150040307A
KR20150040307A KR1020157004756A KR20157004756A KR20150040307A KR 20150040307 A KR20150040307 A KR 20150040307A KR 1020157004756 A KR1020157004756 A KR 1020157004756A KR 20157004756 A KR20157004756 A KR 20157004756A KR 20150040307 A KR20150040307 A KR 20150040307A
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토니 케이. 림
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산드라 에프. 보스
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노우레스 일렉트로닉스, 엘엘시
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Abstract

MEMS(microelectromechanical system) 어셈블리는, 커버, 기판, 커버 및 기판에 부착되고 커버와 기판 사이에 배치된 적어도 하나의 벽, 커버에 배치된 MEMS 장치 및 기판에 배치된 집적 회로를 포함한다. 집적 회로 및 MEMS 장치는 겹치도록 배치되고 벽들을 통해 연장되는 전선관들(conduits)에 의해 적어도 부분적으로 서로 전기적으로 연결된다. 선택적으로, MEMS 장치는 기판 상에 배치될 수 있고 집적 회로는 베이스 상에 배치될 수 있다.

Description

마이크로폰 어셈블리{Microphone Assembly}
본 출원은 2012년 8월 1일에 출원된 "마이크로폰 어셈블리"라는 제목의 미국 임시 특허 출원 일련 번호 제61/678,186호에 대한 미국 특허법 제119조 (e)에 따른 우선권의 이익을 주장하고, 상기 출원은 전체로서 본원에 참조 병합된다.
본 발명은 음향 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 이들 장치들에 사용되는 구성요소들에 관한 것이다.
수년에 걸쳐 다양한 종류의 음향 장치들이 사용되어 왔다. 음향 장치의 일 예는 마이크로폰이고 다른 예는 리시버(receiver)이다. 일반적으로, 마이크로폰은 소리를 얻어 상기 소리를 전기 신호로 변환하는 반면에, 리시버는 전기 신호를 취하고 상기 전기 신호를 소리로 변환한다.
전형적으로 마이크로폰은 MEMS(microelectromechanical) 장치를 포함하고 일부 경우에는 집적 회로를 포함한다. 상기 MEMS 장치는 음향 에너지(소리)를 수신하고 이를 전기 신호로 변환한다. 상기 MEMS 장치는 그 자체로 진동부(diaphragm)와 배면판(back plate)을 포함한다. 음향 에너지는 상기 어셈블리의 하우징 내 포트(port)를 통해 인입된다. 이 음향 에너지는, 교대로, MEMS 장치 내의 진동부를 이동시키도록 작용하고, 상기 진동부와 배면판 사이의 전위를 변동시켜 전류가 생성된다.
마이크로폰들은 다양한 응용분야들에서 사용된다. 예를 들어, 마이크로폰들은 청취 도구들(예를 들어, 청취 보조기구들), 핸드폰, 및 개인용 컴퓨터들에서 사용되며 몇 개의 예들이 언급된다. 마이크로폰들이 탑재된 장치들은 시간이 지남에 따라 소형화되고 있다. 예를 들어, 핸드폰의 크기 및 무게가 감소하고 있다. 전반적인 장치의 크기가 심지어 더욱 줄어들도록 하기 위해서는, 마이크로폰의 크기도 줄어들 필요가 있다. 비록 마이크로폰들의 크기를 줄이기 위하여 여러가지 시도가 이전에 있었으나, 이들 여러 가지 시도들은, 대체로, 마이크로폰의 성능에 영향을 미치지 않고 얼만큼의 감소를 달성할 수 있는지에 관한 한계에 직면하게 되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 이러한 한계를 극복할 수 있는 음향 장치 및 이들 장치들에 사용되는 구성요소들을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예들에 따르면, MEMS 어셈블리는, 커버, 기판, 상기 커버 및 상기 기판에 부착되고 그들 사이에 배치된 적어도 하나의 벽, 상기 커버(또는 상기 기판)에 배치된 MEMS 장치, 및 상기 기판(또는 상기 커버)에 배치된 집적 회로를 포함할 수 있다.
본 개시서의 더욱 완전한 이해를 위해, 여기에 첨부된 도면 및 이하의 상세한 설명을 참조하기로 한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 플립-칩 구성을 사용하여 실장된 MEMS 장치를 갖는 상부 포트 마이크로폰 어셈블리의 사시도를 포함한다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 선 A-A를 따른 도 1의 마이크로폰 어셈블리의 측단면도를 포함한다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 1 및 도 2의 마이크로폰 어셈블리의 덮개의 측단면도를 포함한다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 1 및 도 2의 마이크로폰 어셈블리에서 MEMS가 부착되지 않은 채로 위를 올려다본 덮개의 모습을 포함한다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 1 및 도 2의 마이크로폰 어셈블리에서, MEMS가 부착된 채로 위를 올려다본 덮개의 모습을 포함한다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 1 및 도 2의 마이크로폰 어셈블리를 아래로 내려다본 베이스의 모습을 포함한다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 플립-칩 구성을 사용하여 실장된 MEMS 장치를 갖는 하부 포트 마이크로폰 어셈블리의 단면도를 포함한다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 표면 실장 와이어 본딩 구성을 사용하여 실장된 MEMS 장치를 갖는 상부 포트 마이크로폰 어셈블리의 사시도를 포함한다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 선 A-A를 따른 도 8의 마이크로폰 어셈블리의 측단면도를 포함한다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 8 및 도 9의 마이크로폰 어셈블리의 덮개의 측단면도를 포함한다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 8 및 도 9의 마이크로폰 어셈블리에서 MEMS가 부착되지 않은 채로 위를 올려다본 덮개의 모습을 포함한다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 8 및 도 9의 마이크로폰 어셈블리에서, MEMS가 부착된 채로 위를 올려다본 덮개의 모습을 포함한다.
도 13은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 8 및 도 9의 마이크로폰 어셈블리를 아래로 내려다본 베이스의 모습을 포함한다.
도 14는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 와이어 본드 구성을 사용하여 실장된 MEMS 장치를 갖는 하부 포트 마이크로폰 어셈블리의 단면도를 포함한다.
통상의 기술자들은 도면에 도시된 요소들이 단순성과 명확성을 위해 도시된 것임을 이해할 것이다. 또한 특정한 작용들 및/또는 단계들이 특정 순서의 사건들로 설명되거나 묘사되었지만, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 순서에 관한 그러한 특수성이 실제로 요구되는 것이 아님을 이해할 것이다. 또한, 여기에 사용된 용어들 및 표현들은 일반적인 의미를 갖고, 구체적인 의미가 여기에 설명된 것과 다른 경우를 제외하고는, 그들의 상응하는 개별 영역들에 대한 조사 및 연구에 대한 그러한 용어들 및 표현들을 따름이 이해될 것이다.
여기에 설명된 접근방식들에서, (예를 들어, 상부 및 하부 포트 구조(port architectures)가, (일 면에 대해) 약 1 mm 내지 3 mm 사이 또는 (전체) 12 mm 내지 32 mm 사이의 전체 어셈블리 치수들인) 소형 폼펙터(small form factor)를 갖는 마이크로폰 어셈블리가 제공된다. 다른 측면에서, 상기 어셈블리는, 구성이 정사각형(square)인 (또는 대략적으로 또는 실질적으로 정사각형인) 레이아웃으로 제공된다. 다른 구성들도 가능하다. 상기 소형 폼펙터는 마이크로폰 어셈블리가 핸드폰, 청취 도구, 및 컴퓨터들과 같은 소형 장치들(예를 들어, 감소된 크기가 바람직한 장치들)에서 사용되는 것을 가능케 한다.
이들 실시예들 중 많은 부분들에서, 마이크로폰 어셈블리는 벽 부분에 체결된 덮개(lid)를 포함한다. 상기 벽은 베이스 부분에 배치된다. 상기 벽 부분은 그 내부에 형성된 캐비티를 포함하고 정의한다. 포트는 상기 베이스 부분 또는 상기 덮개 중 하나 내로 배치된다. MEMS 장치 및 집적 회로는 캐비티 내로 배치된다. MEMS 장치 또는 집적 회로 중 하나가 덮개와 체결된다. MEMS 장치 및 집적 회로 중 다른 하나는 베이스 부분에 체결된다. MEMS 장치 및 집적 회로는 수직 방향의 작은 거리만큼 이격된다. 다시 말해, MEMS 장치 또는 집적 회로는 (예를 들어, 일 예에서 모두가 공통 수직 축을 따라 중심을 갖도록) 겹치게 배치된다. 상기 벽 부분을 통해 일부 형성된 비아들은 MEMS 장치와 집적 회로 사이의 전기적 연결들을 제공한다.
일부 측면들에서, 상기 어셈블리는, 매우 양호한 평탄 주파수 특성(flat frequency response)을 제공하는, 무시할만한 전방 체적(negligible front volume)을 갖는다. 또한, 여기에 설명된 어셈블리들은, 현재 구축된 제조 및 프로세스 역량들 중 전부는 아니더라도 많은 부분을 재사용할 수 있다.
이들 실시예들 중 다른 것들에서, MEMS 어셈블리는, 커버, 기판, 상기 커버 및 상기 기판에 부착되고 그들 사이에 배치된 적어도 하나의 벽, 상기 커버에 배치된 MEMS 장치, 및 상기 기판에 배치된 집적 회로를 포함한다. 상기 집적 회로 및 상기 MEMS 장치는 겹치게 배치되고 상기 벽들을 통해 연장되는 전선관들(conduits)에 의해 적어도 부분적으로 서로 전기적으로 연결된다. 선택적으로, MEMS 장치는 기판 상에 배치될 수 있고, 집적 회로는 베이스 상에 배치될 수 있다.
이제 도 1 내지 도 7을 참조하면, 상부 포트를 포함하고 플립 칩 구성을 사용하는 마이크로폰 어셈블리(100)의 일 예가 설명된다. 어셈블리(100)는 덮개(102), 벽 부분(104), MEMS 장치(106), 집적 회로(108), 및 베이스(110)를 포함한다. 사용자 컨택 패드들(200)은 베이스(110) 상에 배치된다. 상부 포트(112)는 덮개(102) 내 오프닝을 형성한다. 미립 필터(particulate filter, 114)는 포트(112) 내로 배치된다. 미립 필터(114)의 일 기능은 미립자들이 어셈블리(100)로 인입하는 것을 방치하는 것이다. 여기에서 사용된 "플립 칩 구성"은, MEMS 장치의 본드 패드들이 솔더 벙핑 또는 골드-투-골드 계면 본딩(gold-to-gold interface bonding, GGI)과 같은 도전성 상호접속 물질로 기판 물질에 바로 본딩되는 것을 의미한다.
덮개 (102)는 세라믹 덮개일 수 있다. 플립 칩 연결을 허용하는 덮개 구축 물질들의 다른 예들도 사용될 수 있다. 베이스(110)는 FR-4 물질(또는 세라믹 물질들과 같은 다른 물질들)로 구축된 인쇄 회로 기판일 수 있다.
벽 부분(104)은 일 예로 세라믹으로 구축될 수 있고 제1 도금 비아(140) 및 제2 도금 비아(141)를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 제1 및 제2 도금 비아들(140, 141)은 도전성 물질(예를 들어, 구리)로 도금되거나 코팅된 장방형(elongated) 오프닝 또는 채널들일 수 있고, 그에 따라 상기 비아들로 하여금 전기 신호들을 도통하도록 한다. 덮개(102) 상의 제1 트레이스(또는 도전체)(142)는 MEMS 장치(106)를 도금 비아(140)로 전기적으로 체결한다. 덮개(102) 상의 제2 트레이스(또는 도전체)(143)는 MEMS 장치(106)를 제2 도금 비아(141)로 전기적으로 체결한다. 베이스(110) 상의 제1 트레이스(또는 도전체)(144)는 비아(140)를 (와이어(146)를 통해) 집적 회로(108)로 체결한다. 베이스(110) 상의 제2 트레이스(또는 도전체)(145)는 비아(141)를 (와이어(147)를 통해) 집적 회로(108)로 체결한다. 와이어들(149, 150, 151)은 베이스(110) 상에서 및/또는 베이스(110)를 통해, 집적 회로(108)를 다른 트레이스들 또는 도전성 경로들(미도시)로 체결한다. 상기 베이스 상의 이들 다른 트레이스들은 사용자 컨택 패드들(200)로 연결된다.
MEMS 장치(106)는 소리 에너지를 수신하고 상기 소리 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 이러한 관점에서, MEMS 장치(106)는 진동부(107) 및 배면판(109)을 포함할 수 있다. 소리 에너지는 진동부(107)의 이동을 야기하고 이는 진동부(107)와 배면판(109) 사이의 전위를 변화시킨다. 배면판들을 활용하지 않는 다른 종류의 MEMS 접근법들도 사용될 수 있다. 생산된 전류 또는 전압은 MEMS 장치(106)에 의해 수신된 소리 에너지를 나타낸다. MEMS 장치(106)는 도전성 물질 연결부들 또는 임의의 다른 적절한 고정 부재 또는 접근법에 의해 덮개(102)에 부탁된다. 조립된 어셈블리에 의해 전방 체적(201) 및 후방 체적(back volume, 204)이 형성된다.
집적 회로(108)는, 임의의 종류의 처리 기능을 수행하는 임의의 종류의 집적 회로이다. 일 예에서, 집적 회로(108)는 버퍼, 주문형 반도체(ASIC), 또는 증폭기이다. 집적 회로의 다른 예들 및 종류들이 가능하다.
에지 필(edge fill, 160)은 MEMS 장치(106)에 배치된다. 에지 필(160)의 일 목적은 MEMS 장치(106)와 덮개(102) 사이의 음향 밀봉(acoustic seal)을 제공하는 것이다(상기 밀봉을 만들어 후방 체적을 전방 체적으로부터 분리하도록 한다). 밀봉 고리(199)는 음향적으로 어셈블리(100)의 내부를 외부 환경으로부터 밀봉한다.
플립 칩 범프들(162)은 MEMS 장치를 덮개(102)에 체결시킨다. 플립 칩 범프들(162)은 전기 도전성 물질로 구축된다. 도전성/금속 조인트들(164, 166, 172, 174)은, 덮개(102)(또는 베이스(110)) 상의 도전체 및 상응하는 비아(140, 141) 사이에서 전기적 연결을 제공한다. 비-도전성 조인트들(168, 170, 176, 178)은 조립 목적으로 제공되어, (덮개(102)/벽(104) 또는 베이스(110)/벽(104) 사이에서) 4개의 코너들 모두에 부착을 가능케 한다.
도 1 내지 도 7의 시스템의 동작의 일 예에서, 소리 에너지는 MEMS 장치(106)에 의해 수신되고 상기 장치(106)는 소리 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 그 관점에서, 상기 소리 에너지는 진동부(107)의 이동을 야기하고 이는 진동부(107)와 배면판(109) 사이의 전위를 변화시킨다. 생산된 전류 또는 전압은 MEMS 장치(106)에 의해 수신된 소리 에너지를 나타낸다.
신호는 도전체(142)로부터 비아(140)로, 트레이스(145)로, 그리고 집적 회로(108)로 전송된다. 집적 회로(108)는 상기 신호를 추가 처리할 수 있고, 이는 (와이어들(149, 150, 151)을 통해) 베이스 내 및/또는 베이스를 통한 추가 도전체들(미도시)로 전송될 수 있으며, 이후 그곳으로부터 베이스(200) 상의 패드들로 전송되고, 사용자는 패드들 및 이들 패드들(200) 상에 나타난 신호들에 접근할 수 있다.
일반적으로 말해 MEMS 장치(106) 및 집적 회로(108)는 통상 하나가 나머지 상에 배치되거나, 서로의 상부에 적층되거나 배치됨이 이해될 것이다. 여기에 설명된 예들에서, MEMS 장치(106) 및 집적 회로(108)는 동일한 수직 축(204)을 따라 중심을 갖는다. 그러나, 상기 2개의 장치들은 서로에 대해 옵셋을 갖도록 배치(예를 들어, 다른 수직 축들을 따라 배치)될 수도 있음이 이해될 것이다. 그렇게 함으로써, 장치의 전체 폼펙터 또는 "공간(footprint)"이 감소될 수 있고, 예를 들어, 직각(rectangular) 모양의 형상/폼펙터가 달성된다. 그렇게 함으로써 장치의 전반적인 크기가 감소되어 어셈블리(100)가 내재된 장치의 추가적인 소형화가 가능해진다.
결과적으로, 소형 폼펙터를 갖는(예를 들어, 상부 및 하부 포트 구조에서 (일 면에 대해) 약 1 mm 내지 3 mm 사이 또는 (전체) 12 mm 내지 32 mm 사이의 전체 어셈블리 치수들인) 마이크로폰 어셈블리가 제공된다. 치수들 및 레이아웃들의 다른 예들도 가능하다. 평탄 주파수 특성을 위한 전방 체적(201)이 작은 크기로 구현되었다는 점도 이해될 것이다. 추가로, 상부 포트의 예로서 (상기 전방 체적에 비해 큰) 후방 체적(203)은 개선된 SNR(signal-to-noise)성능을 위해 존재한다.
이제 도 7을 참조하면, 마이크로폰(100)의 다른 예가 설명된다. 이 예에서, 음향 포트는 베이스에 있다. 이러한 관점에서, MEMS 장치(106)는 어셈블리의 하부 상에 (베이스(110)에서) 있고, 집적 회로(108)는 어셈블리의 상부에 (덮개(102) 상에) 있어, 하부 포트 구성이 된다. 비아들(203)은 전기 신호를 도전성 비아(140)로부터 패드들(200)로 연결한다. 다른 구성요소들은 도 1 내지 도 7에서 이전 사용된 것들과 동일하고, 여기에서 이들에 대한 설명 및 동작은 반복되지 않을 것이다. 도 1 내지 도 6의 예는 (사용자 솔더 패드들과 대향하는 포트를 갖는) 상부 포트 마이크로폰이고, 도 7은 (사용자 솔드 패드들과 동일한 측면에 포트를 갖는) 하부 포트 장치를 도시함이 이해될 것이다. 상기 2개의 예들은, (항상 장치의 하부 측면 상에 위치되는) 사용자 솔더 패드들이 회전되지 않았다는 점을 제외하고 180도 회전된, 본질적으로 동일한 어셈블리이다.
이제 도 8 내지 도 13을 참조하면, 와이어 본드 구성을 갖는 상부 포트를 갖는 마이크로폰 어셈블리(800)의 일 예가 설명된다. 이 예는 도 1 내지 도 7의 예와 유사하며, 유사한 부재번호의 구성요소들은 유사한 방식으로 넘버링(예를 들어, 102로 지칭된 구성요소는 802로 지칭)되었다. 도 1 내지 도 7의 예시적인 어셈블리(100)와 도 8 내지 도 13의 예시적인 어셈블리(800) 사이의 차이점은, 솔더 범프들(162)이 제거되었다는(즉, MEMS 장치(106)는 플립 칩 구성으로 실장되지 않았다는) 점이다. 대신에 MEMS 장치는 어떤 고정 접근법을 통해 덮개에 고정되고, 트레이스(142)(및 덮개(102) 상의 다른 트레이스들)와 MEMS 장치(106) 사이의 전기적 연결들은 와이어 본드들(820, 821)에 의해 제공된다. 도 8 내지 도 13의 어셈블리의 동작 및 다른 구성요소들은 도 1 내지 도 7의 예의 그것들과 동일하므로 이들에 대한 설명은 여기에서 반복되지 않을 것이다.
이제 도 14를 참조하면, 와이어 본드 구성을 갖고 하부 포트를 갖는 마이크로폰 어셈블리의 일 예가 설명된다. 이 예에서, 음향 포트는 베이스에 있다. 이러한 관점에서, MEMS 장치(806)는 어셈블리의 하부 상에 있고 집적 회로(808)는 어셈블리의 상부 상에 있어, 하부 포트 구성이 된다. 비아들(903)은 전기적 신호를 도전성 비아(840)에서 패드들(900)로 연결한다. 다른 구성요소들은 도 8 내지 도 13에서 사용된 것과 동일하고 이들의 설명 및 동작은 여기에서 반복되지 않을 것이다. 도 8 내지 도 13의 예는 (사용자 솔더 패드들과 대향하는 포트를 갖는) 상부 포트 마이크로폰이고, 도 14는 (사용자 솔드 패드들과 동일한 측면에 포트를 갖는) 하부 포트 장치를 도시함이 이해될 것이다. 상기 2개의 예들은, (항상 장치의 하부 측면 상에 위치되는) 사용자 솔더 패드들이 회전되지 않았다는 점을 제외하고 180도 회전된, 본질적으로 동일한 어셈블리이다.
여기에서 본 발명의 수행하기 위한 발명자가 아는 최선의 실시예를 포함하여 본 발명의 바람직한 실시예들이 설명되었다. 도시된 실시예들은 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 보지 말아야 함이 이해될 것이다.

Claims (10)

  1. MEMS(microelectromechanical system) 어셈블리로서,
    커버;
    기판;
    상기 커버 및 상기 기판에 부착되고 상기 커버와 상기 기판 사이에 배치된 적어도 하나의 벽;
    상기 커버에 배치된 MEMS 장치; 및
    상기 기판에 배치된 집적 회로를 포함하고,
    상기 집적 회로 및 상기 MEMS 장치는 겹치도록(one over the other) 배치되고 상기 벽들을 통해 연장되는 전선관들(conduits)에 의해 적어도 부분적으로 서로 전기적으로 연결되는, MEMS 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 MEMS 장치는 상기 커버에서 전기 도전체들을 통해 상기 전선관들에 체결되는, MEMS 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 집적 회로는 상기 기판에서 전기 도전체들을 통해 상기 전선관들에 체결되는, MEMS 어셈블리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 인쇄 회로 기판을 포함하는, MEMS 어셈블리.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 커버는 금속 또는 세라믹을 포함하는 물질로 구축되는, MEMS 어셈블리.
  6. MEMS(microelectromechanical system) 어셈블리로서,
    커버;
    기판;
    상기 커버 및 상기 기판에 부착되고 상기 커버와 상기 기판 사이에 배치된 적어도 하나의 벽;
    상기 기판에 배치된 MEMS 장치; 및
    상기 커버에 배치된 집적 회로를 포함하고,
    상기 집적 회로 및 상기 MEMS 장치는 겹치도록 배치되고 상기 벽들을 통해 연장되는 전선관들(conduits)에 의해 적어도 부분적으로 서로 전기적으로 연결되는, MEMS 어셈블리.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 집적 회로는 상기 커버에서 전기 도전체들을 통해 상기 전선관들에 체결되는, MEMS 어셈블리.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 MEMS 장치는 상기 기판에서 전기 도전체들을 통해 상기 전선관들에 체결되는, MEMS 어셈블리.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 기판은 인쇄 회로 기판을 포함하는, MEMS 어셈블리.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 커버는 금속 또는 세라믹을 포함하는 물질로 구축되는, MEMS 어셈블리.
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