DE112015000379T5

DE112015000379T5 - Zwischenlage für ein MEMS-an-Lid-Mikrofon

Info

Publication number: DE112015000379T5
Application number: DE112015000379.7T
Authority: DE
Inventors: Joshua Watson; Gregory Servis; John Szczech
Original assignee: Knowles Electronics LLC
Current assignee: Knowles Electronics LLC
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2016-09-29
Also published as: KR20160096207A; US20150195659A1; WO2015105969A1; CN105900237A; US9307328B2

Abstract

Ein Mikrofon umfasst eine Zwischenlage, ein Lid, und eine Basis. Die Zwischenlage umfasst zumindest einem Wandabschnitt, der eine Aussparung bildet. Der Wandabschnitt umfasst eine erste Seite und eine zweite Seite, die einander gegenüber liegen. Das Lid ist mit der ersten Seite der Zwischenlage gekoppelt, und die Basis ist mit der zweiten Seite der Zwischenlage gekoppelt, so dass das Lid und die Basis die Aussparung einschließen. Ein Mikroelektromechaniksystem-(MEMS)-Gerät ist in der Aussparung angeordnet. Die Zwischenlage stützt strukturell eines oder beide aus dem Lid und der Basis. Die Zwischenlage umfasst eine Vielzahl von metallisierten Bereichen, die dazu eingerichtet sind, um das Lid und die Basis elektrisch zu verbinden. Die metallisierten Bereiche sind dazu eingerichtet, um zumindest teilweise freigelegt und zu der Aussparung hin offen zu sein.

Description

Querbezug zu verwandter Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/925359 mit dem Titel „Zwischenlage für ein MEMS-an-Lid-Mikrofon“, die am 9. Januar 2014 eingereicht wurde, und deren vollständigen Inhalte durch Bezugnahme in deren Gesamtheit hierin enthalten sind.
Technisches Gebiet
Diese Anwendung bezieht sich auf MEMS-Mikrofone und insbesondere auf deren Konstruktion.
Hintergrund der Erfindung
Verschiedene Arten von Akustikgeräten sind über die Jahre verwendet worden. Ein Beispiel eines Akustikgeräts ist ein Mikrofon. Im Allgemeinen wandelt ein Mikrofon Tonwellen in ein elektrisches Signal um. Mikrofone umfassen manchmal mehrere Komponenten, die Mikroelektromechaniksystemkomponenten (MEMS, micro-electro-mechanical system) und integrierte Schaltkreise (beispielsweise anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs)) aufweisen.
Die akustische Leistungsfähigkeit einer Mikrofonzusammenstellung bezieht sich teilweise auf das Verhältnis eines Vordervolumens (das heißt, des Volumens von Luft zwischen der Membran und der Akustiköffnung) zu einem Hintervolumen (das heißt, dem Volumen der von der Paketaussparung und der Membran umfassten Luft) der Zusammenstellung. Bei typischen Oberendöffnungsgeräten sind die Komponenten direkt an dem Substrat oder der Basis befestigt, und die Akustiköffnung ist an dem Oberende oder Lid (Deckel, Kappe) angeordnet, wodurch das Vordervolumen relativ zu dem Hintervolumen groß gemacht wird. Dies ist nicht das bevorzugte Verhältnis, das für eine optimale Leistungsfähigkeit (das heißt, hohe Sensitivität, flache Breitbandantwort) einer Mikrofonzusammenstellung benötigt wird.
Bei anderen Konfigurationen werden MEMS-Komponenten an dem Lid der Zusammenstellung anstelle von an der Basis angeordnet. In diesem Fall muss ein leitfähiger Pfad gebildet werden, so dass durch die MEMS-Komponente erzeugte elektrische Signale das Äußere erreichen können (mittels leitfähiger Plättchen an der Basis). Sobald die elektrischen Signale die äußeren leitfähigen Plättchen erreichen, können diese Signale durch Abnehmerschaltungsanordnungen wie in Mobiltelefonen, Computern, oder anderen Geräten, in denen das Mikrofon untergebracht ist, gefundene Schaltungsanordnungen verwendet werden.
MEMS-Mikrofone werden typischerweise in Geräten wie Mobiltelefonen und Arbeitsplatzcomputern (personal computer) angeordnet. Es ist wünschenswert, diese Geräte so klein wie möglich zu gestalten. Entsprechend ist es wünschenswert, die MEMS-Mikrofone so klein wie möglich zu gestalten.
Weitere Miniaturisierung und Kostenreduktion von MEMS-Mikrofonen unter Verwendung von MEMS-an-Lid-Konfigurationen ist herausfordernd, da die Wand metallisierte Durchkontaktierungen enthält, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Lid und der Basis des Mikrofons herzustellen. Die Durchkontaktierungen benötigen beachtlichen Platz bei dem Substrat (PCB) und lassen wenig zusätzlichen Raum für den Aussparungsbereich, der verwendet wird, um den MEMS-Chip und die integrierten Schaltkreise aufzunehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein kompletteres Verständnis der Offenbarung soll auf die folgende detaillierte Beschreibung und die anhängenden Zeichnungen Bezug genommen werden, wobei
1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Beispiels einer Zwischenlage gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung enthält,
2 eine perspektivische Ansicht der Zwischenlage der 1 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung enthält,
3 ein seitliches Schnittbild des Strompfads der Vorrichtung der 1 und der 2 entlang den Linien A-A der 1 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung enthält,
4 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Beispiels einer Zwischenlage gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung enthält, und
5 eine perspektivische Ansicht eines dritten Beispiels einer Zwischenlage gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung enthält.
Fachleute werden verstehen, dass Elemente in den Figuren der Einfachheit und Klarheit halber veranschaulicht sind. Es wird ferner verstanden, dass bestimmte Aktionen und/oder Schritte in einer bestimmten Reihenfolge eines Auftretens beschrieben oder dargestellt sein können, während jene Fachleute verstehen werden, dass eine solche Bestimmtheit bezüglich einer Sequenz tatsächlich nicht benötigt ist. Es wird ebenso verstanden, dass die hierin verwendeten Begriffe und Ausdrücke die gewöhnliche Bedeutung haben, die solchen Begriffen und Ausdrücken bezüglich deren jeweiligen Untersuchungs- und Studiengebieten zugeordnet ist, außer wenn bestimmte Bedeutungen hierin anderweitig dargelegt sind.
Detaillierte Beschreibung
Ansätze sind beschrieben, die eine in MEMS-Mikrofonen eingesetzte Zwischenlage vorsehen. Die Zwischenlage besteht gemäß einem Aspekt aus einer metallisierten (plattierten) Wand, bei der die Metallisierung dem Inneren des Mikrofons zugewandt sind. Mit „metallisiert“ wird gemeint, dass Oberflächen unter Verwendung eines stromlosen Metallisierungsprozesses eine Metallisierung zugefügt ist. Die Zwischenlage dient als eine strukturelle Stütze für das Mikrofon und wird auch als ein Elektrostrompfad verwendet. Die Zwischenlage kann an der gleichen Oberfläche wie eine Mikroelektromechaniksystem-(MEMS)-Komponente und/oder ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) sein. Eine Drahtbondverbindung kann zwischen der MEMS-Komponente und dem ASIC verwendet werden.
Die hierin beschriebenen Ansätze sind insbesondere auf MEMS-an-Lid-Mikrofon-Konfigurationen anwendbar. Mit MEMS-an-Lid ist gemeint, dass die MEMS-Komponente an dem Lid (oder der Abdeckung) des Geräts anstelle von an der Basis (oder dem Substrat) angeordnet ist. Die Basis (oder das Substrat) umfasst typischerweise Leiterbahnen oder andere leitfähige Pfade für die zu übertragenden elektrischen Signale.
Bei vielen dieser Ausführungsbeispiele umfasst ein Mikrofon eine Zwischenlage, ein Lid (Deckel, Kappe) und eine Basis. Die Zwischenlage umfasst zumindest einen Wandabschnitt, der eine Aussparung bildet. Der Wandabschnitt umfasst eine erste Seite und eine zweite Seite, die einander gegenüber liegen. Das Lid ist mit der ersten Seite der Zwischenlage gekoppelt, und die Basis ist mit der zweiten Seite der Zwischenlage gekoppelt, so dass das Lid und die Basis die Aussparung einschließen. Ein Mikroelektromechaniksystem-(MEMS)-Gerät ist in der Aussparung angeordnet. Die Zwischenlage unterstützt strukturell eines oder beide aus dem Lid und der Basis. Die Zwischenlage umfasst eine Vielzahl von metallisierten Bereichen, die dazu eingerichtet sind, um das Lid und die Basis elektrisch zu verbinden. Die metallisierten Bereiche sind dazu eingerichtet, um zumindest teilweise freigelegt und zu der Aussparung hin offen zu sein.
Bei einigen Beispielen umfasst der zumindest eine Wandabschnitt eine erste Wand und eine zweite Wand, und die Vielzahl von metallisierten Bereichen umfasst einen ersten metallisierten Bereich, der an der ersten Wand angeordnet ist, und einen zweiten metallisierten Bereich, der an der zweiten Wand angeordnet ist. Bei anderen Beispielen umfasst das Mikrofon ferner einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), der in der Aussparung angeordnet ist.
Bei anderen Aspekten ist das MEMS-Gerät an das Lid gekoppelt. Bei einigen Beispielen umfasst das Lid eine mehrschichtige FR-4-Leiterplatine. Bei anderen Beispielen umfasst die Basis eine Leiterplatine, die zumindest teilweise aus einem isolierenden Material konstruiert ist.
Bei weiteren anderen Aspekten umfasst die zumindest eine Wand ein RF-Schild. Das RF-Schild oder, um zwei Beispiele zu nennen, ein Faraday-Schild oder Faraday-Plättchen. Bei weiteren anderen Aspekten umfasst der zumindest eine Wandabschnitt eine erste Wand und eine zweite Wand, und die Vielzahl von metallisierten Bereichen umfasst einen ersten metallisierten Bereich, der an der ersten Wand angeordnet ist, und ein RF-Schild ist an der zweiten Wand angeordnet. Bei weiteren anderen Beispielen ist durch das Lid eine Öffnung angeordnet.
Bezugnehmend auf 1, 2, und 3 wird nun ein Beispiel einer Mikrofonzusammenstellung 100 beschrieben. Die Mikrofonzusammenstellung 100 umfasst eine Zwischenlage (Interposer) 102. Die Zwischenlage umfasst eine Wand 104 und eine leitfähige Metallisierung 127. Die Mikrofonzusammenstellung 100 umfasst ein Lid (Deckel, Kappe) 108, eine Mikroelektromechaniksystem-(MEMS)-Komponente 110, und einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) 112. Eine Öffnung 114 erstreckt sich durch das Lid 108. Ein elektrischer Pfad 126 erstreckt sich von der MEMS-Komponente 110, durch einen Draht 116, zu dem ASIC 112, durch einen Draht 118, zu einem leitfähigen Plättchen 120, durch die leitfähige Metallisierung 127 an der Zwischenlage 102, durch eine leitfähige Durchkontaktierung 122, und zu externen leitfähigen Plättchen 124, die sich an einer Basis 125 befindet. Die externen leitfähigen Plättchen 124 koppeln zu Abnehmerelektronikkomponenten, beispielsweise in Mobiltelefonen oder Arbeitsplatzcomputern gefundenen Komponenten, um zwei Beispiele zu nennen. Die leitfähige Metallisierung 127 ist zu der inneren Aussparung der Mikrofonzusammenstellung 100 freigelegt.
Die MEMS-Komponente 110 umfasst eine Membran und eine Rückplatte. Die MEMS-Komponente 110 wandelt (über die Öffnung 114 empfangene) Tonenergie in ein elektrisches Signal um. Der ASIC 112 verarbeitet das elektrische Signal, beispielsweise mittels Durchführung von Verstärkungs- oder Rauschentfernungsfunktionen.
Es wird verstanden, dass die hierin beschriebene Mikrofonzusammenstellung 100 ein MEMS-an-Lid-Mikrofon ist, bei dem die MEMS-Komponente (und möglicherweise das ASIC) mit dem Lid der Mikrofonzusammenstellung statt mit der Basis verbunden ist. Das Lid 108 ist aus einer mehrschichtigen FR-4-Leiterplatine (PCB, printed circuit board, Leiterplatine) konstruiert. Die Basis 125 kann gemäß einem Aspekt eine Leiterplatine sein, oder kann aus einem elektrisch isolierenden Material konstruiert sein. Laserdirektstrukturierung kann verwendet werden, um die leitfähige Metallisierung 127 zu erzeugen und zu konstruieren.
Insbesondere bezugnehmend auf 3 wird nun der Strompfad von der MEMS-Komponente zu dem ASIC beschrieben. Wie beschrieben sind die MEMS-Komponente 110 und der ASIC 112 an dem Lid 108 der Mikrofonzusammenstellung 100 angeordnet. Der elektrische Pfad 126 ist dazu eingerichtet, um elektrische Signale von der MEMS-Komponente 110, die durch den ASIC 112 verarbeitet sind, zu einem Äußeren der Mikrofonzusammenstellung 100 zu übertragen, wo die elektrischen Signale durch Abnehmerausrüstung weiter verwendet und verarbeitet werden können. Beispielsweise wird verstanden, dass die Mikrofonzusammenstellung 100 in einem Gerät wie einem Mobiltelefon oder einem Arbeitsplatzcomputer eingesetzt werden kann. Andere Beispiele sind möglich.
Die Zwischenlage (Interposer) 102 ist mit einer ersten Schicht aus Metall 132 (beispielsweise Kupfer) und einer zweiten Schicht aus Metall 134 (beispielsweise Kupfer) metallisiert. Die Zwischenlage 102 ist auch aus einem elektrisch isolierenden Material 136 konstruiert. Die Zwischenlage 102 bildet eine Aussparung 131. Die MEMS-Komponente 110 und der ASIC 112 werden in der Aussparung angeordnet, wenn die Mikrofonzusammenstellung 100 zusammengebaut wird.
Der elektrische Pfad 126 erstreckt sich von der MEMS-Komponente 110, durch den Draht 116, zu dem ASIC 112, durch den Draht 118, zu dem leitfähigen Plättchen 120, durch die Zwischenlage 102, durch eine leitfähige Durchkontaktierung 122, und zu externen leitfähigen Plättchen 124. Es wird verstanden, dass die verschiedenen in den Figuren hierin gezeigten Teile mittels elektrischen Lötmittels 128 verbunden oder miteinander gekoppelt sind.
Es kann erkannt werden, dass die Zwischenlage 102 eine strukturelle Stütze für die Mikrofonzusammenstellung 100 ist, und dass sie verwendet ist, um den Elektrostrompfad 126 bereitzustellen. Es kann ferner erkannt werden, dass die Zwischenlage 102 an der gleichen Oberfläche (das heißt, einer Oberfläche des Lids 108) wie die MEMS-Komponente 110 und der ASIC 112 ist. Kein zusätzlicher Epoxidprozess wird benötigt, um ein akustisches Siegel zwischen der Zwischenlage 102 und dem Lid 108 oder der Zwischenlage 102 und der Basis 125 bereitzustellen, weil die Ober- und Unteroberflächen einen lötbaren Ring einer Metallisierung aufweisen, die mit Lötmittel nach einem Wiederaufschmelzen (reflow) versiegelt sind.
Bezugnehmend auf 4 wird nun ein anderes Beispiel einer Zwischenlage 400 beschrieben. Die Zwischenlage 400 umfasst Wandabschnitte 402. Die Zwischenlage 400 bildet eine Aussparung 405, in der die internen Komponenten eines Mikrofons eingesetzt sind. Es wird verstanden, dass die Zwischenlage 400 zwischen einem Lid (Deckel, Kappe) und einer Basis (oder einem Substrat) positioniert ist und auf dieselbe Weise relativ zu diesen Komponenten angeordnet sein kann, wie die Zwischenlage 102 der 1 zwischen dem Lid 108 und der Basis 125 positioniert ist. Faraday-Plättchen 408 sind an den Wandabschnitten 402 angeordnet. Der Zweck der Faraday-Plättchen 408 ist es, eine verbesserte RF-Störfestigkeit bereitzustellen.
Leitfähige Metallisierung 404 befördert Signale zwischen der MEMS-Komponente (an dem Lid) und externen Geräten (mit einem Plättchen an der Basis gekoppelt). Im Gegensatz zu dem in den 1 bis 3 gezeigten Beispiel ist die Metallisierung hier an elektrisch isolierendem Material 406 angebracht, das die Wandabschnitte 402 bildet.
Die Zwischenlagenkonfiguration der 4 erhöht das Volumen der Aussparung 405 signifikant, da alle elektrischen Verbindungen entlang der inneren Oberfläche der Zwischenlage verlaufen. Bei einigen Beispielen ist das Aussparungsvolumen verglichen mit vorherigen Mikrofonen um 47% erhöht. Bei einigen Aspekten werden zusätzliche Epoxidprozesse benötigt, um ein akustisches Siegel zwischen der Zwischenlage und dem Lid und der Basis-PCB zu erzeugen, weil es Lücken zwischen den Lötverbindungsbereichen gibt, die die Lid-, Zwischenlagen-, und Basis-PCB-Oberflächen verbinden.
Bezugnehmend auf 5 wird nun ein anderes Beispiel einer Zwischenlage 500 beschrieben. Die Zwischenlage 500 umfasst einen Wandabschnitt 502, eine Aussparung 504, leitfähige Metallisierung 506, und ein Hufeisen-Faraday-Schild 508. Der Zweck des Faraday-Schilds 508 ist es, die RF-Störfestigkeit zu verbessern.
Es wird verstanden werden, dass die Zwischenlage 500 zwischen einem Lid (Deckel, Kappe) und einer Basis (oder einem Substrat) positioniert ist und auf dieselbe Weise relativ zu diesen Komponenten angeordnet sein kann, wie die Zwischenlage 102 der 1 zwischen dem Lid 108 und der Basis 125 positioniert ist.
Die leitfähige Metallisierung 506 befördert Signale zwischen der MEMS-Komponente (an dem Lid) und externen Geräten (mit einem Plättchen an der Basis gekoppelt). Im Gegensatz zu dem in den 1 bis 3 gezeigten Beispiel ist die Metallisierung hier an elektrisch isolierendem Material 510 angebracht, das die Wandabschnitte 502 bildet.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung einschließlich der den Erfindern bekannten besten Betriebsart zur Ausführung der Erfindung sind hierin beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass die veranschaulichten Ausführungsbeispiele nur exemplarisch sind, und nicht als den Bereich der Erfindung beschränkend berücksichtigt werden sollten.

Claims

Mikrofon, mit einer Zwischenlage einschließlich zumindest einem Wandabschnitt, der eine Aussparung bildet, wobei der Wandabschnitt eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite und die zweite Seite einander gegenüber liegen, einem mit der ersten Seite der Zwischenlage gekoppelten Lid, einer mit der zweiten Seite der Zwischenlage gekoppelten Basis, so dass das Lid und die Basis die Aussparung einschließen, einem Mikroelektromechaniksystem-(MEMS)-Gerät, das in der Aussparung angeordnet ist, so dass die Zwischenlage eines oder beide aus dem Lid und der Basis strukturell stützt, wobei die Zwischenlage eine Vielzahl von metallisierten Bereichen umfasst, die dazu eingerichtet sind, um das Lid und die Basis elektrisch zu verbinden, wobei die metallisierten Bereiche dazu eingerichtet sind, um zumindest teilweise freigelegt und zu der Aussparung hin offen zu sein.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Wandabschnitt eine erste Wand und eine zweite Wand aufweist, und wobei die Vielzahl von metallisierten Bereichen einen an der ersten Wand angeordneten ersten metallisierten Bereich und einen an der zweiten Wand angeordneten zweiten metallisierten Bereich umfasst.
Mikrofon nach Anspruch 1, ferner mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), der in der Aussparung angeordnet ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei das MEMS-Gerät mit dem Lid gekoppelt ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei das Lid eine mehrschichtige FR-4-Leiterplatine aufweist.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei die Basis eine Leiterplatine aufweist, die zumindest teilweise aus einem isolierenden Material konstruiert ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Wand ein RF-Schild umfasst.
Mikrofon nach Anspruch 7, wobei das RF-Schild ein Faraday-Schild oder Faraday-Plättchen aufweist.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Wandabschnitt eine erste Wand und eine zweite Wand aufweist, und wobei die Vielzahl von metallisierten Bereichen einen an der ersten Wand angeordneten ersten metallisierten Bereich aufweist, und wobei ein RF-Schild an der zweiten Wand angeordnet ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei eine Öffnung durch das Lid angeordnet ist.