微機電麥克風和電子系統的制作方法

本實用新型涉及改進的微機電麥克風以及包括微機電麥克風的電子系統。

背景技術：

現有技術中已知包括第一芯片和第二芯片的微機電麥克風，第一芯片包含微機電電聲膜換能器，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換成電信號。例如，膜可以電容性地耦合到基準電極。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。控制電路包括信號處理級(例如，電荷放大器電路)和使得能夠進行微機電麥克風的適當操作(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構中，該封裝結構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，并且設置有用于電連接彼此并排設置的第一芯片和第二芯片的連接結構(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構內容納的換能器發送聲信號。

蓋接合到襯底，并且可以具有聲學室的保護和限定雙重功能，并且出于該原因，可以對微機電麥克風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或其他所謂的“可穿戴”電子裝置)的普及，對微機電傳感器的開發和集成的關注逐漸變為更加明顯。在一些情況下，這種產品的開發可能造成難以調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電換能器以滿足用戶的要求。這通常導致微機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電麥克風的尺寸，以有助于尤其是在便攜式系統和可穿戴系統中微機電麥克風的使用。

技術實現要素：

本實用新型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、調和相反需求的改進的微機電麥克風和包括微機電麥克風的電子系統。

根據本實用新型的第一方面，提供了一種微機電麥克風，包括：

-襯底；

-傳感器芯片，其借助自身的底面耦合到襯底并且在與底面相對的自身頂面上集成MEMS電聲換能器；

-控制芯片，其接合到襯底并且可操作地耦合到傳感器芯片；

-粘合環，其圍繞傳感器芯片和控制芯片；以及

-蓋，其經由粘合環耦合到襯底并且形成容納控制芯片和傳感器芯片的聲學室，

微機電麥克風還包括阻擋物，其分別以第一距離和第二距離在粘合環與傳感器芯片之間延伸，用于在粘合環與阻擋物之間限定第一溝槽并在阻擋物與傳感器芯片之間限定第二溝槽。

在一些實施例中，傳感器芯片被成形為具有一個或更多個倒圓角部或倒角角部。

在一些實施例中，角部僅在傳感器芯片的下半部分中被倒角，下半部分包括傳感器芯片的底面，而不包括頂面。

在一些實施例中，阻擋物在倒圓角部處形成具有第一曲率半徑的曲線路徑，并且其中倒圓角部具有等于第一曲率半徑的相應第二曲率半徑。

在一些實施例中，傳感器芯片具有在頂面與底面之間延伸的側壁，傳感器芯片經由底面耦合到襯底并且具有沿著側壁的底部延伸的周界凹部，使得頂面的面積大于底面的面積10％-25％。

在一些實施例中，頂面的面積大于底面的面積15％。

在一些實施例中，周界凹部從底面開始朝向頂面延伸，直到大于阻擋物的厚度的高度，高度是在傳感器芯片的底面與頂面之間測量的。

在一些實施例中，傳感器芯片經由膠層耦合到襯底，第二溝槽形成流出膠層的過量膠的積聚區域。

在一些實施例中，蓋經由焊膏層耦合到粘合環，第一溝槽形成流出焊膏層的過量焊膏的積聚區域。

在一些實施例中，阻擋物具有包括在15μm與25μm之間的厚度。

在一些實施例中，傳感器芯片包括與聲音端口聲學連通的換能構件，聲音端口延伸到襯底中。

在一些實施例中，襯底包括由剛性介電材料的芯片形成的核心，和在核心的固定傳感器芯片和控制芯片的面上的金屬層，第一溝槽和第二溝槽在金屬層中延伸。

在一些實施例中，控制芯片經由焊接掩膜固定到襯底的核心。

本實用新型的第二方面提供了一種電子系統，包括控制單元和可操作地耦合到所述控制單元的、根據本實用新型的第一方面的微機電麥克風。

與已知類型的微機電麥克風相比，如果給定相同的尺寸，則本實用新型的實施例可以獲得性能上的改進，或者，本實用新型的實施例可以以更小的封裝獲得與已知類型的微機電麥克風相同的性能。

附圖說明

為了更好地理解本實用新型，現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是根據本公開的一個實施方式的微機電麥克風的、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的微機電麥克風的側向截面圖；

-圖3是圖1和圖2的微機電麥克風的立體圖；

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

-圖8是圖7的微機電麥克風的側向截面圖；以及

-圖9是包含根據本實用新型的一個實施方式的微機電麥克風的電子系統的簡化框圖。

具體實施方式

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

微機電麥克風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的微機電麥克風1，使得更容易理解微機電麥克風1的內部結構和形成微機電麥克風1本身的元件的相互設置。

襯底2和蓋3經由焊膏區域22一起耦合，并且形成限定內部腔4的封裝結構，內部腔4中容納傳感器芯片5和控制芯片6。蓋3具有保護功能。內部腔4形成微機電麥克風1的聲學室。

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；底部金屬區域8和頂部金屬區域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，并且使得封裝結構(尤其是傳感器芯片5)的內部能夠與外部環境聲耦合。

圖2和圖3中更清楚可見的核心7由具有縱向尺寸和側向尺寸的剛性介電材料(例如，FR4)的芯片限定。具體地，縱向尺寸大于側向尺寸。

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

頂部金屬區域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。頂部金屬區域9中限定的是內部接觸15、沿著核心7的周界延伸的粘合環16、聲音端口11周圍的內保護環17和在粘合環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18。更詳細地，阻擋環18與粘合環16相隔一距離地延伸，由此在阻擋環18與粘合環16之間限定溝槽19。通過溝槽19，核心7的相應表面區域被暴露。

阻擋環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側向延伸。阻擋環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18與粘合環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電耦合到相應金屬材料的外部接觸12(屬于底部金屬區域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，使得內部接觸15直接位于核心7上并且與通孔20直接連接。

內部接觸15由此與襯底2面對蓋3的面上存在的導電結構的剩余部分側向分離。

控制芯片6容納例如，ASIC(在其本身已知的程度內未詳細例示)，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)和使得能夠進行麥克風的適當操作(尤其是關于聲信號的換能)所需的部件。根據圖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具有用于經由第一鍵合導線30連接到內部接觸15和經由第二鍵合導線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，包括半導體材料膜37，半導體材料膜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設置有孔，并且在腔38的相對側上與膜37并排設置。腔38在一側上由膜37界定，并且在相對側上面對聲音端口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形成的封裝結構的外部聲連通。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經由膠(具體地，環氧膠)粘合層23耦合到襯底2的核心7。粘合層23在阻擋環18與內保護環17之間延伸。這樣，阻擋環18防止粘合環16被粘合層23的膠污染，因為其充當膠的阻擋物。如果膠污染了粘合環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的故障，甚至蓋3可能的脫離。

內保護環17防止粘合層23的膠朝向構成聲音端口11的孔流動和流到該孔中。由此，根據本公開的一個方面，粘合層23的膠保持被限制在阻擋環18與內保護環17之間。

本申請人已經發現使得能夠實現上述目的的內保護環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18具有防止焊膏區域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所在的區域，則這可能導致該區域中存在的電接觸(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16朝向聲學室4的內部滴下的可能過量的焊膏的功能。可能過量的焊膏由此維持陷在溝槽19內，而無法流到阻擋環18之外。

阻擋環18具有包括在15μm與25μm之間(例如，20μm)的厚度。

微機電麥克風1的性能的改進可以使用更大尺寸(即，設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，形成微機電麥克風的所有元件的相互尺寸非常重要。例如，必須小心地監測溝槽19和25的寬度，這是因為如果部分變窄，則相應溝槽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，應當注意，例如，針對常用制造工藝，正常程序是向粘合環16提供一些或所有倒圓角部，如可以在圖1中的虛線圍繞的區域33中所看到的。為了保持阻擋環18與結合環16之間的恒定距離(使得由溝槽19提供的保護作用沿著整個阻擋物19有效)，根據本公開的一個方面，阻擋環18也制作有倒圓角部，至少是對應于粘合環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域23之外。

為了克服這個問題，不期望的方案是進一步增大溝槽25的寬度，然而，這造成微機電麥克風1的尺寸的增大。

根據本公開的一個方面，上述缺點被圖4例示的類型的微機電麥克風100克服，其中，與圖1-圖3的微機電麥克風1共用的元件由相同的附圖標記來指定，并且這里將不進一步描述。微機電麥克風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18存在于對應的倒圓角部區域中的曲率半徑。在這種背景下，術語“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18的內周界。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18的內周界的沿著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，經由激光切割或等離子體切割。

圖5示出了被設計為獲得類似優點的、替代圖4的實施方式的實施方式。

圖5中例示的是微機電麥克風110，其中，與圖3的微機電麥克風1共用的元件由相同的附圖標記來指定并且不被進一步描述。微機電麥克風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域。

在本公開的背景下，術語“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。

執行角部的倒角，使得在加工步驟結束時，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，微機電麥克風120具有傳感器芯片125，其中，僅對角部的一部分125a進行倒角或切割，尤其是從襯底2(即，從傳感器芯片125的底面)開始沿著Z延伸并且不到達傳感器芯片125的頂面的底部。例如，對角部的延伸的一半進行切割，使得下半部分具有經倒角或一般地經切割的區域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的角部進行。部分切割的特性類似于關于圖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，微機電麥克風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被進一步加工，以便去除傳感器芯片135不僅在角部135a上還在側向面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向蝕刻結構136，其耦合到傳感器芯片135的襯底2而不到達傳感器芯片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計階段中固定的最小值。

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

圖1-圖3的微機電麥克風1以及根據各個實施方式的微機電麥克風100、110、120和130的制造可以以以下描述的方式來進行。初始地，外金屬層8、內金屬層9和焊接掩膜10用光刻工藝來限定，以獲得外部接觸12、內部接觸15、粘合環16、內保護環17和阻擋環18。然后，粘合層23通過在期望設置傳感器芯片5的區域中在內保護環17與阻擋環18之間涂膠來形成。粘合層(未例示)在期望定位控制芯片6的區域中設置在焊接掩膜10上。然后，后者經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設置在控制芯片6與內部電極15之間，并且鍵合導線31設置在控制芯片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16，以獲得根據各個實施方式的圖1或圖4-圖7的結構。根據圖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，可以經由激光切割或等離子體切割或經由本身已知的光刻和選擇性化學蝕刻步驟來成形傳感器芯片5。

圖9中例示的是包含根據之前描述的任意一個實施方式的微機電麥克風的電子系統200。

電子系統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、攝像機、照相機、多媒體閱讀器、用于視頻游戲的便攜式裝置、用于計算機或視頻游戲的控制臺的動作激活的用戶接口、衛星導航裝置等。在圖9的實施方式中，電子系統200是蜂窩電話。

微機電麥克風1、100、110、120、130可以耦合到音頻模塊201的數據獲取接口202。

電子系統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與微機電麥克風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實用新型提供的優點是顯而易見的。

具體地，本申請人發現如果給定相同的尺寸，則可以獲得性能上的改進(與已知類型的微機電麥克風相比)，或者，另選地，以更小的封裝獲得與已知類型的微機電麥克風相同的性能。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域(即，含有膜的傳感器芯片5的區域)近似25％，而不增大由此獲得的微機電麥克風的整體尺寸。

最后，顯而易見的是，修改和變型可以對這里描述的微機電麥克風進行，而不偏離如所附權利要求中限定的本實用新型的范圍。

例如，根據可以應用于所描述的任意一個實施方式的變體，阻擋環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。粘合區域23朝向焊接掩膜10的膠的可能擴展不危害微機電麥克風的性能。在這種情況下，圖7和圖8的實施方式的蝕刻結構136可以延伸到傳感器芯片135的三個面(即，蝕刻結構136是U型的)，即，蝕刻結構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側的焊接掩膜10。