基于SISL技术的MEMS麦克风微系统

技术领域

本发明涉及MEMS麦克风微系统技术领域，特别是涉及一种基于SISL技术的MEMS麦克风微系统。

背景技术

微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是将声学信号转换为电学信号的声学传感器。MEMS麦克风具有尺寸小、能承受高温、支持回流焊、可靠性强等优势，在手机、电脑等电子产品中得到广泛应用。

MEMS麦克风封装结构通常包括一个安装有MEMS和ASIC芯片的印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)以及一个采用金属或塑料的外壳，通常在印制电路板或者外壳上设置有进音孔。传统方案基本采用金属或塑料作为外壳，与底层PCB的固定连接以及密闭封装也需要额外的加工工序，同时也面临一定的接地、电磁干扰以及噪声问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于SISL技术的MEMS麦克风微系统，通过周边金属化通孔的电磁屏蔽作用以及多层板的有效共地，有效降低麦克风的噪声。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于SISL技术的MEMS麦克风微系统，包括自上而下叠放在一起的三层介质基板，每层介质基板的上表面及下表面分别设置有金属层，贯穿介质基板的金属化通孔，将不同金属层的局部信号导带或者信号地进行互相连接：三层介质基板中的中间介质基板局部镂空切除，从而在三层介质基板内部形成空气腔体，ASIC芯片、MEMS麦克风、去耦电容元件内置于空气腔体中；MEMS麦克风与ASIC芯片通过金丝键合线连接，ASIC芯片与底层介质基板上表面金属层上的信号导带连接；MEMS麦克风置于底层介质基板上的形成的进音孔的上方。

其中，每层金属层包括有外周金属地层，六层外周地金属层通过贯穿六层外周地金属层的周边布置的第一金属化通孔实现信号地相连接，形成共地。

其中，顶层介质基板上表面金属层的外周金属层为“王”字型结构，“王”字型结构的三个横部与立部形成四个U形区中分别布置有一个信号线焊盘，该信号线焊盘的外周与外周金属层隔开，该信号线焊盘与顶层介质基板下表面金属层上的金属化导带通过贯穿顶层介质基板的第二金属化通孔相连接；所述第二金属化通孔的底端位于所述空气腔体的顶端。

其中，所述顶层介质基板下表面金属层上的金属化导带为四个，为长条状，沿顶层介质基板的长度方向上一个位置起，由一端向另一端按预设延伸轨迹向两侧靠近延伸且在近信号线焊盘的连接位置后截止后形成，相邻金属化导带沿顶层介质基板的宽度方向上隔开，外侧的两个金属化导带以及内侧的两个金属化导带分别沿顶层介质基板的长度方向轴对称布置。

其中，所述金丝键合线的末端具有末端焊盘，五个所述末端焊盘分别与底层介质基板上表面金属层的外周地金属层、ASIC芯片的SET/LR、CKL、DATA、VDD连接；其中，一个末端焊盘形成于底层介质基板上表面金属层的外周地金属层的矩形框的长度方向的一个内侧所形成的内凸部上，其它四个末端焊盘布沿矩形框的宽度方向间隔排列布置，位于矩形框的内部。

其中，所述去耦电容元件放置于底层介质基板上表面金属层的外周地金属层与相邻的一个末端焊盘之间形成的空隙中。

其中，五个所述末端焊盘各自对应相连有底层介质基板上表面金属层的一个金属导带；底层介质基板上表面金属层的每个金属导带与对应地的中间介质基板下表面金属层上的金属导带相连接。

其中，中间介质基板上表面金属层上的金属导带以及中间介质基板下表面金属层上的金属导带上下垂直对应布置，并通过第三金属化通孔相连接；所述第三金属化通孔贯穿中间介质基板。

其中，中间介质基板上表面金属层上的金属导带以及中间介质基板下表面金属层上的金属导带均为矩形状，数量分别为四个，且沿中间介质基板的宽度方向一字排开、间隔布置

其中，中间介质基板上表面金属层上的金属导带与顶层介质基板下表面金属层相连接。

基于上述的方案可知，本发明所提出的基于SISL技术的MEMS麦克风微系统，利用PCB四周的金属化通孔实现较好的接地效果，同时结合顶层和底层的金属层，具有良好的电磁屏蔽功能，最终能够实现麦克风的有效降噪。

此外，该方案还能够将MEMS麦克风、ASIC芯片以及电容元件都内嵌在空气腔体内，采用多层PCB工艺，相对于传统封装方案，加工成本低、集成度高。

本发明通过多层信号互连走线，实现顶层表贴封装，同时能够维持MEMS麦克风的底部进音的方式，有利于实现更优的麦克风性能。

附图说明

图1是基于SISL的MEMS麦克风封装的横截面视图；

图2是基于SISL的MEMS麦克风封装的三维分解立体示意图；

图3是第一金属层的平面视图(填充部分为金属,空心圆为金属化通孔)；

图4是第二金属层的平面视图(填充部分为金属,空心圆为金属化通孔)；

图5是第三金属层的平面视图(填充部分为金属,空心圆为金属化通孔)；

图6是第四金属层的平面视图(填充部分为金属,空心圆为金属化通孔)；

图7是第五金属层的平面视图(填充部分为金属,空心圆为金属化通孔)；

图8是第六金属层平面视图(填充部分为介质基板,空心圆为金属化通孔)；

图9是第一基板的平面视图(填充部分为介质基板,空心圆为金属化通孔)；

图10是第二基板的平面视图(填充部分为介质基板,空心圆为金属化通孔)；

图11第三基板的平面视图(填充部分为介质基板,空心圆为金属化通孔)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

介质集成悬置线(Substrate Integrated Suspended Line,SISL)是一种新型传输线结构，具有自封装、低成本、高集成度、高性能等优势。本发明基于SISL技术，实现具有低成本、高集成度、高性能的MEMS麦克风微系统，具有重要的意义和极高应用价值。

如图1至图11所示，本发明实施例的基于SISL技术的MEMS麦克风微系统，包括自上而下叠放布置的三层介质基板，分别为第一基板1(顶层介质基板)、第二基板2(中间介质基板)、第三基板3(底层介质基板)，以及六层金属层，分别为第一金属层101、第二金属层102、第三金属层103、第四金属层104、第五金属层105、第六金属层106。

其中，第一金属层101和第二金属层102分别位于第一基板1的上下层，第二金属层103和第三金属层102分别位于第二基板2的上下层，第四金属层105和第五金属层106分别位于第三基板3的上下层，第二金属层102和第三金属层103互相接触，第四金属层104和第五金属层105互相接触。

其中，金属化通孔贯穿至少一层基板，将不同金属层的局部信号导带或者信号地进行互相连接。示例性的，构成第一金属化通孔的第一贯穿基板金属化通孔210、第二贯穿基板金属化通孔220、第三贯穿基板金属化通孔230均为贯穿单层基板的金属化通孔，分别贯穿第一基板1、第二基板2、第三基板3，且该第一贯穿基板金属化通孔210、第二贯穿基板金属化通孔220、第三贯穿基板金属化通孔230同轴布置。

其中，第一金属层101上有第一外周金属地层901，第二金属层102上有第二外周金属地层902，第三金属层103上有第三外周金属地层903，第四金属层104上有第四外周金属地层为904，第五金属层105上有第五外周金属地层905，第六金属层106上有第六外周金属地层906。

其中，第一贯穿基板金属化通孔210将连通第一外周金属地层901和第二外周金属地层902，第二贯穿基板金属化通孔220将连通第三外周金属地层903和第四外周金属地层904，第二贯穿基板金属化通孔230将连通第五外周金属地层905和第六外周金属地层906。

因此，通过第一贯穿基板金属化通孔210、第二贯穿基板金属化通孔220、第三贯穿基板金属化通孔230，能够将六层金属层的信号地互相连接，形成良好的共地效果。此外，贯穿多层的金属化通孔以及顶层和底层的金属层，如第一金属层101和第六金属层106，可以实现一个良好的电磁屏蔽环境。因此，通过周边金属化通孔的电磁屏蔽作用以及多层板的有效共地，能够有效降低麦克风的噪。

示例性的，第二基板2进行局部镂空切除，当三层介质基板压合在一起时，形成空气腔体。ASIC芯片5、MEMS麦克风4、所需要的去耦电容元件6均内置于多层板所形成的空气腔体中。MEMS麦克风4与ASIC芯片5通过金丝键合线8连接，ASIC芯片5与第五金属层105上的信号导带(通过金丝键合线)连接；MEMS麦克风置于进音孔7的正上方。

其中，示例性的，ASIC芯片的金丝键合线的末端焊盘自一侧至另一侧，依次包括有第一末端焊盘91、第二末端焊盘92、第三末端焊盘93、第四末端焊盘94、第五末端焊盘95，相邻末端焊盘间隔布置。其中，第一末端焊盘91将ASIC芯片的地与SISL多层结构的第五外周金属地层905连接起来，第二末端焊盘92、第三末端焊盘93、第四末端焊盘94、第五末端焊盘95分别通过金丝键合线与ASIC芯片的其他管脚SET/LR、CKL、DATA、VDD进行连接。

另外，在第五末端焊盘95与第五外周金属地层905之间有一个空隙61，也就是VDD与外周Ground地之间的空隙，此处将用来放置去耦电容元件6。

其中，在第三基板3上方的第五金属层105上，与第二末端焊盘92、第三末端焊盘93、第四末端焊盘94、第五末端焊盘95各自对应相连有第五层第一金属导带925、第五层第二金属导带935、第五层第三金属导带945、第五层第四金属导带955。此四个金属导带间隔布置，参见图7所示。

由于第四金属层104和第五金属层105接触，因此位于第五金属层105上的第五层第一金属导带925、第五层第二金属导带935、第五层第三金属导带945、第五层第四金属导带955将与它们分别对位的位于第四金属层104上的第四层第一金属导带924、第四层第二金属导带934、第四层第三金属导带944、第四层第四金属导带954互相连接。

其中，第四金属层104上的第四层第一金属导带924、第四层第二金属导带934、第四层第三金属导带944、第四层第四金属导带954，分别对应地通过贯穿第二基板2的第三金属化通孔(如第二基板第一金属化通孔920、第二基板第二金属化通孔930、第二基板第三金属化通孔940、第二基板第四金属化通孔950)与第三金属层103上的第三层第一金属导带923、第三层第二金属导带933、第三层第三金属导带943、第三层第四金属导带953进行一一连通，从而实现第四金属层104上信号线与第三金属层103上信号线的互连。

由于第二金属层102和第三金属层103接触，因此位于第二金属层102上的第二层第一金属导带922、第二层第二金属导带932、第二层第三金属导带942、第二层第四金属导带952将与它们分别对位的位于第三金属层103上的第三层第一金属导带923、第三层第二金属导带933、第三层第三金属导带943、第三层第四金属导带953互相连接，从而实现第三层金属层103上信号线与第二金属层102上信号线的互连。

其中，贯穿第一基板1的第二金属化通孔(如第一基板第一金属化通孔820、第一基板第二金属化通孔830、第一基板第三金属化通孔840、第一基板第四金属化通孔850)，能够分别将第二层第一金属导带922、第二层第二金属导带932、第二层第三金属导带942、第二层第四金属导带952与第一信号线焊盘921、第二信号线焊盘931、第三信号线焊盘941、第四信号线焊盘951进行一一连通，从而实现第二金属层102上信号线与第一金属层101上信号线的互连。

因此，ASIC芯片的4个输出信号管脚最终与多层板顶层的第一金属层101上的第一信号线焊盘921、第二信号线焊盘931、第三信号线焊盘941、第四信号线焊盘951进行连接，而第一信号线焊盘921、第二信号线焊盘931、第三信号线焊盘941、第四信号线焊盘951主要作为表贴焊接时的信号焊盘。此外，第一金属层101上的第一金属地901呈现“王”字形，主要作为表贴焊接时的金属地。四个信号线焊盘分别位于“王”字形的第一金属地901的相邻金属片间形成的U形空间中，因此，在该MEMS麦克风封装完成之后，将其表贴焊接在外部电路板上时，第一金属层101将与外部电路面相接触。

本发明实施例，将MEMS麦克风、ASIC芯片以及去耦电容元件都内嵌在空气腔体内，实现了麦克风的封装结构及微系统。

本发明实施例，其封装结构的顶层将作为最终的表贴焊接面，而底层则是麦克风的进音口。该封装形式有利于麦克风的顶层表贴封装以及同时保持MEMS麦克风的底部进音方案。

本发明将MEMS麦克风、ASIC芯片以及其他分立元器件(如去耦电容元件)，内嵌在SISL的密闭空气腔体内，利用SISL多层PCB的优势，能够实现更好的接地效果。同时，通过多层PCB的互连金属化通孔，可以实现多层信号的互连，集成度更好，所提出的方案也更利于MEMS麦克风的实际使用和表贴焊接。此外，本发明该方案采用成熟的多层PCB工艺，加工成本低。

总之，本发明提出的微系统方案具有接地效果好、电磁屏蔽好等优点，能够有效降低麦克风的噪声。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。