JP4837083B2 - 付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサマイクロホンに関し、より詳細には、音響特性を向上させるために付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンに関する。

一般に、移動通信端末機やオーディオなどに広く使用されるコンデンサマイクロホンは、電圧バイアス要素、音圧（Ｓｏｕｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）に対応して変化するキャパシタ（Ｃ）を形成するダイアフラム／バックプレート対、及び出力信号をバッファリングするための接合形電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）からなる。このような伝統的な方式のコンデンサマイクロホンは、一つのケース内に、振動板、スペーサリング、絶縁リング、バックプレート、通電リングを順に挿入した後、最後に回路部品が実装されたＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）を入れて、ケースの端部をＰＣＢ側に曲げて、一つの組立体として完成される。

近年、微細装置の集積化のために使用される技術として、マイクロマシニングを用いる半導体加工技術がある。このような技術は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる。前記ＭＥＭＳ技術によれば、半導体工程、特に、集積回路技術を応用したマイクロマシニング技術を利用して、μｍ単位の超小型センサーやアクチュエータ及び電気機械的構造物を製作することができる。かかるマイクロマシニング技術を利用して製作されたＭＥＭＳチップマイクロホンは、従来の振動板、スペーサリング、絶縁リング、バックプレート、通電リングのような伝統的なマイクロホン部品を超精密微細加工により小型化、高性能化、多機能化、集積化することで、安定性及び信頼性が向上することができるという長所を有する。

図１は、シリコンコンデンサマイクロホンに使用される一般的なＭＥＭＳチップ構造を示す図である。図１に示すように、ＭＥＭＳチップ１０は、シリコンウェハ１４の上にＭＥＭＳ技術を利用してバックプレート１３を形成した後、スペーサ１２を介して振動膜１１が形成された構造を有する。バックプレート１３には音孔１３ａが形成されている。前記ＭＥＭＳチップ１０は、通常のマイクロマシニング技術と半導体チップ製造技術で製造される。

図２は、ＭＥＭＳチップを用いて具現された従来のシリコンコンデンサマイクロホンを示す側断面図である。図２に示すように、従来のシリコンコンデンサマイクロホン１は、ＰＣＢ基板４０にＭＥＭＳチップ１０と特殊目的型半導体（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップ２０を実装した後、音孔３０ａが形成されたケース３０に内蔵し、組み立てて完成する。

しかし、このようなシリコンコンデンサマイクロホン１のバックチェンバ１５は、図２に図示されたように、ＭＥＭＳチップ１０により形成されるが、ＭＥＭＳチップ１０は、半導体チップであってサイズが非常に小さいので、バックチェンバ１５の空間が極めて狭く、それによってマイクロホンの音質が低下する問題点がある。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、音響特性を向上させるために付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンを提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係るマイクロホンは、前方音を流入するための前方音響ホールが形成されたケースと；音響を位相遅延するための音響遅延体と；チェンバ筒と、前記チェンバ筒により形成された付加的なバックチェンバを有するＭＥＭＳチップと、前記ＭＥＭＳチップの駆動のための特殊目的型半導体（ＡＳＩＣ）チップが実装されており、前記ケースとの接合のための導電パターンが形成されており、後方音を流入するための後方音響ホールが形成された基板と；前記ケースを前記基板に固定するための固定手段と；前記固定手段により固定された前記ケースと前記基板の全体接合面に塗布されて、前記ケースと前記基板を接合する接着剤とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、ＭＥＭＳチップの下部に付加的なバックチェンバを形成するためのチェンバ筒を備えて、ＭＥＭＳチップ自体の不足するバックチェンバ空間を拡張して、感度を向上させ、ＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）などのノイズを改善する効果が得られる。

また、本発明に係る指向性シリコンコンデンサマイクロホンは、メインＰＣＢに多様な方式で実装されることができるので、実装空間をコンパクトにすることができる。さらに、ケースをＰＣＢにレーザで溶接して固定した後、接着剤で接合することで、接合の際ケースが固定されて不良が発生せず、接合力が強くて機械的堅固性が向上し、外部雑音にも強い。特に工程費用を節減して全体的な製造原価が大幅下がる効果が得られる。

シリコンコンデンサマイクロホンに使用される一般的なＭＥＭＳチップ構造の例を示す図である。 ＭＥＭＳチップを用いる従来のシリコンコンデンサマイクロホンを示す側断面図である。 本発明に係る付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンの第１実施の形態を示す側断面図である。 本発明に係る付加的なバックチェンバを有するシリコンコンデンサマイクロホンの第２実施の形態を示す側断面図である。 本発明に係る四角筒形状の付加的なバックチェンバの構造を示す図である。 本発明に係る円筒形状の付加的なバックチェンバの構造を示す図である。 本発明の第１実施の形態に係る指向性シリコンコンデンサマイクロホンをメインＰＣＢに実装する例を示す側断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。通常、指向性コンデンサマイクロホンには、音響遅延体が付加されるが、本発明の実施の形態では、音響遅延体が、前方音を流入するケースの前方音響ホールに設けられる場合と、後方音を流入するＰＣＢの後方音響ホールに設けられる場合に区分して説明する。

図３は、本発明に係る付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンの第１実施の形態を示す側断面図であって、音響遅延体１７０が前方音を流入するケースの前方音響ホール１３０ａに設けられた場合を示す。

図３に示すように、本発明の第１実施の形態に係る付加的なバックチェンバ１５２を有する指向性シリコンコンデンサマイクロホン１００は、接続端子１４２、１４４と導電パターン１４１が形成されたＰＣＢ基板１４０の上に付加的なバックチェンバ１５２を形成するためのチェンバ筒１５０と、ＭＥＭＳチップ１１０の電気的信号を駆動するための特殊目的型半導体（ＡＳＩＣ）チップ１２０とを配置実装した後、チェンバ筒１５０の上にＭＥＭＳチップ１１０を付着し、前方音を流入するための前方音響ホール１３０ａが形成されたケース１３０をＰＣＢ基板１４０に付着した構造からなっている。ここで、前方音響ホール１３０ａの内側ケースには、音響遅延体１７０が付着されており、導電パターン１４１と接地接続端子１４４は、スルーホール１４６を介して連結されている。

チェンバ筒１５０は、ＭＥＭＳチップ１１０自体の不足するバックチェンバ空間を拡張して感度を向上させ、ＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）などのノイズを改善するためのものである。チェンバ筒１５０の上面には、ＭＥＭＳチップ１１０により形成されたバックチェンバ１５と付加的なバックチェンバ１５２を連結するための貫通孔１５０ａが形成されている。ＭＥＭＳチップは、図１に図示されたように、シリコンウェハ１４の上にＭＥＭＳ技術を利用してバックプレート１３を形成した後、スペーサ１２を介して振動膜１１が形成された構造からなっている。このとき、チェンバ筒１５０の形状は、四角筒形状、円筒形状などが可能で、材質としては金属やモールド樹脂などが可能である。また、図面には図示されていないが、チェンバ筒１５０には、ＭＥＭＳチップ１１０の電気的信号をＡＳＩＣチップ１２０に伝達するための電気的配線が形成されている。

ＰＣＢ基板１４０には、付加的なバックチェンバを形成するために上面に貫通孔１５０ａが形成されたチェンバ筒１５０と、チェンバ筒１５０の貫通孔１５０ａの上に付着されることによりバックチェンバが拡張されたＭＥＭＳチップ１１０と、ＡＳＩＣチップ１２０とが実装されており、ケース１３０と接触する部分に導電パターン１４１が形成されている。そして、チェンバ筒１５０が実装された位置のＰＣＢ基板１４０に外部の後方音を流入するための後方音響ホール１４０ａが形成されている。ここで、ＰＣＢ基板１４０の後方音響ホール１４０ａの周囲には、メインＰＣＢに実装する時、音波の歪曲を防止するために、音響ホール１４０ａをソルダリング（ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）によりシーリング（ｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ）するためのシーリングパッド１４８が必要によって付加されることができる。参照番号１４８ａは、シーリングパッド１４８により形成された音響ホールを示す。

ケース１３０は、一面が開放された円筒形状または四角筒形状の金属材質の筒であって、底面には外部の前方音を流入するための前方音響ホール１３０ａが形成されており、その端部がＰＣＢ基板１４０の導電パターン１４１と接触している。ケース１３０をＰＣＢ基板１４０に付着する方法によれば、ＰＣＢ基板１４０に形成された導電パターン１４１の上に金属からなるケース１３０を整列し、レーザ溶接或いはスポット溶接などで少なくとも２箇所以上点溶接した後、エポキシなどのような接着剤１６４でケース１３０とＰＣＢ基板１４０の接合部位をシーリングする。参照符号１６２は、溶接点を示す。

以下、上記の第１実施の形態の指向性シリコンコンデンサマイクロホン１００を製造する過程を説明する。まず、ＰＣＢ基板１４０の後方音響ホール１４０ａが付加的なバックチェンバ１５２内部に位置するようにチェンバ筒１５０を付着すると共に、ＰＣＢ基板１４０上にＡＳＩＣチップ１２０を実装する。その後、チェンバ筒１５０の貫通孔１５０ａがＭＥＭＳチップ１１０のバックチェンバ１５内部に位置するように、ＭＥＭＳチップ１１０をチェンバ筒１５０に付着する。

次に、円筒形状や四角筒形状のケース１３０の前方音響ホール１３０ａに音響遅延体１７０を付着し、前記ケース１３０をＰＣＢ基板１４０の導電パターン１４１にレーザで溶接して固定した後、接着剤１６４で円筒形状や四角筒形状のケース１３０をＰＣＢ基板１４０に接合する。ここで、接着剤１６４としては、伝導性エポキシ、非伝導性エポキシ、シルバーペイスト、シリコン、ウレタン、アクリル、クリームソルダなどが可能である。

図３を参照すると、ＰＣＢ基板１４０には、チェンバ筒１５０により形成された付加的なバックチェンバ１５２を有するＭＥＭＳチップ１１０とＡＳＩＣチップ１２０が実装されており、円筒形状や四角筒形状のケース１３０と接触する部分に円形や四角形の導電パターン１４１が形成されている。

ＰＣＢ基板１４０のサイズは、円筒形状や四角筒形状のケース１３０のサイズより大きいので、外部デバイスとの接続のための接続パッドや接続端子を、広いＰＣＢ基板面上に自由に配置することができる。導電パターン１４１は、一般的なＰＣＢ製作工程により銅箔を形成し、ニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）をメッキして形成される。この時、ＰＣＢ基板１４０の代わりに、セラミック基板、フレキシブルＰＣＢ、メタルＰＣＢなどの様々な基板を使用することができる。円筒形状や四角筒形状のケース１３０は、ＰＣＢ基板１４０との接続面が開口されて、その内部にチップ部品を実装できるようになっており、前方音を流入するための前方音響ホール１３０ａが形成されている。ケース１３０の材質としては、黄銅や銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル合金などを使用するが可能で、金や銀メッキして使用することもできる。

前記ケース１３０をＰＣＢ基板１４０の導電パターン１４１に整列し、レーザ加工機（図示せず）を用いて接続部位の一部分の溶接点１６２をレーザ溶接して、ケース１３０とＰＣＢ基板１４０を一次固定した後、接着剤１６４を溶接部位の全体面に塗布して、マイクロホンパッケージを完成する。ここで、「溶接」とは、ケース１３０とＰＣＢ基板１４０が接合する全体面を溶接するのではなく、ケース１３０とＰＣＢ基板１４０を固定するために１箇所以上の多数箇所（好ましくは、２箇所〜４箇所）を点溶接することを意味する。このように溶接によりケース１３０とＰＣＢ基板１４０の間に形成された接合点を溶接点１６２とする。前記溶接点１６２によりケース１３０がＰＣＢ基板１４０に固定されることで、ＰＣＢ基板１４０にケース１３０を接着剤１６４で接着する時や硬化過程でケース１３０が動かなくなって、正しい位置で接合が行われることができる。また、導電パターン１４１は、スルーホール１４６を介して接続端子１４４と連結されており、ここにケース１３０が接着されると、外部雑音の流入を遮断して、雑音の除去が容易な利点がある。

ＰＣＢ基板１４０の底面には、外部デバイスとの連結のための接続端子１４２、１４４が少なくとも二つ以上八つまで形成されることができる。各接続端子１４２、１４４は、スルーホール１４６を介してチップ部品面と通電されることができる。特に、本発明の実施の形態において、接続端子１４２、１４４をＰＣＢ基板１４０の周辺部まで長く形成する場合、露出面を介して電気こてなどを接近させてリワーク作業を容易にすることができる。

本発明の実施の形態では、ケース１３０をＰＣＢ基板１４０に固定する方法として、レーザによる溶接の例を説明したが、ソルダリング、パンチングなどの他の方式によりケース１３０をＰＣＢ基板１４０に固定することもできる。そして、接着剤１６４としては、伝導性や非伝導性エポキシ類、シルバーペイスト、シリコン、ウレタン、アクリル、クリームソルダなどを使用することができる。

図４は、本発明に係る付加的なバックチェンバを有する指向性シリコンコンデンサマイクロホンの第２実施の形態を示す側断面図である。前述したように、第１実施の形態と第２実施の形態とでは、音響遅延体１７０が付着される位置が異なる。すなわち、第１実施の形態では、音響遅延体１７０が前方音を流入するためのケース１３０の前方音響ホール１３０ａに付着されるが、第２実施の形態では、音響遅延体１７０が後方音を流入するためのＰＣＢ基板１４０の後方音響ホール１４０ａに付着される。

よって、第１実施の形態の指向性シリコンコンデンサマイクロホン１００では、外部の音源から前方音響がケースの前方音響ホール１３０ａを経て音響遅延体１７０で位相遅延されてから、ＭＥＭＳチップ１１０に伝達される。一方、第２実施の形態の指向性シリコンコンデンサマイクロホン１００’では、外部音源の後方音響がＰＣＢ基板１４０の後方音響ホール１４０ａを通して流入し、音響遅延体１７０で位相遅延されてから、ＭＥＭＳチップ１１０に伝達される。

このように第２実施の形態の場合は、音響遅延体１７０の位置を除く他の構成は、第１実施の形態と同一なので、繰り返しを避けるためにこれ以上の説明は省略する。

図５は、本発明に係る四角筒形状の付加的なバックチェンバの構造を示す図であり、図６は、本発明に係る円筒形状の付加的なバックチェンバの構造を示す図である。

本発明に係る付加的なバックチェンバ１５２を形成するためのチェンバ筒１５０は、図５及び図６に示すように、四角筒１５０’や円筒１５０”の形状に形成されることができる。四角筒１５０’や円筒１５０”の上側には、ＭＥＭＳチップ１１０の付着により形成されるバックチェンバ１５との通路を形成するための貫通孔１５０ａが形成されている。

このようなチェンバ筒１５０により付加的なバックチェンバ１５２を有するＭＥＭＳチップ１１０とＡＳＩＣチップ１２０が実装されたＰＣＢ基板１４０の上に、様々な形状のケース１３０を付着して、様々な形状のシリコンコンデンサマイクロホンを製造することができる。例えば、本発明の実施の形態におけるケースの形状は、円筒形状、四角筒形状、端部に羽部付きの円筒形状、端部に羽部付きの四角筒形状などが可能である。

このように、メインＰＣＢ基板３１０に指向性シリコンコンデンサマイクロホン１００が実装された全体構造は、図７に示すように、ＰＣＢ基板１４０の中央部分で突出した金属ケース１３０がメインＰＣＢ３１０の挿入ホール３１０ａに挿入されると共に、メインＰＣＢ３１０の接続パッド３２０とマイクロホンの接続端子１４２、１４４がソルダリングにより接続されている形状となっている。

したがって、本発明の実装方式によれば、マイクロホンの基板の上に突出されたケース１３０部分がメインＰＣＢ３１０に形成された挿入ホール３１０ａに挿入されるので、実装後の全体高さが、従来のマイクロホンにおける部品面の反対面に接続端子が形成されてメインＰＣＢの上に実装されるときの全体高さより低くなって、製品の部品実装空間を効率的に使用することができる。

本発明は、ＭＥＭＳチップの下部に付加的なバックチェンバを形成するためのチェンバ筒を備えて、ＭＥＭＳチップ自体の不足するバックチェンバ空間を拡張して、感度を向上させ、ＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）などのノイズを改善する効果を有する。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

１５ バックチェンバ
１００ シリコンコンデンサマイクロホン
１１０ ＭＥＭＳチップ
１２０ ＡＳＩＣチップ
１３０ ケース
１３０ａ 前方音響ホール
１４０ ＰＣＢ基板
１４０ａ 後方音響ホール
１４１ 導電パターン
１４２、１４４ 接続端子
１４６ スルーホール
１４８ シーリングパッド
１４８ａ シーリングパッドにより形成された音響ホール
１５０ チェンバ筒
１５０ａ 貫通孔
１５２ バックチェンバ
１６２ 溶接点
１６４ 接着剤
１７０ 音響遅延体

Claims (13)

1. ケースと、
   該ケースに接続された基板と、
   前記ケースと前記基板によって内部空間を形成することと、
   前記内部空間に配置されたＭＥＭＳチップと、
   該ＭＥＭＳチップが第１のバックチェンバを有することと、
   前記内部空間に配置されたチャンバ筒と、
   前記チャンバ筒が第２のバックチェンバを有することと、
   前記チャンバ筒は前記基板の上に設けられていることと、を有し、
   前記第１のバックチェンバと前記第２のバックチェンバが接続するように、前記ＭＥＭＳチップは前記チャンバ筒に隣接して設けられているシリコンコンデンサマイクロホン。
2. 前記基板に前記ＭＥＭＳチップの駆動のための特殊目的型半導体（ＡＳＩＣ）チップが実装されており、
   前記基板は前記ケースに接続された導電パターンを有しており、
   前記ケースを前記基板に固定する固定手段を有することを特徴とする請求項１記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
3. 前記ケースと前記基板を接合する接着剤を含み、該接着剤は前記固定手段により固定された前記ケースと前記基板の接合面の全体に塗布されていることを特徴とする請求項２記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
4. 前記固定手段は、レーザ又はソルダの溶接により形成された溶接点を有することを特徴とする請求項３に記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
5. 前記接着剤は、伝導性エポキシ、非伝導性エポキシ、シルバーペースト、シリコン、ウレタン、アクリル、クリームソルダのうち何れか一つを含むことを特徴とする請求項３に記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
6. 前記ケースは、円筒形状または四角筒形状を有することを特徴とする請求項１に記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
7. 前記ケースの端部は、直線形状、又は、羽根を形成するように外側に曲がった形状を有することを特徴とする請求項６に記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
8. 前記チャンバ筒は、円筒形状チャンバ筒又は四角筒形状チャンバ筒を有し、
   前記ＭＥＭＳチップの第１のバックチェンバに接続された貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
9. 請求項１に記載のシリコンコンデンサマイクロホンにおいて、前記チャンバ筒は底面と上面を有し、前記底面は前記基板に固定され、前記ＭＥＭＳチップは前記上面に固定され、前記チャンバ筒の上面は、前記ＭＥＭＳチップの第１のバックチェンバに接続された少なくとも１つの貫通孔を有することを特徴とするシリコンコンデンサマイクロホン。
10. 前記基板は、ＰＣＢ、セラミック基板、フレキシブルＰＣＢ、メタルＰＣＢのうち何れか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
11. 前記基板は、外部回路と接続するための装着面に設けた、接続端子を有することを特徴とする請求項１に記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
12. 前記基板と前記ケースの少なくとも一方は音響ホールを有することを特徴とする請求項１に記載のシリコンコンデンサマイクロホン。
13. 前記基板は音響ホールを有し、該音響ホールは、前記チャンバ筒の第２のバックチェンバに接続されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコンコンデンサマイクロホン。

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