一种小尺寸高灵敏度高信噪比的mems硅麦克风的制作方法
【专利摘要】本发明为一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，包括金属壳体盖、MEMS器件、ASIC器件和PCB板，其特征在于：所述的金属壳体盖上设有一个进音孔，MEMS器件通过绝缘胶黏连在金属壳体盖的内侧，并且MEMS器件的一面带有一个空腔，所述的空腔与进音孔相对接，所述的PCB板为三层PCB板，其上设有一个凹槽，凹槽的位置与所述的空腔相对，并置于空腔的背后，ASIC器件设于凹槽的中心底部，ASIC器件的顶部与MEMS器件的振膜下方相互间留有间隙，形成上述MEMS硅麦克风的封装方式为垂直式倒装前进音封装方式。本发明提高了麦克风的灵敏度及信噪比，并减小模块体积，满足更高的电路集成化需求。
【专利说明】—种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种MEMS硅麦克风的封装方法，特别是公开一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，属于硅麦克风封装的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]麦克风能把人的语音信号转化为相应的电信号，广泛应用于手机，电脑，电话机，照相机及摄像机等。传统的驻极体电容式麦克风采用特氟龙作为振动薄膜，不能承受在印刷电路板回流焊接工艺近300度的高温，从而只能与集成电路的组装分开，单独手工装配，大大增加了生产成本。
[0003]近三十年的MEMS (Microelectromechanical Systems)技术与工艺的发展,特别是基于硅芯片MEMS技术的发展，实现了许多传感器(如压力传感器，加速度计，陀螺仪等)的微型化和低成本。MEMS硅麦克风已开始产业化，在高端手机的应用上，逐渐取代传统的驻极体电容式麦克风。
[0004]MEMS麦克风主要还是采用电容式的原理，由一个振动薄膜和背极板组成,振动薄膜与背极板之间有一个几微米的间距，形成电容结构。高灵敏的振动薄膜感受到外部的音频声压信号后，改变振动薄膜与背极板间的距离，从而形成电容变化。MEMS麦克风后接CMOS放大器把电容变化转化成电压信号的变化,再放大后变成电输出。
[0005]目前现有技术中的大多数麦克风采取背进音形式的封装方式，当硅麦克风器件与PCB板贴装后，整个组件的背腔就仅限于硅麦克风器件的空腔体积，只有当此空腔体积足够大时，器件的灵敏度和信噪比才能得以提高。如果以背进音的封装方式，想提升器件的灵敏度和信噪比，就必须增大麦克风器件本身的空腔体积，这种做法与器件微型化的趋势是相矛盾的。因此我们想到使用倒装前进音的方式来封装我们的硅麦克风器件。硅麦克风倒装后，其空腔与进音孔相同，而此时的背腔是整个封装体内部空间，这将一定程度上提高整个组件的灵敏度和信噪比。由于人的语音声压信号非常微弱，灵敏度和信噪比的提高势必提升麦克风的使用效果。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有麦克风封装技术中存在的不足，提供一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，采用垂直式倒装前进音封装方式，直接提高了同等麦克风产品的灵敏度及信噪比，并使整个封装后的模块体积大大减小，以满足更高的电路集成化需求。
[0007]本发明是这样实现的:一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风，包括金属壳体盖、MEMS器件、ASIC器件和PCB板，其特征在于:所述的金属壳体盖上设有一个进音孔，所述的MEMS器件通过绝缘胶黏连在金属壳体盖的内侧，并且MEMS器件的一面带有一个空腔，所述的空腔与金属壳体盖的进音孔相对接，所述的PCB板为三层PCB板，所述的PCB板上设有一个凹槽，凹槽的容积与MEMS器件上的空腔相匹配，并置于MEMS器件的空腔的背后，所述的ASIC器件设于PCB板上凹槽的中心底部，ASIC器件的顶部与MEMS器件的振膜下方相互间留有间隙，使MEMS硅麦克风的灵敏度不受影响，形成上述MEMS硅麦克风的封装方式为垂直式倒装前进音封装方式。所述进音孔的孔径为300 μ m?800 μ m，所述PCB板上设的凹槽的直径为600 μ m?900 μ m的圆形，深度为200 μ m?700 μ m。所述的MEMS器件和ASIC器件都设有通过RDL重新布线植上的金属焊球，与PCB板上的第二金属导线、第三金属导线和第四金属导线连接，并通过第一金属导线、第五金属导线连接PCB板的底部。所述金属壳体盖与PCB板的连接面上设有导电胶形成的封闭环，将金属壳体盖与PCB板黏连，导电性能良好。
[0008]本发明的麦克风是一种微电子机械系统，所述的MEMS器件即硅麦克风器件，所述的ASIC器件采用特定用途集成电路，是用以增益硅麦克风器件所采集的电信号的。
[0009]本发明一种小尺寸高灵敏度高信噪比的MEMS硅麦克风的封装方式包括如下步骤:
(1)提供一个带进音孔的金属壳体盖；
(2)在金属壳体盖的内部，进音孔的这一面设定区域涂上硬化前较软的绝缘胶；
(3)将MEMS器件放置在金属壳体盖内的绝缘胶上，MEMS器件的空腔对准金属壳体盖的进音孔，通过加温固化绝缘胶，使MEMS器件牢固地黏连在金属壳体盖内；
(4)提供一块三层PCB板，设有一个与MEMS器件上的空腔相匹配的凹槽；
(5)在PCB板的凹槽内放置一个ASIC器件，ASIC器件上的金属焊球要与PCB板凹槽内的金属电极相连接；
(6)在PCB板周边涂上一圈由导电胶形成的封闭环；
(7)将金属壳体盖连同已黏连的MEMS器件按压在PCB板上，MEMS器件的振膜正对PCB板的凹槽，器件上的金属焊球对应PCB板上相应的金属片；
(8)将整个黏连在一起的组件置于设定温度下烘烤，以固化导电胶。
[0010]本发明的有益效果是:本发明产品实现了 MEMS硅麦克风的垂直式倒装前进音封装方式，增加器件的灵敏度及信噪比，并通过三维垂直式的封装方式使整个MEMS硅麦克风封装后的模块体积大大减小，满足更高的电路集成化趋势和需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明产品结构剖视图。
[0012]图2是本发明产品中带进音孔的金属壳体盖剖视结构示意图。
[0013]图3是本发明产品的金属壳体盖涂上绝缘胶后的剖视结构示意图。
[0014]图4是本发明产品中将MEMS器件通过绝缘胶黏连在金属壳体盖内后的剖视结构示意图。
[0015]图5是本发明产品中设有凹槽的三层PCB板剖视结构示意图。
[0016]图6是本发明产品中ASIC器件置于凹槽内并通过金属焊球与导线相连的剖视结构示意图。
[0017]图7是本发明产品中带ASIC器件的PCB板涂上导电胶形成封闭环后的剖视结构示意图。
[0018]图中:1、金属壳体盖；2、进音孔；3、绝缘胶；4、MEMS器件；5、ASIC器件；6、金属焊球；7、空腔；8、PCB板；9、凹槽；10、第一金属导线；11、第二金属导线；12、第三金属导线；13、第四金属导线；14、第五金属导线；15、封闭环。
【具体实施方式】
[0019]根据附图1，本发明产品包括金属壳体盖1、进音孔2、绝缘胶3、MEMS器件4、ASIC器件5、金属焊球6、MEMS器件上的空腔7和PCB板8，PCB板上设有凹槽9、第一金属导线10、第二金属导线11、第三金属导线12、第四金属导线13、第五金属导线14及由导电胶形成的封闭环15。
[0020]本发明MEMS娃麦克风的垂直式倒装前进音封装方式包括金属壳体盖I,放置于金属壳体盖内的MEMS器件2，设有一个与MEMS器件2上的空腔7相匹配的凹槽9的PCB板8(PCB板8采用三层PCB板)以及放置于PCB板8的凹槽9内的ASIC器件5。
[0021]根据附图2?7，本发明的金属壳体盖I上设有一个进音孔2，并且在金属壳体盖I内部涂有绝缘胶3，绝缘胶3需将MEMS器件4牢固的黏连在金属壳体盖I内。MEMS器件4与ASIC器件5上都有通过RDL重新布线后植上的金属焊球6，MEMS器件4的一面带有一个空腔7，此空腔7要与金属壳体盖I上的进音孔2相对接。三层的PCB板8为绝缘板基，设有一个与MEMS器件2上的空腔7相匹配的凹槽9、覆盖PCB板8上中下三层的金属导线(第一金属导线10、第二金属导线11、第三金属导线12、第四金属导线13和第五金属导线14)及由涂上的导电胶形成的封闭环15。凹槽9的位置要正对MEMS器件4的空腔7，各金属导线的分布位置要能同MEMS器件4和ASIC器件5上各处的金属焊球6相连接，封闭环15要能同金属壳体盖I的边缘相黏连，导电性能要良好。
[0022]金属壳体盖I采用能冲压成型的刚度适中的金属，其具有一定的屏蔽电磁干扰的能力。进音孔2 —般为直径在300 μ m?800 μ m之间的圆型，让声波能够传到MEMS的空腔7内。绝缘胶3具有较强的粘度，将MEMS器件4牢固地黏连在金属壳体盖I内，使封装结构具有一定的抗震效果，绝缘性能要良好。三层的PCB板上的凹槽9的位置要位于MEMS器件4振膜的正下方，并且具备一定的深度，在容纳一个ASIC器件5的前提下，还要在MEMS器件4的振膜下方留有一定的空隙，优化其频响特性。PCB板8上的封闭环15由硬化前较软的导电胶形成，使金属壳体盖I与PCB板黏连后能够有良好的封闭效果，导电性能要良好。
[0023]本发明MEMS硅麦克风的垂直式倒装前进音封装方式通过下述工艺步骤实现:
(O提供一个刚度适中的金属壳体，通过冲压成型，形成一个带进音孔2的、能容纳
MEMS器件4的金属壳体盖I ;如图2所示:进音孔2的直径大约在300 μ m?800 μ m之间；
(2)在上述金属壳体盖I内测，涂上硬化前较软的绝缘胶3，用以黏连MEMS器件4，如图3所示；
(3)将MEMS器件4放置在金属壳体盖I内的绝缘胶3上，MEMS的腔体7对准金属壳体盖I的进音孔2，通过加温固化绝缘胶3，使MEMS器件4牢固地黏连在金属壳体盖I内；如图4所示:器件上的金属焊球6与金属壳体盖I的边缘几乎在同一水平面上，较软的绝缘胶3可以适当调整MEMS器件金属焊球6的水平高度；
(4)如图5所示:提供一块三层PCB板，其主体基板为绝缘材质，在与MEMS器件2上的空腔7相匹配的区域设有一个凹槽9，此凹槽9的位置在MEMS器件4的正下方，并具有一定的深度，在容纳一个ASIC器件5的前提下，仍然留有一定的空隙在MEMS器件4的振膜下方，以优化其频响特性，第一金属导线10贯通PCB板8，使PCB板8正反面形成互连，第二金属导线11、第四金属导线13使PCB板8的上层与中层之间形成互连，第三金属导线12和第五金属导线14实现PCB板8的中层与下层之间的互连。凹槽9 一般为一个直径在600 μ m?900 μ m的圆形，其深度大约在200μπι?700μπι之间；
(5)在PCB板8上的凹槽9内放置一个ASIC器件5，如图6所示:ASIC器件5上的金属焊球6要与PCB板8上的凹槽9内的第二金属导线11、第三金属导线12相连接，ASIC器件5放置完成后,其顶部离MEMS器件4的振膜还有100 μ m?300 μ m的距离；
(6)在PCB板8周边涂上一圈硬化前较软的导电胶形成的封闭环15，如图7所示:导电胶形成的封闭环15要与金属壳体盖I边缘大小相匹配，以便金属壳体盖I与PCB板8成功黏连；
(7)将金属壳体盖I连同已黏连的MEMS器件4按压在PCB板8上，MEMS器件4的振膜正对PCB板8的凹槽9，MEMS器件4上的金属焊球6对应PCB板上相应的第二金属导线11和第四金属导线13，如图1所示；
(8)将整个黏连在一起的组件置于设定温度下烘烤，以固化导电胶。
[0024]本发明MEMS硅麦克风工作时，金属壳体盖I将通过封闭环15与三层PCB板上层的第一金属导线10相连，MEMS器件4和ASIC器件5通过PCB板上第二金属导线11、第四金属导线13相连接，ASIC器件5上其他电极可以通过金属焊球6与PCB板中层的第二金属导线11，第三金属导线12相连接，并通过PCB板上的第五金属导线14连接到PCB板下层。当外部有声音时，声音会从进音孔2进入，对MEMS器件4振膜产生作用力，MEMS器件4的电容变化将通过ASIC器件5,将信号放大成可检测对应的声音信号。
[0025]本发明通过焊球工艺取代现有技术的wire bonding工艺，并将MEMS器件同ASIC器件呈三维垂直分布，可大大缩小整个封装结构的实际三维体积。此外，通过将MEMS器件倒置，并形成前进音的封装模式，将进一步增加器件的灵敏度及信噪比。
【权利要求】
1.一种小尺寸高灵敏度高信噪比的1213硅麦克风，包括金属壳体盖(丨)、1218器件(斗)、^810器件(5)和？03板(8),其特征在于:所述的金属壳体盖(1)上设有一个进音孔(2),所述的1213器件(4)通过绝缘胶(3)黏连在金属壳体盖(1)的内侧，并且腿13器件(4)的一面带有一个空腔(7),所述的空腔(7)与金属壳体盖(1)的进音孔(2)相对接，所述的板(8)为三层板，所述的板(8)上设有一个凹槽(9),凹槽(9)的容积与1213器件(4)上的空腔(7)相匹配，并置于1213器件(4)的空腔(7)的背后，所述的八310器件(5)设于？⑶板(8)上凹槽(9)的中心底部，…1(:^^(5)的顶部与1213器件(4)的振膜下方相互间留有间隙，使1213硅麦克风的灵敏度不受影响，形成上述1213硅麦克风的封装方式为垂直式倒装前进音封装方式。
2.根据权利要求1所述的一种小尺寸高灵敏度高信噪比的1213硅麦克风，其特征在于:所述进音孔(2)的孔径为300 ^111?800 ^111，所述？⑶板(8)上设的凹槽(9)的直径为600 9 III ?900 1-1III 的圆形，深度为 200 9 111 ?700 9 111。
3.根据权利要求1所述的一种小尺寸高灵敏度高信噪比的1213硅麦克风，其特征在于:所述的1213器件(4)和……器件(5)都设有通过重新布线植上的金属焊球(6),与？⑶板(8)上的第二金属导线〔10、第三金属导线(12)和第四金属导线(13)连接，并通过第一金属导线(1(0、第五金属导线(14)连接板(8)的底部。
4.根据权利要求1所述的一种小尺寸高灵敏度高信噪比的1213硅麦克风，其特征在于:所述金属壳体盖(1)与？⑶板(8)的连接面上设有导电胶形成的封闭环(15),将金属壳体盖(1)与？⑶板(8)黏连，导电性能良好。
【文档编号】H04R31/00GK104394496SQ201410653764
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】缪建民, 倪梁 申请人:上海微联传感科技有限公司