JP2003078981A - マイクロホン実装回路基板および該基板を搭載する音声処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、マイクロホンを実装する回路基板
や装置の小型化・低コスト化や信頼性の向上を図ること
を目的とする。 【解決手段】 基台１１の中央部に音圧により振動する
振動膜１２を形成するとともに、この振動膜１２の周囲
を囲む支持部１３が背面板１４を支持して振動膜１２に
対面させることにより、振動膜１２と背面板１４との間
に支持部１３を介装して振動膜１２の振動空間Ｓを確保
する積層構造に構成することによって、半導体製造技術
により作製可能でコンデンサ型マイクロホンとして機能
するチップマイクロホン１０を実現し、このチップマイ
クロホン１０をモジュール化して回路基板に実装する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロホン実装
回路基板および該基板を搭載する音声処理装置に関し、
詳しくは、マイクロホンを実装する回路基板や装置の小
型化などを図ることができるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、携帯電話機などの音声処理装
置も他の電子機器と同様に小型化・軽量化が進められて
いる。このような小型の音声処理装置に用いられている
マイクロホンは、コンデンサ型が主流であり、振動膜と
背面板の２枚の極板で形成されている。

【０００３】この種のマイクロホンは、感度、ノイズな
どの性能に優れて、小型化に適しており、例えば、振動
膜と背面板との間にスペーサー（支持部）を介装すると
ともに、ケースに内装することによりモジュール化する
などして回路基板に実装し音声処理装置に搭載されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のマイクロホンにあっては、複数種の部品を組
み立てて作製するため、次のような問題があった。

【０００５】部品の組立工程の精度の制約により、小型
化するのにも限界があることから、携帯電話機等の小型
の電子機器に搭載されている半導体部品などの他のモジ
ュールに比べて、厚さや占有面積も大きくなってしま
い、回路基板の実装密度を高めることの妨げになってい
る。

【０００６】また、部品の材質が個々に異なって、熱膨
張率に差異があることから、実装工程における半田付け
などの複数回の熱処理（２００℃以上）による熱衝撃
で、熱歪みによる変形が生じてしまう。なお、無鉛半田
を用いた実装工程ではさらに高温の２４０〜２６０℃の
熱処理に対する耐性が必要になる。

【０００７】さらに、振動膜やスペーサー絶縁部などに
樹脂材料からなる部品を採用した場合には、バンプ／リ
フローなどのように高温処理を伴う実装工程により一括
処理することができず、効率化を図ることができない。

【０００８】そこで、本発明は、マイクロマシン加工技
術を利用してマイクロホンを作製することにより、実装
回路基板や搭載装置の小型化・低コスト化や信頼性の向
上を図ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
を目的に、本発明は、マイクロホン実装回路基板におい
て、音圧により振動する振動膜と、該振動膜に対面する
背面板と、振動膜と背面板との間に配設されて該振動膜
の振動空間を確保する支持部とを備えて、これら振動
膜、支持部および背面板を積層構造に形成したチップマ
イクロホンをそのまま、あるいは該チップマイクロホン
をパッケージングしたモジュールとして、回路基板に実
装したことを特徴とするものである。

【００１０】この発明では、マイクロホンが、振動膜、
支持部および背面板を積層構造に形成してチップ化され
るので、マイクロマシン加工技術を利用して小型のマイ
クロホンを高精度に作製することができる。したがっ
て、このチップマイクロホンをそのまま、あるいはモジ
ュール化して、高密度に回路基板に実装することができ
る。このことから、ＣＳＰ（チップサイズパッケージン
グ）等の高密度実装にも適用することもできる。

【００１１】ここで、前記チップマイクロホンは、同一
または異質の基板材料を接合して、該基板材料の不要な
部分を取り除くことにより前記振動膜、前記支持部およ
び前記背面板を形成してもよく、また、前記基板材料の
一面側にホウ素を拡散するエッチングストップ層を形成
して、前記振動膜とする部分をエッチングすることによ
り当該振動膜を形成してもよく、さらに、前記支持部は
ホウ素を含んだシリコンの酸化物により形成してもよ
い。

【００１２】また、本発明に係る前記チップマイクロホ
ンは、シリコンとシリコンの化合物とを用いて半導体製
造技術により作製してもよい。

【００１３】この発明では、半導体製造技術のマイクロ
マシン加工技術を利用してチップマイクロホンを作製す
ることができるので、チップマイクロホンをより小型
に、かつ高精度に作製することができる。また、シリコ
ン系材料を用いてチップマイクロホンを作製した場合、
このチップマイクロホンはシリコン系材料による高耐熱
性を利用して高温熱処理を施すことができ、マイクロホ
ンモジュール作製時や回路基板実装時のリフロー等の複
数回に及ぶ熱衝撃に対する耐性を向上させることができ
る。したがって、複数の部品を組み立てる工程によらず
に、ＬＳＩチップのように厚さ１ｍｍ以下に薄く、か
つ、実装面積も小さなチップマイクロホンを作製するこ
とができるとともに、バンプ／リフローなどを使って回
路基板に−括実装するなど高温処理を伴う実装工程を採
用して効率化を図ることができる。なお、チップマイク
ロホンの耐熱性は、一般に使われているアルミニウムを
電極に用いた場合でも３００℃以上であり、この程度の
耐熱性を有することにより無鉛半田を用いた高温の実装
工程にも適用することができる。また、この電極材料は
シリコンと良好なオーミック接触を持つ材料であればよ
いことはいうまでもない。

【００１４】また、前記チップマイクロホンの前記振動
膜、前記支持部および前記背面板を同一または異質の基
板材料を接合して該基板材料の不要な部分を取り除くこ
とにより形成したり、また、前記基板材料の一面側にホ
ウ素の拡散するエッチングストップ層を形成して前記振
動膜とする部分をエッチングすることにより当該振動膜
を形成したり、さらに、前記支持部をホウ素の拡散する
シリコンの酸化物により形成する場合には、半導体製造
技術のエッチング処理により容易かつ安価にこれらの加
工を行うことができる。

【００１５】また、少なくとも振動膜と基台が同一素材
であることから、その熱膨張係数がほぼ等しく、振動膜
の熱歪みによる影響を非常に小さくすることができる。

【００１６】さらに、本発明に係る前記チップマイクロ
ホンは、前記振動膜および前記支持部を同一素材により
作製してもよい。

【００１７】この発明では、振動膜と支持部の熱膨張係
数を等しくして熱歪みが生じるのを防止することがで
き、振動膜が損傷してしまうことを少なくすることがで
きる。したがって、振動膜を高精度に作製することがで
きる。ここで、この振動膜と支持部に限らず、背面板を
も同一素材にしてもよいことはいうまでもなく、また、
振動膜と支持部を一体構造にしてもよい。

【００１８】そして、上記課題を解決することを目的
に、本発明は、音声処理装置において、上記発明に係る
マイクロホン実装回路基板を搭載したことを特徴とする
ものである。

【００１９】この発明では、上述したマイクロホン実装
回路基板の発明による作用効果を得ることができ、小型
化、低コスト化を図るとともに、耐熱性を高めて信頼性
を向上させることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。図１〜図３は本発明に係る音声処理装置に搭載
するマイクロホン実装回路基板の一実施形態を示す図で
ある。なお、本実施形態では、図面における上下を用い
て説明するが、後述するチップマイクロホンにおける上
下を意味するものではない。

【００２１】図１において、１０はチップマイクロホン
であり、チップマイクロホン１０は、基台１１の中央部
に音圧により振動する振動膜１２を形成するとともに、
この振動膜１２の周囲で支持部１３が背面板１４を支持
して振動膜１２に対面させることにより、振動膜１２の
振動空間Ｓを確保してコンデンサ型マイクロホンとして
機能するように構築されており、このチップマイクロホ
ン１０は、後述する半導体製造技術（マイクロマシン加
工技術）で作製することにより振動膜１２と背面板１４
との間に支持部１３を介装した積層構造に構成されてい
る。

【００２２】また、チップマイクロホン１０は、背面板
１４を覆うようにキャップ１５が取り付けられており、
背面板１４の上面に形成する電極１６は、背面板１４に
隣接するように形成する端子台１７の上面の電極１８と
の間を、ワイヤ１９のワイヤボンディングにより電気的
に接続することによって外部に引き出されている。な
お、キャップ１５はセラミックス系接着剤等２０により
基台１１および端子台１７の上面に固着されて取り付け
られている。

【００２３】このキャップ１５は、その容積によってマ
イクロホンの音響特性を調整する役割を持ち、同時に、
電磁波のシールドに用いることもできる。また、キャッ
プ中央の気体流通孔１５ａはマイクロホンの指向特性を
制御するためにある。なお、背面板１４には、振動膜１
２の振動を妨げないように表裏を連通させる複数の貫通
孔１４ａが形成されている。

【００２４】そして、このチップマイクロホン１０は、
キャップ１５の外側となる基台１１および端子台１７の
上面に半田バンプ２１を形成することにより、不図示の
モジュール基板に張り合わせてモジュールを製作するよ
うになっており、このモジュール基板をマイクロホンの
実装基板に電気的に取り付けて音声処理装置に搭載され
ることになる。

【００２５】次に、チップマイクロホン１０の半導体製
造技術による作製手順（方法）を図２および図３を用い
て説明する。

【００２６】まず、図２（ａ）に示すように、一般的な
半導体用基板であるシリコン基板を背面板基板１１４と
して準備して、その下面には不純物を含む粉体酸化シリ
コンを塗布する方法または酸化膜をＣＶＤ法等により堆
積させる方法などによってその不純物を含む接合膜１１
３を形成するとともに、同様に、図２（ｂ）に示すよう
に、シリコン基板を振動膜基板１１１として準備して、
その上面にはシリコン基板上に不純物を高濃度に熱拡散
させる固体拡散法によってその不純物を高濃度にドープ
させたエッチストップ層１１２を形成する。

【００２７】このとき、接合膜１１３およびエッチスト
ップ層１１２には、同じ不純物を含ませることにより物
性を近似させるとともに、接合膜１１３には、エッチス
トップ層１１２から不純物が接合膜１１３側に拡散しな
いように、そのエッチストップ層１１２内にドープした
不純物の濃度よりも高い不純物濃度で不純物を含むよう
に設定されている。

【００２８】また、エッチストップ層１１２は、厚さ数
ミクロンの薄い振動膜１２にしてコンデンサ型マイクロ
ホンとしての感度を向上させるために、後述する工程に
おいてエッチングされないようにホウ素を不純物として
拡散させるのが好適であり（このことから、接合膜１１
３にもホウ素を不純物として含ませることになる。）、
固体拡散法を採用してホウ素を不純物として高濃度に熱
拡散させて形成する。この不純物の熱拡散は、高濃度不
純物層を得るために高温で熱処理することになり、この
ときにはシリコンウェハに熱変形が生じないようにする
ために１２００℃以下の温度で熱処理する。なお、ここ
では固体拡散法を用いてエッチストップ層１１２を形成
する場合について説明するが、イオン注入法、塗布法等
の他の形成法によって形成してもよく、また、不純物と
してホウ素に限るものではないことは言うまでもない。

【００２９】次いで、図２（ｃ）に示すように、接合膜
１１３とエッチストップ層１１２とを、加熱溶着、陽極
接合あるいは直接接合等の接合技術を用いて接合するこ
とにより、背面板基板１１４と振動膜基板１１１を接合
した接合基板１００を作製した後に、背面板基板１１４
の上面を研磨して、全体を所望の厚さに調整する。この
後には、接合基板１００を酸素雰囲気中で熱処理するこ
とによって、この接合基板１００の上下両面にエッチン
グマスク用の酸化膜１３１、１３２を、振動膜基板１１
１のシリコンエッチング深さから４０００Å前後の厚さ
となるように形成する。このとき、酸化膜１３１、１３
２を形成するための熱処理は、エッチストップ層１１２
中の不純物の再拡散を防ぐために、エッチストップ層１
１２を形成する際の処理温度未満で行うのが好適であ
り、本実施形態では、酸化膜１３１、１３２を形成する
ための熱処理温度をエッチストップ層１１２の形成処理
温度未満で９００℃以上とする。このような熱処理温度
としたのは、酸化膜１３１、１３２の成長に適切な速度
を確保することと、低温処理では振動膜基板１１１と接
合膜１１３との間の界面電荷が増加してしまうことが知
られているためである。

【００３０】次いで、図３（ｄ）に示すように、接合基
板１００の酸化膜１３１、１３２をホトリソグラフィー
技術を用いて余分な部分を除去する加工を施すことによ
り、その酸化膜１３１、１３２を振動膜エッチングマス
ク１４１、背面板エッチングマスク１４２および端子台
エッチングマスク１４３とし、この後に、これらエッチ
ングマスク１４１〜１４３を用いて接合基板１００の振
動膜基板１１１と背面板基板１１４から余分な部分を除
去するエッチングを施すことにより、その振動膜基板１
１１から基台１１を形成するのと同時にエッチストップ
層１１２を露出させて振動膜１２を形成するとともに、
背面板基板１１４から背面板１４および端子台１７を形
成する。このとき、ＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium h
ydroxide）等の所定のアルカリエッチング液を用いてエ
ッチングを行うことができる。

【００３１】次いで、図３（ｅ）に示すように、エッチ
ングマスク１４１〜１４３を取り除くエッチングを施す
とともに、接合膜１１３から支持部１３以外の部分を取
り除くエッチングを施した後に、背面板１４および端子
台１７の上面側にスパッタリングなどにより薄いメタル
電極１６、１８を形成することにより、一体構造のチッ
プマイクロホン１０を構築する。なお、図中における電
極１６、１８は図示するために厚膜に示されているが、
薄膜で十分であるため、背面板１４および端子台１７以
外に蒸着マスクを用いる必要はなく、例えば、基台１１
のエッチストップ層１１２上面に薄膜１５１が形成され
ても問題ない。また、振動膜１２側の電極については特
に詳細な説明はしないが、同様にスパッタリングなどに
より電極形成するなどすればよい。なお、蒸着マスクを
省略して両電極を同時に形成することもできる。

【００３２】そして、チップマイクロホン１０は、背面
板１４の電極１６と端子台１７の電極１８とをワイヤボ
ンディングにより接続して、キャップ１５をセラミック
ス系接着剤２０などにより取り付けた後に、基台１１の
薄膜１５１や端子台１７の電極１８の上に半田バンプ２
１を形成して、モジュール基板に張り合わせてモジュー
ル化することができ、さらに、音声処理装置に搭載する
マイクロホン回路基板上に実装することができる。

【００３３】このように本実施形態においては、チップ
マイクロホン１０は、安価かつ容易に作製可能な半導体
製造技術により、振動膜１２、支持部１３および背面板
１４を高精度な積層構造に形成してチップ化することが
でき、例えば、他の部品と共にＣＳＰ（チップサイズパ
ッケージング）等として高密度に回路基板に実装するこ
とができる。これら振動膜１２、支持部１３、背面板１
４などは、シリコン系材料を用いて作製していることか
ら、熱膨張係数の差が小さく熱歪みを生じ難くいので、
振動膜１２などが損傷してしまうことを少なくすること
ができるとともに、また、高耐熱性を有するので、各工
程において高温熱処理を施すことができ、モジュール作
製時や回路基板への実装時などに熱衝撃のあるリフロー
等と利用して効率よく作製することができる。

【００３４】したがって、チップマイクロホン１０は、
振動膜、支持部、背面板などを複数の部品として組み立
てるのではなく、ＬＳＩチップのように厚さ１ｍｍ以下
に薄く、かつ、実装面積も小さな、高信頼性のある安価
な部品に作製することができるとともに、バンプ／リフ
ローなどを使って−括実装するなど効率のよい回路基板
の組立工程を実現することができる。

【００３５】この結果、このチップマイクロホン１０を
搭載する回路基板や携帯電話などの音声処理装置の小型
化、低コスト化、高信頼性化に貢献することができる。

【００３６】なお、本実施形態では、振動膜１２、支持
部１３、背面板１４などを同じシリコン系材料を用いて
作製しているが、シリコン系材料に限るものではないこ
とは言うまでもなく、また、振動膜１２と支持部１３と
を熱膨張係数など同程度の物性を有する材質にする限
り、異質の基板材料を接合して作製してもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、振動膜、支持部および
背面板を積層構造に形成してマイクロホンをチップ化す
るので、半導体製造技術等のマイクロマシン加工技術を
利用して小型のマイクロホンを高精度に作製してそのま
ま、あるいはモジュール化して回路基板などに実装する
ことができる。

【００３８】また、シリコン系材料を用いてチップマイ
クロホンを作製することにより、そのシリコン系材料の
高耐熱性を利用して高温熱処理を可能にすることがで
き、回路基板に−括実装するなど高温処理を伴う実装工
程を採用して効率化を図ることができる。

【００３９】ここで、少なくとも振動膜と基台が同一素
材であることから、その熱膨張係数がほぼ等しく、振動
膜の熱歪みによる影響を非常に小さくできる。さらに、
少なくとも振動膜、基台および支持部を同一素材にする
ことにより、熱歪みの発生を防止することができる。こ
のことは、本マイクロホンがさらに薄型化して歪みの耐
性が低下した時点においても振動膜等の変形を防ぐこと
ができる。

【００４０】したがって、小型で高信頼性のチップマイ
クロホンを高精度に、かつ低コストに作製することがで
き、このチップマイクロホンをそのまま、あるいはモジ
ュール化したものを回路基板や音声処理装置に高実装密
度に実装することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る音声処理装置に搭載するマイクロ
ホン実装回路基板の一実施形態の全体構成を示す図であ
り、その縦断面図である。

【図２】その作製工程を説明する工程図である。

【図３】その作製工程を説明する図２に続く工程図であ
る。

【符号の説明】

１０ チップマイクロホン １１ 基台 １２ 振動膜 １３ 支持部 １４ 背面板 １４ａ 貫通孔 １５ キャップ １５ａ 流通孔 １６、１８ 電極 １７ 端子台 １００ 接合基板 １１１ 振動膜基板 １１２ エッチストップ層 １１３ 接合膜 １１４ 背面板基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 信雄 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 (72)発明者 盛田 章 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 Ｆターム(参考） 5D017 BD04 BD05 5D020 BB12 5D021 CC19

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】音圧により振動する振動膜と、該振動膜に
   対面する背面板と、振動膜と背面板との間に配設されて
   該振動膜の振動空間を確保する支持部とを備えて、これ
   ら振動膜、支持部および背面板を積層構造に形成したチ
   ップマイクロホンをそのまま、あるいは該チップマイク
   ロホンをパッケージングしたモジュールとして、回路基
   板に実装したことを特徴とするマイクロホン実装回路基
   板。
2. 【請求項２】前記チップマイクロホンは、同一または異
   質の基板材料を接合して、該基板材料の不要な部分を取
   り除くことにより前記振動膜、前記支持部および前記背
   面板を形成したことを特徴とする請求項１に記載のマイ
   クロホン実装回路基板。
3. 【請求項３】前記チップマイクロホンは、前記基板材料
   の一面側にホウ素を拡散するエッチングストップ層を形
   成して、前記振動膜とする部分をエッチングにより当該
   振動膜を形成したことを特徴とする請求項２に記載のマ
   イクロホン実装回路基板。
4. 【請求項４】前記チップマイクロホンは、前記支持部を
   ホウ素の拡散するシリコンの酸化物により形成したこと
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイク
   ロホン実装回路基板。
5. 【請求項５】前記チップマイクロホンは、シリコンとシ
   リコンの化合物とを用いて半導体製造技術により作製し
   たことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の
   マイクロホン実装回路基板。
6. 【請求項６】前記チップマイクロホンは、少なくとも前
   記振動膜および前記支持部を同一素材により作製したこ
   とを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のマイ
   クロホン実装回路基板。
7. 【請求項７】上記請求項１から６のいずれかに記載のマ
   イクロホン実装回路基板を搭載したことを特徴とする音
   声処理装置。