本發(fā)明涉及改進(jìn)的微機(jī)電麥克風(fēng)、包括微機(jī)電麥克風(fēng)的電子系統(tǒng)和用于制造微機(jī)電麥克風(fēng)的工藝。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中已知包括第一芯片和第二芯片的微機(jī)電麥克風(fēng)，第一芯片包含微機(jī)電電聲膜換能器，第二芯片包含控制電路或ASIC(專用集成電路)。電聲換能器將造成膜的振動的入射聲波轉(zhuǎn)換成電信號。例如，膜可以電容性地耦合到基準(zhǔn)電極。膜的變形更改電容性耦合，這可以容易地用電荷放大器電路來檢測?？刂齐娐钒ㄐ盘柼幚砑?例如，電荷放大器電路)和使得能夠進(jìn)行微機(jī)電麥克風(fēng)的適當(dāng)操作(尤其是聲信號的換能)所需要的部件。

第一芯片和第二芯片容納在用于電子裝置的一個相同的封裝結(jié)構(gòu)中，該封裝結(jié)構(gòu)通常包括支撐襯底和塑料材料蓋或金屬材料蓋。

襯底可以是聚合物襯底或陶瓷襯底，例如，LGA(平面柵格陣列)類型，并且設(shè)置有用于電連接彼此并排設(shè)置的第一芯片和第二芯片的連接結(jié)構(gòu)(焊盤和線路)。而且，襯底具有開口(還稱為“聲音端口”)，該開口使得能夠從外部向封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)容納的換能器發(fā)送聲信號。

蓋接合到襯底，并且可以具有聲學(xué)室的保護(hù)和限定雙重功能，并且出于該原因，可以對微機(jī)電麥克風(fēng)的性能具有決定性作用。

隨著便攜式電子裝置(諸如智能電話和平板計算機(jī)或其他所謂的“可穿戴”電子裝置)的普及，對微機(jī)電傳感器的開發(fā)和集成的關(guān)注逐漸變?yōu)楦用黠@。在一些情況下，這種產(chǎn)品的開發(fā)可能造成難以調(diào)和的形成鮮明對比的要求。一方面，例如，需要提供性能越來越高的微機(jī)電換能器以滿足用戶的要求。這通常導(dǎo)致微機(jī)電換能器和控制電路這兩者的芯片的尺寸增大。相反，另一方面，形成鮮明對比的要求是日益減小微機(jī)電麥克風(fēng)的尺寸，以有助于尤其是在便攜式系統(tǒng)和可穿戴系統(tǒng)中微機(jī)電麥克風(fēng)的使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供將使得能夠克服或至少緩和所描述的局限性、調(diào)和相反需求的改進(jìn)的微機(jī)電麥克風(fēng)、包括微機(jī)電麥克風(fēng)的電子系統(tǒng)和用于制造微機(jī)電麥克風(fēng)的工藝。

根據(jù)本發(fā)明，如所附權(quán)利要求中限定的，提供了改進(jìn)的微機(jī)電麥克風(fēng)、包括微機(jī)電麥克風(fēng)的電子系統(tǒng)和用于制造微機(jī)電麥克風(fēng)的工藝。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將僅以非限制性示例的方式并參照附圖來描述其一些實施方式，附圖中：

-圖1是根據(jù)本公開的一個實施方式的微機(jī)電麥克風(fēng)的、沿著縱向平面部分切下的頂部平面圖；

-圖2是沿著圖1的線II-II切下的圖1的微機(jī)電麥克風(fēng)的側(cè)向截面圖；

-圖3是圖1和圖2的微機(jī)電麥克風(fēng)的立體圖；

-圖4-圖7是彼此替換的、根據(jù)本公開的其他實施方式的微機(jī)電麥克風(fēng)的各個立體圖；

-圖8是圖7的微機(jī)電麥克風(fēng)的側(cè)向截面圖；以及

-圖9是包含根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的微機(jī)電麥克風(fēng)的電子系統(tǒng)的簡化框圖。

具體實施方式

參照圖1-圖3，提供了根據(jù)本公開的一個實施方式的微機(jī)電麥克風(fēng)1。圖1示出了微機(jī)電麥克風(fēng)1在平面XY中的頂部平面圖。圖2示出了微機(jī)電麥克風(fēng)1在平面XZ中的側(cè)向截面圖。圖3示出了微機(jī)電麥克風(fēng)1在三軸系統(tǒng)XYZ中的立體圖。

微機(jī)電麥克風(fēng)1包括襯底2、蓋3、傳感器芯片5和控制芯片6。傳感器芯片5和控制芯片6例如，經(jīng)由焊線31可操作地(例如，電氣地)彼此耦合。

這里指出的是，為了簡化表示，圖3例示了沒有蓋3的微機(jī)電麥克風(fēng)1，使得更容易理解微機(jī)電麥克風(fēng)1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形成微機(jī)電麥克風(fēng)1本身的元件的相互設(shè)置。

襯底2和蓋3經(jīng)由焊膏區(qū)域22一起耦合，并且形成限定內(nèi)部腔4的封裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部腔4中容納傳感器芯片5和控制芯片6。蓋3具有保護(hù)功能。內(nèi)部腔4形成微機(jī)電麥克風(fēng)1的聲學(xué)室。

在一個實施方式中，襯底2是LGA(平面柵格陣列)類型襯底，并且包括：核心7；底部金屬區(qū)域8和頂部金屬區(qū)域9(例如，銅的)，它們在核心7的相對面上延伸；以及焊接掩膜10。襯底2中的通孔限定聲音端口11，并且使得封裝結(jié)構(gòu)(尤其是傳感器芯片5)的內(nèi)部能夠與外部環(huán)境聲耦合。

圖2和圖3中更清楚可見的核心7由具有縱向尺寸和側(cè)向尺寸的剛性介電材料(例如，F(xiàn)R4)的芯片限定。具體地，縱向尺寸大于側(cè)向尺寸。

底部金屬區(qū)域8設(shè)置在核心7面對外部環(huán)境的面上，即，蓋3的相對面。具體地，限定在底部金屬區(qū)域8中的是用于電連接微機(jī)電麥克風(fēng)1的外部接觸12和可選地，聲音端口11周圍的外部保護(hù)環(huán)13。外部保護(hù)環(huán)13還可以用于接地，并且由此還稱為“接地環(huán)”。

頂部金屬區(qū)域9在核心7面對傳感器芯片5的面上延伸，并且被蓋3保護(hù)。頂部金屬區(qū)域9中限定的是內(nèi)部接觸15、沿著核心7的周界延伸的粘合環(huán)16、聲音端口11周圍的內(nèi)保護(hù)環(huán)17和在粘合環(huán)16與傳感器芯片5的外周界之間在核心7上方延伸的阻擋環(huán)18。更詳細(xì)地，阻擋環(huán)18與粘合環(huán)16相隔一距離地延伸，由此在阻擋環(huán)18與粘合環(huán)16之間限定溝槽19。通過溝槽19，核心7的相應(yīng)表面區(qū)域被暴露。

阻擋環(huán)18同樣地與傳感器芯片5的外周界相隔一距離地延伸，由此在阻擋環(huán)18與傳感器芯片5的外邊緣之間限定另一溝槽25。溝槽25具有容納粘合層23的可能過量的膠的功能，粘合層23可以在襯底2上粘合傳感器芯片5的步驟期間在傳感器芯片5側(cè)向延伸。阻擋環(huán)18與傳感器芯片5之間的距離(即，溝槽25的寬度)被選擇為包括在50μm與100μm之間，例如，75μm。阻擋環(huán)18與粘合環(huán)16之間的距離(即，溝槽19的寬度)被選擇包括在30μm與70μm之間，例如，50μm。

內(nèi)部接觸15借助延伸穿過核心7的厚度的通孔20電耦合到相應(yīng)金屬材料的外部接觸12(屬于底部金屬區(qū)域8)。在一個實施方式中，焊接掩膜10被成形為支撐芯片6和限定容納內(nèi)部接觸15的接觸島21的組裝基部。接觸島21在焊接掩膜10中形成為凹部，使得內(nèi)部接觸15直接位于核心7上并且與通孔20直接連接。

內(nèi)部接觸15由此與襯底2面對蓋3的面上存在的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的剩余部分側(cè)向分離。

控制芯片6容納例如，ASIC(在其本身已知的程度內(nèi)未詳細(xì)例示)，其包括信號處理電路(例如，用于電容電聲傳感器的電荷放大器電路)和使得能夠進(jìn)行麥克風(fēng)的適當(dāng)操作(尤其是關(guān)于聲信號的換能)所需的部件。根據(jù)圖1-圖3的實施方式，控制芯片6位于傳感器芯片5與接觸島21之間。

根據(jù)不同的實施方式(未例示)，接觸島21在控制芯片6與傳感器芯片5之間延伸。

控制芯片6具有用于經(jīng)由第一鍵合導(dǎo)線30連接到內(nèi)部接觸15和經(jīng)由第二鍵合導(dǎo)線31連接到傳感器芯片5的接觸墊28。

電聲換能器35集成在傳感器芯片5中，并且在一個實施方式中，包括半導(dǎo)體材料膜37，半導(dǎo)體材料膜37在傳感器芯片5的主體5a中所形成的腔38上方延伸；和剛性金屬背板40，其電容性耦合到膜37。背板40設(shè)置有孔，并且在腔38的相對側(cè)上與膜37并排設(shè)置。腔38在一側(cè)上由膜37界定，并且在相對側(cè)上面對聲音端口11。

換言之，傳感器芯片5耦合到襯底2，使得膜37借助聲音端口11與由襯底2和蓋3形成的封裝結(jié)構(gòu)的外部聲連通。在一個實施方式中，傳感器芯片5的中心在聲音端口11附近。

傳感器芯片5經(jīng)由膠(具體地，環(huán)氧膠)粘合層23耦合到襯底2的核心7。粘合層23在阻擋環(huán)18與內(nèi)保護(hù)環(huán)17之間延伸。這樣，阻擋環(huán)18防止粘合環(huán)16被粘合層23的膠污染，因為其充當(dāng)膠的阻擋物。如果膠污染了粘合環(huán)16，則這將危害焊膏的粘合，由此造成蓋3的不完全焊接或麥克風(fēng)的故障，甚至蓋3可能的脫離。

內(nèi)保護(hù)環(huán)17防止粘合層23的膠朝向構(gòu)成聲音端口11的孔流動和流到該孔中。由此，根據(jù)本公開的一個方面，粘合層23的膠保持被限制在阻擋環(huán)18與內(nèi)保護(hù)環(huán)17之間。

本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使得能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的的內(nèi)保護(hù)環(huán)17的厚度包括在15μm與25μm之間，例如，20μm，沿軸X的方向測量得的寬度至少30μm。

類似地，阻擋環(huán)18具有防止焊膏區(qū)域22的焊膏朝向傳感器芯片5流動的功能。實際上，如果焊膏污染傳感器芯片5和控制芯片6所在的區(qū)域，則這可能導(dǎo)致該區(qū)域中存在的電接觸(例如，焊線)之間的短路；過量焊膏甚至可能在傳感器芯片(由此損壞振動膜)和控制芯片(由此損壞控制芯片)上方延伸。

出于該目的，溝槽19具有容納可能從粘合環(huán)16朝向聲學(xué)室4的內(nèi)部滴下的可能過量的焊膏的功能?？赡苓^量的焊膏由此維持陷在溝槽19內(nèi)，而無法流到阻擋環(huán)18之外。

阻擋環(huán)18具有包括在15μm與25μm之間(例如，20μm)的厚度。

微機(jī)電麥克風(fēng)1的性能的改進(jìn)可以使用更大尺寸(即，設(shè)置有靈敏度增大的更廣闊的膜)的傳感器芯片5來獲得。在該背景下，形成微機(jī)電麥克風(fēng)的所有元件的相互尺寸非常重要。例如，必須小心地監(jiān)測溝槽19和25的寬度，這是因為如果部分變窄，則相應(yīng)溝槽19、25可能不再能夠有效分別容納焊膏22和粘合層23的膠。具體地，應(yīng)當(dāng)注意，例如，針對常用制造工藝，正常程序是向粘合環(huán)16提供一些或所有倒圓角部，如可以在圖1中的虛線圍繞的區(qū)域33中所看到的。為了保持阻擋環(huán)18與結(jié)合環(huán)16之間的恒定距離(使得由溝槽19提供的保護(hù)作用沿著整個阻擋物19有效)，根據(jù)本公開的一個方面，阻擋環(huán)18也制作有倒圓角部，至少是對應(yīng)于粘合環(huán)16的倒圓角部的倒圓角部。然而，已知類型的傳感器芯片5通常具有帶有尖銳角部5a的四邊形。這造成傳感器芯片5與阻擋環(huán)18之間的距離在傳感器芯片5的角部5a處減小，其中，后者直接面對阻擋環(huán)18的倒圓角部；后果是溝槽25在傳感器芯片5的角部5a處變窄。該類型的變窄可能諸如危害溝槽25容納膠的能力，膠由于溝槽25的組裝期間由傳感器芯片5施加壓力而蔓延到粘合區(qū)域23之外。

為了克服這個問題，不期望的方案是進(jìn)一步增大溝槽25的寬度，然而，這造成微機(jī)電麥克風(fēng)1的尺寸的增大。

根據(jù)本公開的一個方面，上述缺點被圖4例示的類型的微機(jī)電麥克風(fēng)100克服，其中，與圖1-圖3的微機(jī)電麥克風(fēng)1共用的元件由相同的附圖標(biāo)記來指定，并且這里將不進(jìn)一步描述。微機(jī)電麥克風(fēng)100包括多邊形(在這種情況下，是四邊形)傳感器芯片105，由面105b限定，面105b由倒圓角部105a彼此成弧形，倒圓角部105a的曲率半徑等于阻擋環(huán)18存在于對應(yīng)的倒圓角部區(qū)域中的曲率半徑。在這種背景下，術(shù)語“倒圓角部”指示不尖銳的角部，即，由傳感器芯片105的兩面105b的曲線弧形限定。

換言之，根據(jù)圖4的實施方式，傳感器芯片105的外周界以與溝槽25的確切恒定距離遵循阻擋環(huán)18的內(nèi)周界。這樣，溝槽25具有沿著傳感器芯片105的整個周界恒定的寬度(被定義為傳感器芯片105的外周界的點與阻擋環(huán)18的內(nèi)周界的沿著X或沿著Y對齊的各點之間的距離)。

傳感器芯片105的角部105a的倒圓可以以本身已知的方式獲得，例如，經(jīng)由激光切割或等離子體切割。

圖5示出了被設(shè)計為獲得類似優(yōu)點的、替代圖4的實施方式的實施方式。

圖5中例示的是微機(jī)電麥克風(fēng)110，其中，與圖3的微機(jī)電麥克風(fēng)1共用的元件由相同的附圖標(biāo)記來指定并且不被進(jìn)一步描述。微機(jī)電麥克風(fēng)110包括具有倒角角部115a的傳感器芯片115。與圖4的實施方式不同，在這種情況下，傳感器芯片115的角部115a不被倒圓，而經(jīng)由例如激光切割或等離子體切割來切割。由此，與圖4的實施方式相同，在切割之后，角部115a具有大致平面但不被倒圓的倒角區(qū)域。

在本公開的背景下，術(shù)語“倒角角部”指示不尖銳但被切割(即，具有兩個相鄰面115b之間的平面弧形)的角部。

執(zhí)行角部的倒角，使得在加工步驟結(jié)束時，溝槽25在倒角角部115a處具有與沿著傳感器芯片115的側(cè)向面115b的寬度相同或更大的寬度。

圖6示出了本公開的另一實施方式。在這種情況下，微機(jī)電麥克風(fēng)120具有傳感器芯片125，其中，僅對角部的一部分125a進(jìn)行倒角或切割，尤其是從襯底2(即，從傳感器芯片125的底面)開始沿著Z延伸并且不到達(dá)傳感器芯片125的頂面的底部。例如，對角部的延伸的一半進(jìn)行切割，使得下半部分具有經(jīng)倒角或一般地經(jīng)切割的區(qū)域125a，并且上半部分相對于圖3的情況不存在任何差異(上半部分是尖銳的角部)。切割或倒角僅對傳感器芯片125的角部進(jìn)行。部分切割的特性類似于關(guān)于圖5描述的特性。

圖7示出了本公開的另一實施方式。在這種情況下，微機(jī)電麥克風(fēng)130具有傳感器芯片135，其中，與圖7的情況相同，僅倒角或切割邊緣135a的一部分，尤其是底部。然而，在該實施方式中，傳感器芯片135被進(jìn)一步加工，以便去除傳感器芯片135不僅在角部135a上還在側(cè)向面135b上的周界部分。由此，形成有從底面開始沿著傳感器芯片135的整個周界延伸的側(cè)向蝕刻結(jié)構(gòu)136，其耦合到傳感器芯片135的襯底2而不到達(dá)傳感器芯片135的頂面。這樣，傳感器芯片135的底面的面積小于其頂面的面積。傳感器芯片135由此是蘑菇形，其中，傳感器芯片135的頂面的面積大于傳感器芯片135的底面的面積。具體地，頂面的面積大于底面的面積5％-25％；更具體地，其大于底面的面積15％。

傳感器芯片135的整個周界的倒角在傳感器芯片135的下半部分中(即，在傳感器芯片135的與襯底2接觸的部分中)執(zhí)行，以便不減小或損壞容納膜的芯片135的頂部。這樣，可以使用傳感器芯片135，該傳感器芯片135具有寬靈敏區(qū)域(膜)，但具有用于與更小尺寸的襯底2粘合的基底，并且在任何情況下，都不會將溝槽25的寬度減小到超過設(shè)計階段中固定的最小值。

圖8是圖7的微機(jī)電麥克風(fēng)130的側(cè)向截面圖。如可以從圖8注意到的，傳感器芯片135的側(cè)向蝕刻結(jié)構(gòu)136沿著Z延伸大于阻擋環(huán)18的沿著Z的厚度的高度。這樣，傳感器芯片135的在蝕刻結(jié)構(gòu)136外部的側(cè)向部分可以在溝槽25上方延伸(在頂部覆蓋溝槽25)并且還可以在阻擋環(huán)18上方，而不影響溝槽25適當(dāng)保留可能在粘合區(qū)域23之外的任何膠的能力。

圖1-圖3的微機(jī)電麥克風(fēng)1以及根據(jù)各個實施方式的微機(jī)電麥克風(fēng)100、110、120和130的制造可以以以下描述的方式來進(jìn)行。初始地，外金屬層8、內(nèi)金屬層9和焊接掩膜10用光刻工藝來限定，以獲得外部接觸12、內(nèi)部接觸15、粘合環(huán)16、內(nèi)保護(hù)環(huán)17和阻擋環(huán)18。然后，粘合層23通過在期望設(shè)置傳感器芯片5的區(qū)域中在內(nèi)保護(hù)環(huán)17與阻擋環(huán)18之間涂膠來形成。粘合層(未例示)在期望定位控制芯片6的區(qū)域中設(shè)置在焊接掩膜10上。然后，后者經(jīng)由粘合層被粘合到焊接掩膜10。而且，傳感器芯片5被接合到之前所涂的膠層中的襯底2。最后，芯片焊線30設(shè)置在控制芯片6與內(nèi)部電極15之間，并且鍵合導(dǎo)線31設(shè)置在控制芯片6與傳感器芯片5之間。然后，蓋3被接合到襯底2的粘合環(huán)16，以獲得根據(jù)各個實施方式的圖1或圖4-圖7的結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖4-圖7的實施方式，傳感器芯片5在與襯底2粘合的步驟之前被加工。如之前所提到的，可以經(jīng)由激光切割或等離子體切割或經(jīng)由本身已知的光刻和選擇性化學(xué)蝕刻步驟來成形傳感器芯片5。

圖9中例示的是包含根據(jù)之前描述的任意一個實施方式的微機(jī)電麥克風(fēng)的電子系統(tǒng)200。

電子系統(tǒng)200可以是任意類型的電子裝置(具體是自主供給的便攜式裝置)，諸如，以非限制性示例的方式，蜂窩電話、便攜式計算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)、多媒體閱讀器、用于視頻游戲的便攜式裝置、用于計算機(jī)或視頻游戲的控制臺的動作激活的用戶接口、衛(wèi)星導(dǎo)航裝置等。在圖9的實施方式中，電子系統(tǒng)200是蜂窩電話。

微機(jī)電麥克風(fēng)1、100、110、120、130可以耦合到音頻模塊201的數(shù)據(jù)獲取接口202。

電子系統(tǒng)200可以還包括殼體203，其剛性地耦合到碰撞傳感器204、控制單元205、存儲模塊206、耦合到天線208的射頻通信模塊207、屏幕210、拍攝裝置212、串行連接端口213(例如，USB端口)和用于自主供給的電池215。

控制單元205與微機(jī)電麥克風(fēng)1、100、110、120、130合作，例如借助音頻模塊201交換信號。

實施方式中由之前描述的發(fā)明提供的優(yōu)點是顯而易見的。

具體地，本申請人發(fā)現(xiàn)如果給定相同的尺寸，則可以獲得性能上的改進(jìn)(與已知類型的微機(jī)電麥克風(fēng)相比)，或者，另選地，以更小的封裝獲得與已知類型的微機(jī)電麥克風(fēng)相同的性能。具體地，通過如圖4至圖8描述和例示的成形傳感器芯片5，可以相對于已知方案增大靈敏區(qū)域(即，含有膜的傳感器芯片5的區(qū)域)近似25％，而不增大由此獲得的微機(jī)電麥克風(fēng)的整體尺寸。

最后，顯而易見的是，修改和變型可以對這里描述的微機(jī)電麥克風(fēng)進(jìn)行，而不偏離如所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍。

例如，根據(jù)可以應(yīng)用于所描述的任意一個實施方式的變體，阻擋環(huán)18是U形并且延伸以便在三面(除了傳感器芯片直接面對焊接掩膜10的那面之外)上圍繞傳感器芯片。粘合區(qū)域23朝向焊接掩膜10的膠的可能擴(kuò)展不危害微機(jī)電麥克風(fēng)的性能。在這種情況下，圖7和圖8的實施方式的蝕刻結(jié)構(gòu)136可以延伸到傳感器芯片135的三個面(即，蝕刻結(jié)構(gòu)136是U型的)，即，蝕刻結(jié)構(gòu)136延伸到傳感器芯片135直接面對U性阻擋物的面，并且不直接面對傳感器芯片135側(cè)的焊接掩膜10。