TWI755127B

TWI755127B - 微型揚聲器之封裝結構

Info

Publication number: TWI755127B
Application number: TW109137600A
Authority: TW
Inventors: 陳立仁; 傅宥閔; 鄭裕庭; 龔詩欽
Original assignee: 美商富迪科技股份有限公司
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-02-11
Also published as: TW202217984A

Abstract

一種微型揚聲器之封裝結構，包括：基板，具有中空腔室；振動薄膜，懸置於中空腔室上；線圈，嵌入於振動薄膜中；載板，設置於基板的底表面；第一永久磁性元件，設置於載板之上，且容置於中空腔室中；封裝蓋，包繞基板與振動薄膜，其中封裝蓋露出振動薄膜的部份頂表面；以及第二永久磁性元件，設置於封裝蓋上或下方。

Description

微型揚聲器之封裝結構

本發明實施例係有關於一種微型揚聲器，且特別關於一種微型揚聲器之封裝結構。

電子產品正朝著更小、更薄的方向發展，如何縮小電子產品的尺寸始成一重要之課題。微機電系統(micro electromechanical system, MEMS)技術係一種結合半導體加工技術及機械工程的技術，可以有效地縮小元件尺寸並製造具多功能的微型元件及微型系統。

目前市面上已有相當多產品是利用微機電系統製造，例如：微加速度計、微陀螺儀、微地磁計及感測器等等。傳統動圈式揚聲器的製造技術已相當成熟，然而傳統動圈式揚聲器面積較大且價格較貴。若運用微機電製程技術在半導體晶片上製作動圈式揚聲器，將使其面積減小且成本降低，有利於批次量產。然而除了尺寸縮小以利製造，仍須發展具有較佳頻率響應的微型動圈式揚聲器。

本發明一些實施例提供一種微型揚聲器之封裝結構，包括：基板，具有中空腔室；振動薄膜，懸置於中空腔室上；線圈，嵌入於振動薄膜中；載板，設置於基板的底表面；第一永久磁性元件，設置於載板之上，且容置於中空腔室中；封裝蓋，包繞基板與振動薄膜，其中封裝蓋之蓋口露出振動薄膜的部份頂表面；以及第二永久磁性元件，設置於振動薄膜上。

在一些實施例中，振動薄膜包括聚二甲基矽氧烷、酚醛環氧樹脂、聚醯亞胺或其組合。

在一些實施例中，載板包括氣孔，且氣孔允許中空腔室與外界環境連通。

在一些實施例中，封裝蓋包括磁導率低於1.25×10 ^-4H/m之金屬。

在一些實施例中，第二永久磁性元件設置在封裝蓋之蓋口下。

在一些實施例中，第二永久磁性元件設置在封裝蓋之蓋口上，其中封裝蓋之蓋口具有凹槽以容置第二永久磁性元件。

在一些實施例中，振動薄膜的楊氏模數(Young’s modulus)介於1MPa至100GPa之間。

在一些實施例中，振動薄膜的厚度介於0.1微米至20微米之間。

在一些實施例中，線圈包括第一金屬層及第二金屬層，且第一金屬層於振動薄膜的開口中與第二金屬層電性連接。

在一些實施例中，第一金屬層及第二金屬層各自包括鋁矽、鋁、銅或其組合。

在一些實施例中，第一金屬層及第二金屬層的寬度介於1微米至500微米之間，第一金屬層及第二金屬層的厚度介於0.1微米至20微米之間。

在一些實施例中，第一金屬層具有螺旋結構，環繞振動薄膜的中心軸，且第二金屬層由第一金屬層上方越過螺旋結構並與第一金屬層電性連接。

在一些實施例中，第一金屬層具有波浪形結構，將螺旋結構連接至開口。

在一些實施例中，更包括介電層，設置於第一金屬層與第二金屬層之間，其中介電層包括通孔，且第一金屬層藉由通孔與第二金屬層電性連接。

以下針對本發明之顯示裝置作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本發明之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式僅為簡單描述本發明。當然，這些僅用以舉例而非本發明之限定。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸之情形。或者，亦可能間隔有一或更多其它材料層之情形，在此情形中，第一材料層與第二材料層之間可能不直接接觸。

此外，本發明實施例可能在許多範例中重複元件符號及/或字母。這些重複是為了簡化和清楚的目的，其本身並非代表所討論各種實施例及/或配置之間有特定的關係。以下描述實施例的一些變化。在不同圖式和說明的實施例中，相似的元件符號被用來標示相似的元件。

在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，此外，特定之實施例僅為揭示本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。

此外，其中可能用到與空間相對用詞，例如「在......下方」、「下方」、「較低的」、「在......上方」、「上方」等類似用詞，是為了便於描述圖式中一個(些)部件或特徵與另一個(些)部件或特徵之間的關係。空間相對用詞用以包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時(旋轉90度或其他方位)，其中所使用的空間相對形容詞也將依轉向後的方位來解釋。

此處所使用的用語「約」、「近似」等類似用語描述數字或數字範圍時，該用語意欲涵蓋的數值是在合理範圍內包含所描述的數字，例如在所描述的數字之+/- 10％之內，或本發明所屬技術領域中具有通常知識者理解的其他數值。例如，用語「約5 nm」涵蓋從4.5nm至5.5nm的尺寸範圍。

再者，說明書與請求項中所使用的序數例如「第一」、「第二」、「第三」等之用詞，以修飾請求項之元件，其本身並不意含及代表該請求元件有任何之前的序數，也不代表某一請求元件與另一請求元件的順序、或是製造方法上的順序，該些序數的使用僅用來使具有某命名的一請求元件得以和另一具有相同命名的請求元件能作出清楚區分。

本揭露所使用的術語「永久磁性元件」是指能夠長期保持磁性的元件。亦即，永久磁性元件不易失去磁性也不易被磁化。此外，永久磁性元件也可以稱為「硬磁元件」。

本揭露實施例提供微型揚聲器之封裝結構，其振動薄膜下方設有永久磁性元件，永久磁性元件產生的磁場會與多層線圈通過的電流作用而產生基板法線方向上的作用力，使薄膜振動以產生聲音。在封裝結構的封裝蓋上方或下方設有另一永久磁性元件，其永久磁性元件與振動薄膜下方的永久磁性元件互相吸引使平面磁場偏轉增加，多層線圈通過的電流與平面磁場產生基板法線方向上的作用力提高，使振動薄膜有較高的頻率響應，進而具有較佳的性能。

第1A圖係根據一些實施例，繪示示例的微型揚聲器之封裝結構10的俯視圖。如第1A圖所示，微型揚聲器之封裝結構10包括基板100、振動薄膜102、多層線圈104、封裝蓋108以及載板160。應注意的是，在第1A圖所示的實施例中，為了顯示微型揚聲器之封裝結構10的內部結構，振動薄膜102以及封裝蓋108僅用方框表示。

第1B圖係根據一些實施例，繪示第1A圖所示的微型揚聲器之封裝結構10的剖面圖。如第1B圖所示，振動薄膜102下方設有第一永久磁性元件170，且振動薄膜102上方設有第二永久磁性元件180。第一永久磁性元件170與第二永久磁性元件180可以互相吸引，以進一步提升振動薄膜102的頻率響應。應注意的是，為了簡化圖式，第1A圖並未示出第一永久磁性元件170以及第二永久磁性元件180。

參照第1A及1B圖，振動薄膜102設置於基板100上，且可以在基板100的法線方向上下振動。多層線圈104係嵌入於振動薄膜102中。亦即，多層線圈104並不會顯露出來。多層線圈104係配置以傳輸電訊號，並驅使振動薄膜102根據上述電訊號相對於基板100產生形變。目前市面上揚聲器的電阻多為8Ω或32Ω，相較於單層線圈，其電阻較低，本揭露的多層線圈較易符合市面上產品的電阻需求。

多層線圈104包括第一金屬層105以及第二金屬層106，且第一金屬層105在振動薄膜102的開口111中與第二金屬層106電性連接，以傳遞電訊號，並控制微型揚聲器之封裝結構10的運作。

在一些實施例中，第一金屬層105包括位於振動薄膜102中心的螺旋結構105A，以及由螺旋結構105A向振動薄膜102外圍延伸的波浪形結構105B。螺旋結構105A環繞振動薄膜102的中心軸O，且波浪形結構105B將螺旋結構105A連接至開口111。藉由設置波浪形結構105B，振動薄膜102可以更具有彈性，並可以降低振動的難度。

第2圖顯示第1A圖所示之區域I的放大示意圖。參照第1B圖及第2圖，第一金屬層105及第二金屬層106位於不同的水平面，第二金屬層106高於第一金屬層105。亦即，第二金屬層106相較於第一金屬層105更接近振動薄膜102的頂部。

在第一金屬層105和第二金屬層106之間設置有介電層130，以防止在第一金屬層105和第二金屬層106之間產生短路。在介電層130中形成有通孔132，且第二金屬層106跨越螺旋結構105A並藉由通孔132與第一金屬層105電性連接。以下將配合第3A至3F圖說明封裝結構10詳細結構的製程。

第3A至3F圖顯示第1圖所示之封裝結構10的製造過程的剖面示意圖。應了解的是，第3A至3F圖的每一者皆包括沿著第1圖所示之線A-A、B-B及C-C的剖面圖。如此一來，可在單一圖式中繪示封裝結構10不同部分的製造過程。

參照第3A圖，在基板100上形成有介電層112、114。在一些實施例中，基板100可以為半導體晶圓的一部分。在一些實施例中，基板100可以由矽或其他半導體材料形成。替代地或額外地，基板100可以包括其他元素半導體材料，例如鍺。在一些實施例中，基板100可以由化合物半導體形成，例如碳化矽、砷化鎵、砷化銦或磷化銦。在一些實施例中，基板100可以由合金半導體形成，例如矽鍺、碳化矽鍺、磷化砷化鎵或磷化銦鎵。在一些實施例中，基板100的厚度可以介於大約100微米至大約1000微米之間。

在一些實施例中，介電層112可以為二氧化矽或其他可作為介電層之氧化物或氮化物，並且可以藉由熱氧化、化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)、低壓化學氣相沉積(low pressure CVD, LPCVD)、常壓化學氣相沉積(atmospheric pressure CVD, APCVD)、電漿增強化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)將介電層112形成在基板100上。

在一些實施例中，介電層114可以為二氧化矽或其他可作為介電層之氧化物或氮化物，並且可以藉由熱氧化、化學氣相沉積(CVD)、電漿增強化學氣相沉積(PECVD)將介電層114形成在介電層112上。

繼續參照第3A圖，在介電層114上形成多層線圈104的第一金屬層105。可以藉由電鍍(electroplating)或物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)，例如濺鍍(sputter)或蒸鍍(evaporation)形成第一金屬層105。接著，圖案化第一金屬層105以形成第1圖所示的螺旋結構105A及波浪形結構105B。圖案化製程可以包括微影製程(例如，光阻塗佈、軟烘烤、遮罩對準、曝光、曝光後烘烤、光阻顯影、其他適當的製程或上述之組合)、蝕刻製程(例如，濕式蝕刻製程、乾式蝕刻製程、其他適當的製程或上述之組合)、其他適當的製程或上述之組合。

在一些實施例中，第一金屬層105可以包括鋁矽、鋁、銅或其組合。在一些實施例中，第一金屬層105的寬度介於大約1微米至大約500微米之間，且第一金屬層105的厚度介於大約0.1微米至大約20微米之間。

繼續參照第3A圖，在第一金屬層105及介電層114上形成介電層130。在一些實施例中，可以藉由爐管製程(furnace process)或化學氣相沉積製程形成介電層130。在一些實施例中，介電層130可以是摻碳(carbon-doped)的氧化物或其他適合的絕緣材料。

參照第3B圖，對介電層130執行微影製程及蝕刻製程以在介電層130中形成通孔132，並露出部分的第一金屬層105。接著，藉由電鍍或物理氣相沉積(例如濺鍍或蒸鍍)，在介電層130和第一金屬層105上形成多層線圈104的第二金屬層106。隨後圖案化第二金屬層106。應注意的是，介電層130藉由上述微影製程及蝕刻製程切割成分離的片段，僅留下必要的部分使第一金屬層105與第二金屬層106絕緣。藉由移除介電層130之非必要的部分，振動薄膜102可以更具有彈性，並提升封裝結構的性能。

在一些實施例中，第二金屬層106可以包括鋁矽、鋁、銅或其組合。在一些實施例中，第二金屬層106的寬度介於大約1微米至大約500微米之間，且第二金屬層106的厚度介於大約0.1微米至大約20微米之間。

參照第3C圖，在第二金屬層106上形成振動薄膜102。在一些實施例中，可以藉由旋轉塗佈(spin coating)、狹縫式塗佈(slot-die coating)、刮刀塗佈(blade coating)、線棒塗佈(wire bar coating)、凹版塗佈(gravure coating)、噴霧式塗佈(spray coating)、化學氣相沉積或其他適合的方法形成振動薄膜102。如第3C圖所示，第一金屬層105、第二金屬層106以及介電層130係嵌入於振動薄膜102中。在一些實施例中，振動薄膜102包括聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)、酚醛環氧樹脂(例如SU-8)、聚醯亞胺(polyimide, PI)或其組合。在一實施例中，振動薄膜102由PDMS形成，其振動薄膜102的楊氏模數(Young’s modulus)介於1MPa至100GPa之間。相較於由聚醯亞胺所形成的薄膜，由PDMS形成的振動薄膜102楊氏模數較小且薄膜結構較軟，使得振動薄膜102的位移較大，進而產生較大的聲音振幅。在一些實施例中，振動薄膜102的厚度介於大約0.1微米至大約20微米之間。

參照第3D圖，圖案化振動薄膜102以在振動薄膜102中形成開口111，且在振動薄膜102周圍形成切割道140。開口111可以露出第二金屬層106。第一金屬層105係於開口111中與第二金屬層106電性連接。切割道140可以在晶圓上界定出每一個封裝結構的區域。如此一來，切割道140可以有助於切割(例如，雷射切割)以將封裝結構分離。

繼續參照第3D圖，對基板100執行深反應離子式蝕刻(deep reactive-ion etching)製程或利用蝕刻劑(例如：氫氧化銨(NH ₄OH)、氫氟酸(hydrofluoric acid, HF)、去離子水、氫氧化四甲基銨(TMAH)、氫氧化鉀(KOH))的蝕刻製程，以在基板100中形成中空腔室150。如第3D圖所示，振動薄膜102懸置於中空腔室150的上方。應注意的是，介電層112、114可以作為蝕刻停止層，以保護振動薄膜102與多層線圈104不被蝕刻。由於蝕刻劑對於介電層112、114的蝕刻速率可能不同，在蝕刻製程後，介電層112、114可能不會完全地重疊。舉例而言，介電層112可能會在面向中空腔室150的一側內縮形成凹槽。

參照第3E圖，在基板100的底表面設置載板160。在一些實施例中，載板160可以包括印刷電路板(printed circuit board, PCB)。載板160具有氣孔151，其允許中空腔室150與外接環境連通。第一永久磁性元件170設置於載板160上，且容置於中空腔室150中。第一永久磁性元件170係配置以與多層線圈104合作以產生朝向基板100法線方向的力，且振動薄膜102可以根據所產生的力相對於基板100振動。在一些實施例中，第一永久磁性元件170包括釹鐵硼磁石。

參照第3F圖，在載板160上設置封裝蓋108。封裝蓋108包繞基板100以及振動薄膜102，且封裝蓋108的蓋口108A露出振動薄膜102的一部份頂表面。在一些實施例中，封裝蓋108包括磁導率低於1.25×10 ^-4H/m的金屬，例如：金、銅、鋁或其組合。

繼續參照第3F圖，第二永久磁性元件180設置在振動薄膜102上方。在一些實施例中，第二永久磁性元件180設置在蓋口108A下。第二永久磁性元件180可以與第一永久磁性元件170互相吸引，使平面磁場偏轉增加。多層線圈104通過的電流與平面磁場產生在基板100法線方向上的作用力提高，使振動薄膜102有較佳的頻率響應，進而提升封裝結構的性能。在一些實施例中，第二永久磁性元件180包括釹鐵硼磁石。

在一些實施例中，第一永久磁性元件170與第二永久磁性元件180的間距可以介於200至1000µm。若第一永久磁性元件170與第二永久磁性元件180的間距大於1000µm，兩者之間可能無法具有足夠的吸引力以增加平面磁場偏轉，導致封裝結構的頻率響應變小，進而降低封裝結構的性能。若第一永久磁性元件170與第二永久磁性元件180的間距小於200µm，振動薄膜102相對基板100產生上下形變時，可能會反覆接觸並撞擊第一永久磁性元件170與第二永久磁性元件180，導致封裝結構的損害，進而降低封裝結構的可靠度。

第4圖係根據另一些實施例，繪示微型揚聲器之封裝結構的剖面圖。相較於第3F圖所示的實施例，第4圖所示封裝結構的第二永久磁性元件180係設置於封裝蓋108的蓋口108A上。如第4圖所示，封裝蓋108的蓋口108A具有凹口，使第二永久磁性元件180可以較穩固地設置在蓋口108A上，而不易因外力而脫落。此外，上述蓋口108A的設計可以降低製程複雜度並提高產品可靠度。

綜上所述，本揭露各種實施例提供微型揚聲器的封裝結構，其振動薄膜下方設有永久磁性元件，永久磁性元件產生的磁場會與多層線圈通過的電流作用而產生基板法線方向上的作用力，使薄膜振動以產生聲音。在封裝結構的封裝蓋上方或下方設有另一永久磁性元件，其永久磁性元件與振動薄膜下方的永久磁性元件互相吸引使平面磁場偏轉增加，多層線圈通過的電流與平面磁場產生基板法線方向上的作用力提高，使振動薄膜有較高的頻率響應，進而具有較佳的性能。

此外，在半導體晶片上製作線圈並上覆振動薄膜，使線圈嵌入在振動薄膜裡。其可以降低製程難度，並且使線圈多層連接處不易因長時間振動而斷裂，進而提高產品的可靠度。另外，由於使用微機電製程技術，本揭露的微型揚聲器之封裝結構具有可批次量產、一致性高、良率高、面積小以及成本低的益處。

以上概述數個實施例之部件，以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本發明實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應理解，他們能輕易地以本發明實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應理解，此類等效的結構並無悖離本發明的精神與範圍，且他們能在不違背本發明之精神和範圍下，做各式各樣的改變、取代和替換。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。

10:封裝結構 100:基板 102:振動薄膜 104:多層線圈 105:第一金屬層 106:第二金屬層 108:封裝蓋 111:開口 112:介電層 114:介電層 130:介電層 132:通孔 140:切割道 150:中空腔室 151:氣孔 160:載板 170:第一永久磁性元件 180:第二永久磁性元件 105A:螺旋結構 105B:波浪型結構 108A:蓋口 A-A:剖面 B-B:剖面 C-C:剖面

以下將配合所附圖示詳述本揭露之各面向。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上，可能任意地放大或縮小單元的尺寸，以清楚地表現出本揭露的特徵。第1A圖係根據一些實施例，繪示示例的微型揚聲器之封裝結構的俯視圖。第1B圖係根據一些實施例，繪示示例的微型揚聲器之封裝結構的剖面圖。第2圖係根據一些實施例，繪示第1圖所示之區域I的放大示意圖。第3A-3F圖係根據一些實施例，繪示微型揚聲器之封裝結構在製造中間階段的剖面圖。第4圖係根據另一些實施例，繪示微型揚聲器之封裝結構的剖面圖。

100:基板

102:振動薄膜

105:第一金屬層

106:第二金屬層

108:封裝蓋

111:開口

112:介電層

114:介電層

130:介電層

132:通孔

140:切割道

150:中空腔室

151:氣孔

160:載板

170:第一永久磁性元件

180:第二永久磁性元件

108A:蓋口

A-A:剖面

B-B:剖面

C-C:剖面

Claims

一種微型揚聲器之封裝結構，包括：一基板，具有一中空腔室；一振動薄膜，懸置於該中空腔室上，其中該振動薄膜的厚度介於0.1微米至20微米之間；一線圈，嵌入於該振動薄膜中；一載板，設置於該基板的一底表面；一第一永久磁性元件，設置於該載板之上，且容置於該中空腔室中；一封裝蓋，包繞該基板與該振動薄膜，其中該封裝蓋之一蓋口露出該振動薄膜的一部份頂表面；以及一第二永久磁性元件，設置於該振動薄膜上方。
如請求項1之微型揚聲器之封裝結構，其中該振動薄膜包括聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、酚醛環氧樹脂、聚醯亞胺或其組合。
如請求項1之微型揚聲器之封裝結構，其中該載板包括一氣孔，且該氣孔允許該中空腔室與外界環境連通。
如請求項1之微型揚聲器之封裝結構，其中該封裝蓋包括磁導率低於1.25×10^-4H/m之金屬。
如請求項1之微型揚聲器之封裝結構，其中該第二永久磁性元件設置在該蓋口下。
如請求項1之微型揚聲器之封裝結構，其中該第二永久磁性元件設置在該蓋口上，其中該蓋口具有一凹槽以容置該第二永久磁性元件。
如請求項1之微型揚聲器之封裝結構，其中該振動薄膜的楊氏模數(Young’s modulus)介於1MPa至100GPa之間。
如請求項1之微型揚聲器之封裝結構，其中該線圈包括一第一金屬層及一第二金屬層，且該第一金屬層於該振動薄膜的一開口中與該第二金屬層電性連接。
如請求項8之微型揚聲器之封裝結構，其中該第一金屬層及該第二金屬層各自包括鋁矽、鋁、銅或其組合。
如請求項8之微型揚聲器之封裝結構，其中該第一金屬層及該第二金屬層的寬度介於1微米至500微米之間，該第一金屬層及該第二金屬層的厚度介於0.1微米至20微米之間。
如請求項8之微型揚聲器之封裝結構，其中該第一金屬層具有一螺旋結構，環繞該振動薄膜的一中心軸，且該第二金屬層由該第一金屬層上方越過該螺旋結構並與該第一金屬層電性連接。
如請求項11之微型揚聲器之封裝結構，其中該第一金屬層具有一波浪形結構，將該螺旋結構連接至該開口。
如請求項8之微型揚聲器之封裝結構，更包括一介電層，設置於該第一金屬層與該第二金屬層之間，其中該介電層包括複數個通孔，且該第一金屬層藉由該些通孔與該第二金屬層電性連接。