前进音式的麦克风以及用于制造的方法与流程

本发明涉及一种麦克风以及一种用于制造麦克风的方法。在此尤其可以涉及一种特别是结构形式为mems的电容式麦克风。这种麦克风具有必须封装在包装中的转换器元件（wandlerelement）。为了在这种麦克风中实现良好的记录质量，需要尽可能大的后部体积，这是因为麦克风对记录压力波动的灵敏度通过较大的后部体积而得以改善。此外，在这种麦克风中应当将用于内部的电方面的电路连接（verschaltung）的费用保持较低，并且应当保护转换器元件不受机械应力的破坏。

背景技术：

麦克风可以设计成“前进音（topport）”的结构形式。在此，声音入口和外部的接头放置在壳体或包装的对置的侧面上。在一种变型方案中，mems芯片被布置到在包装的顶侧上的声音开口处，这导致复杂的内部结构-和连接技术。替代地，可以设置从在顶侧上的入口直至在底侧上的mems芯片的声音引导部，这同样在结构上仅仅以较大的花费来实现。

从de102004011148b3中已知一种麦克风，其中麦克风芯片通过盖子和声音密封件被封装。麦克风芯片此外还通过刚性的固定装置固定在基板上。在这种麦克风中，较强的机械耦接不仅出现在盖子和麦克风芯片之间而且也出现在麦克风芯片和基板之间。这些耦接会损害麦克风芯片的功能性并且此外还会导致系统的依赖于温度的行为。

从us8,218,794b2中已知另一种麦克风。在该麦克风中，麦克风芯片通过弹簧固定在基板上，并且将麦克风芯片压到麦克风壳体的上部的内壁上，其中实现了声音开口的密封，所述声音开口布置在麦克风壳体的上部的部件中。

在实践中，这两种所提到的解决方案带来了一系列问题。首先，mems芯片在两侧夹紧在顶部件和底部件之间，这由于机械应力而影响其特性。这尝试通过使用软的粘合剂或通过构造为弹簧的接触元件来应对。另一困难还在于芯片厚度-和安装的公差，包装的内腔的高度的公差以及包装的顶部件和底部件之间的连接间隙的高度的公差，所有这些都有助于mems芯片和顶部件或盖罩之间的间隙的不确定性。此外，非常困难的是，如此分配（bemessen）连接器件（verbindungsmittel）的量，使得在所有情况下都能实现声音入口通道的周向密封，但排除连接器件伸展直至mems腔内的情况。

技术实现要素：

本发明的任务是提供一种改进的麦克风，该改进的麦克风克服了上述缺点中的至少一个缺点。本发明的另一任务是提供一种用于制造这种麦克风的方法。

这些任务通过根据当前的权利要求1的麦克风来解决或通过根据第二独立权利要求的方法来解决。

指明了一种麦克风，该麦克风安装在两件式的壳体中，所述壳体包括一底部件和一顶部件。在壳体内部中布置有转换器元件、即麦克风的有源部件并且该转换器元件与底部件电连接和机械连接。

为了使转换器元件与顶部件声学连接，在转换器元件与顶部件之间布置了连接元件，该连接元件不仅抵靠在转换器元件上而且也抵靠在顶部件的内侧上。连接元件柔性地且尤其柔软有弹性地构造有相对小的弹性模量。所述连接元件包括一种塑料，自由的或封装的气泡分布在所述塑料中，所述气泡通过发泡产生。如此分配塑料中气泡的量，使得所述气泡在连接元件中具有在50％和98％之间的体积份额。连接元件在此具有在大多数情况下闭孔的泡沫结构。连接元件的发泡或气泡的产生仅仅在壳体中进行，使得连接元件无压缩地且紧密地（dicht）抵靠到转化器元件和顶部件上。

根据本发明的连接元件通过所包围的气泡而具有可压缩性和低的弹性模量，从而仅仅由此实现连接元件的一定的弹性。气泡的体积份额选择得越高，连接元件越柔软且越可压缩。

如果连接元件的塑料是太软的聚合物，那么在室温下所述塑料会具有大于1000ppm/k的线性热膨胀系数。因此优选如此选择塑料的机械性能，使得在室温下在发泡状态中的塑料的热膨胀系数小于等于300ppm/k。

连接元件的塑料可以包括下述塑料，气泡分布在该塑料中，并且该塑料选自a）或b）：

a）软化温度在100℃和220℃之间的热塑性塑料，和

b）在室温下热膨胀系数小于等于300ppm/k的热固性塑料。

连接元件的塑料根据一种实施方案是热塑性塑料。这具有下述优点：所述塑料具有一软化点。所述软化点又能实现仅仅在热弹性塑料熔化之后才释放气泡，其中塑料因此可以膨胀。由于热塑性材料的膨胀，转换器元件和顶部件之间的间隙被可靠地关闭。连接元件在转换器元件和顶部件之间形成良好的密封。

但是，连接元件也可以由热固性塑料形成。如果其硬化温度-在给定的热的可硬化性的情况下-高于膨胀温度，则释放的气泡可牢固地包围在连接元件的塑料基体中。如果塑料具有另一种硬化机制，则所述塑料可以在膨胀后与温度无关地硬化。

在一种实施方式中，在顶部件内设置有声音入口并且在转换器内设置有声音开口。在此所述连接元件用于形成用于麦克风的声音通道。所述声音通道将顶部件中的声音入口与转换器元件中的声音开口连接起来，其中所述连接元件将声音通道紧密地相对于壳体的其余的内部体积密封。以这种方式实现了，将壳体的其余的内部体积用作麦克风的后部体积（rückvolumen），因为它基于所采用的倒装芯片装配（flipchipmontage）而邻接到转换器元件的有源侧上。

于是在声音通道中并且通过膜片形成前部体积（frontvolumen），所述膜片是转换器元件的主要部件。连接元件通过塑料发泡通过在软化的（热塑性的）或者仍粘性的未硬化的（热固性的）塑料内的气泡的原位释放来形成，利用该连接元件可以以简单的方式对声音通道进行密封，而不会由于制造公差-所述制造公差导致转换器元件和顶部件之间不同的间隙高度-而存在密封的问题，或者在通过顶部件和底部件的连接而关闭壳体时密封件施加过强的压缩到转换器元件上。

热塑性塑料具有一软化点tm，自该软化点起固态塑料在加热时过渡到粘性状态中。

热固性塑料高于硬化温度的情况下过渡到聚合的且由此硬化的状态中。

此外，连接元件具有一种塑料混合物，该塑料混合物除了塑料之外还包括在膨胀温度tx时释放气体的发泡剂（treibmittel）。优选如此选择软化点和膨胀温度，使得膨胀温度高于软化温度。在使用热固性塑料用于连接元件时，硬化温度高于膨胀温度。通过这种方式确保了：在从分布在塑料中的发泡剂中释放气泡之后，软化的塑料的粘性针对膨胀仅仅以很小的力来反抗。但是，优选地，同时将在软化的或还未硬化的状态下的粘性如此设定得足够高，使得不会出现模塑料的强烈的伸展。通过这种方式可以确保，已经软的或仍粘性的塑料不会穿透到转换器的声音开口中，或者甚至流到直至膜片上。后者意味着麦克风的故障。

即使在软化和膨胀的情况下，结构上相当稳定的热塑性塑料也确保声音通道的几何形状可以重现地建立。同样的情况适用于在使用未硬化的热固性塑料时。

为了能够由顶部件和底部件形成空腔壳体，这两个壳体部件中的至少一个构造为盆状。顶部件和底部件优选地用粘合剂粘合，所述粘合剂同时关闭壳体。

由平坦的顶部件和底部件构成的结构也是可行的，所述结构具有布置在所述顶部件和底部件之间的框架。作为连接器件也可以使用焊剂（lot）。

在一种实施方式中，转换器元件通过一弹簧元件与底部件电连接和机械连接。利用所述弹簧元件实现了转换器元件的进一步的弹性的或灵活的悬挂，其避免了由于悬挂和壳体的关闭而受机械力的强烈作用。

弹簧元件可以具有一弹簧常数，该弹簧常数由于热塑性塑料混合物在释放气泡时的所产生的最大膨胀压力仍然以足够的力来反抗。在热塑性材料膨胀并且重又冷却之后，塑料凝固并且就其而言形成弹性的连接元件。可以如此设定其热机械特性，使得弹性模量、即抵抗连接元件的压缩的力，近似等于弹簧元件的弹簧常数。然而，也可以将用于弹簧元件和连接元件的彼此不同的弹性模量结合起来。

弹簧元件优选地通过微结构件形成并且具有被固定在底部件上的第一端部、倾斜于底部件的表面而延伸或者以其他方式远离所述表面弯曲或引导，并且所述弹簧元件具有第二端部，所述第二端部以一间距布置在底部件上。弹簧元件可以构造为板簧或螺旋弹簧。他们可以具有弯曲或直的部段，所述部段在包围一个角度的情况下彼此连接。优选地，弹簧元件被如此折弯，使得被固定在底部件上的第一部段最后过渡到平行于其地引导的且与底部件间隔开的其他部段中。

然后将转换器元件安放到弹簧元件的第二端部上并优选通过钎焊与其连接。

在此，不仅通过所述夹紧而垂直地作用到转换器元件上的力而且通过侧向变形而产生的剪切力都被弹性地减弱。

总的来说因此得到了至少四个不同的实施方式a至d：

a.连接元件是热塑性塑料并且转换器元件与底部件的连接是弹簧元件。这具有下述优点：连接元件不必具有特别的弹簧特性；

b.连接元件是热塑性塑料并且转换器元件与底部件的连接在没有弹簧元件的情况下发生。于是在每次超过软化温度时，可能存在的应力都被消除。因此，在此像在a中那样，连接元件也不必具有特别的弹簧特性；

c.连接元件是热固性塑料并且转换器元件与底部件的连接包括弹簧元件。于是，在此所述连接元件也不必具有特别的弹簧特性；

d.连接元件是热固性塑料并且转换器元件与底部件的连接不包括弹簧元件。在此虽然转换器元件夹紧在顶部件和底部件之间有威胁，但是由于给定的气泡份额，弹簧特性通常是足够的。

转换器元件本身优选是由单晶材料微结构化的mems芯片，该mems芯片具有集成的膜片和背电极。膜片是转换器元件的可移动的部件并且对应力敏感地作出反应，所述应力通过根据本发明的结构而最小化。转换器特性由刚性的和可移动的电极之间的与取决于压力的电容得出。

如此选择连接元件的热塑性塑料，使得其具有有利的软化温度。发泡剂优选均匀地分布在热塑性塑料中并且优选固体地并精细地（feinteilig）构造，以使形成的气泡的尺寸保持最小化。发泡剂在此可以由分解成气体的盐组成。发泡剂也可以释放出挥发性物质。发泡剂也可以是乳化的粘性相（phase）。

示例性而非排他地提及了铵盐、碳酸盐、羧酸、酐、过氧化物或可膨胀石墨。此外，可膨胀石墨还具有下述优点：所释放的气体保持完全结合在石墨结构中。由此避免了气泡可能从低粘性的软化的热塑性混合物中升起或者将形成的较小的气泡结合成较大的气泡并且由此结合成连接器件中的空腔。

附图说明

下面借助于实施例和与此有关的附图来详细阐述本发明。附图仅仅是示意性的且并非按正确比例制作。所述附图示出了在制造根据本发明的麦克风时或在制造麦克风期间在封装转换器元件时的横截面。

图1a至1c示出了根据第一种工艺变型方案的不同的工序（verfahrensstufen）；

图2a至2c示出了根据第二种工艺变型方案的不同的工序；

图3示出了根据另一种实施方式的麦克风；

图4示出了根据还有另一种实施方式的麦克风。

具体实施方式

图1a示出了直接在关闭壳体之前麦克风的部件。在所示的实施方案中，底部件bt构造为平坦的并且包括例如陶瓷板。底部件bt能够除此之外具有多层的结构，其中在各个层之间布置了结构化的印制导线，所述印制导线描绘了至少一个另外的布线层（verdrahtungsebene）用于电路连接麦克风部件或用于将麦克风部件与在底部件bt的底侧上的外部触头ak连接起来。

转换器元件we本身钎焊到底部件bt上，或者直接钎焊到平面的金属触头上或者直接钎焊到过孔的上嘴口上。

通过利用钎焊部位建立的机械连接和电连接，膜片mm和背电极re与底部件bt并且此外与外部触头ak或者与壳体内的其他在附图中未示出的芯片结构元件连接。

第二壳体部件、在此是顶部件ot构造为盖罩状并且例如由拉深的金属盖罩组成。但是所述第二壳体部件也能够包括其他材料或者多层地构造。在顶部件ot的顶侧上设置了形式为一个或多个开口的声音入口se。

在底部件bt的顶侧上施加了结构化的粘合剂层kl，能够将顶部件ot的下边缘uk安放到所述粘合剂层上。

此外，要么仅仅在转换器元件we的顶侧上、仅仅在顶部件ot的内侧上要么不仅在顶部件的内侧上而且也在转换器元件的顶侧上施加结构化形式的热塑性塑料混合物ks。所述热塑性塑料混合物如此结构化，使得其要么在转换器元件上环形地包围声音开口so要么在顶部件ot上环形地包围声音入口se要么环形地包围这两者。

顶部件现在利用其下边缘uk安放并焊接到粘合剂层kl上。粘合剂优选硬化成热固性塑料并形成热稳定的粘合连接件kv。如果在这里发生热硬化，那么有利的是：温度在所述热硬化期间保持在膨胀温度tx以下。

在安放和连接顶部件和底部件之后，声音入口se和声音开口so优选同心地上下重叠地布置。声音入口se也能够以一中心偏差布置在声音开口so内。如果将塑料施加在两个面向彼此的表面上，那么在热塑性塑料上的这两个结构就直接彼此相对（gegenüberstehen）。图1b示出了在该工序上的布置结构。

在下一工艺步骤中，将整个布置结构首先加热直至热塑性塑料的软化温度tm，并且接下来进一步加热直至很好地分布在热塑性模塑料中的发泡剂的膨胀温度tx。如果达到或超过膨胀温度，则从发泡剂中释放气体或挥发性的化合物并导致热塑性塑料混合物的膨胀，所述热塑性塑料混合物由于熔化之后的粘性结构针对膨胀以很小的力来反抗。由于体积增加，塑料ks在此桥接间隙sp，但在此并不施加明显的力到转化器元件上。

在下一步骤中，整个结构元件又冷却直至热塑性塑料的软化温度tm以下。连接元件ve或热塑性塑料在此又凝固，固体地并且位置稳定地包围气泡并且形成可弹性压缩的密封件，所述密封件同时用作连接元件ve。

所述膨胀导致在塑料冷却和再凝固之后形成的连接元件se在两侧抵靠在顶部件ot的内面上和转换器元件we的顶侧上，并且因此产生转换器元件与环境的声学连接。通过结构化地施加的模塑料ks已经环形地包围声音开口so或声音入口se或者已经环形地包围这两者，现在所述连接元件也环形地包围这两个开口并且在整个周缘中相对于顶部件和转换器元件密封。图1c示出了在该工序上的结构元件。

在此一限定的声音通道从麦克风外部经由声音入口se并且经由声音连接元件ve直至麦克风的声音开口内地构造，并且借助于连接元件相对于可以的其余的内部体积密封。在顶部件ot和转换器元件的膜片mm之间限定了前部体积，而后部体积bv通过在顶部件ot和底部件bt（没有转换器元件）之间的整个自由的剩余体积形成。能够相对高地选择可设定的后部体积bv，使得麦克风能够以足够的动力和敏感度来运行。

图2a示出了在根据第二封装变型方案进行封装时的工序。在此，转换器元件we安放在弹簧元件上并且与其钎焊在一起。所述弹簧元件构造在底部件bt的顶侧上。弹簧元件fe以一端部锚固在底部件上并且以另一端部与该底部件有净距地布置。在对转换器元件钎焊之后，转换器元件相对于底部件被柔性地悬挂（aufhängen）。在此，也能够将顶部件重又与底部件焊接起来，从而包围空腔壳体的内部体积。

图2b示出了通过热塑性塑料的软化温度并且通过发泡剂的膨胀温度加热所述布置结构之后的布置结构。其导致结构化地施加的塑料混合物的体积的扩张（aufblähen）。通过膨胀，在转换器元件we的顶侧和顶部件ot的底侧之间形成的间隙完全通过膨胀的塑料混合物关闭。所述环形地结构化的施加实现了产生连接元件，所述连接元件沿着其整个周缘相对于转换器元件和顶部件紧密地放置并且因此能够执行密封环的功能。

在图2b中此外示出了，通过热塑性塑料的膨胀作用到转换器元件上的力能够超过弹簧元件的弹簧力，其中其第二端部被压到底部板上。但是即使在这种压在一起的状态下弹簧元件也能够承受切向力。

图2b示出了根据本发明被封装的麦克风的可能的最后阶段。但是也可能的是，在一定的等待时间之后实现弹簧元件的松弛，其中所述弹簧元件又返回变形到其原始的初始位置中。仍然柔软且粘性的塑料混合物在此侧向移位，并且因此在其垂直的范围内根据弹簧元件的压力而减小。

图2c示出了带有连接元件ve以及重又松弛的弹簧元件的布置结构，所述连接元件由再凝固的热塑性塑料混合物形成。此外，图2c示例性地示出了另外的布置在壳体内部中的部件、例如形式为asic芯片的集成电路ic。该asic芯片同样能够例如通过隆起物（bumps）钎焊在底部件上。然而也可行的是，粘合所述部件ic并且通过键合线与底部件上的相应触头连接。

而转换器元件we则仅仅通过弹簧元件与底部件bt电连接和机械连接。

在底部件的底侧上的结构元件的外部触头用于将麦克风与电路环境连接。部件ic与转换器元件we的电路连接能够通过底部件内部中的布线层来实施，从而相比于在部件ic的每个接头单独地本身向外地引导并且仅仅在外部与转换器元件的接头相连接时，需要更小数量的外部触头。

根据本发明的方法具有下述优点，在顶部件和底部件之间以及在转换器元件与顶部件之间的这两个连接过程在时间和温度方面是分离的。只有在顶部件成功地组装在底部件上之后才通过连接元件来密封间隙。这两个过程也是热分离的，因为弹性的塑料混合物的膨胀仅在下述温度下发生，先前在组装其他部件时还不必超过所述温度。因此，所选择的用于使顶部件和底部件之间的粘合硬化的硬化温度tc在热塑性塑料的软化温度以下并且也在钎焊隆起物的熔点以下，以其将转换器元件we以及必要时其他部件ec钎焊在底部件上。

由此可以确保：粘合连接件kv—通过该粘合连接件两个壳体部件粘合在一起—的粘合剂的硬化和通过连接元件进行的密封显然在时间和热方面彼此分开。能够相互独立地进行优化和执行这两个过程。

通过释放的气泡形成了泡沫结构，该泡沫结构在重又硬化的连接元件ve中仅产生小的张力。热塑性塑料在连接过程和发泡期间存在于柔软且因此粘性的状态中，由此通过膨胀限定的垂直地作用到顶部件和转换器元件上的压力在进一步的等待时间的情况下重又放松，因为粘性物质能够朝侧面移位。通过热塑性塑料混合物的体积增加实现了转换器元件和顶部件之间的间隙的可靠且持久的密封。只有很小的力被传递到转换器元件上，并且在使用弹簧元件的情况下，它们也能够重又返回到其静止位置中。特别地，即使在稍后的再熔化中钎焊连接也不会发生不允许的变形，因为总是热塑性塑料先软化，避开所述压力并且在放松之后重又凝固。

为了防止气泡从在粘性状态中的模塑料中逸出或结合在一起，固体的或封装的发泡剂是优选的。特别优选的是所提及的可膨胀石墨（blähgraphit）。其中，挥发性化合物嵌入在结晶面之间，在加热时所述挥发性化合物使所述平面散开，并因此直至导致可膨胀石墨的几百倍地扩张。由于这个原因，在塑料混合物中需要相对较小份额的这种发泡剂。

用于释放气体的起始温度（膨胀温度）可以通过适当地选择释放气体的成分而在约150至300摄氏度范围内来选择。通过这种方式，可以使麦克风的不同材料的所需的温度比或温度特性相互协调。

典型地，顶部件和转换器元件之间的待密封的间隙的高度约为50至500μm。该间隙可以利用在热塑性塑料混合物上的在一侧或两侧施加的结构以约5至200μm厚（在膨胀之前）的相应高度被桥接，其中厚度膨胀比为1:2至1:10是有利的。但是也可以设定高达约1:50的厚度膨胀比。

如上所述，底部件可以具有多层结构并且与之相应地包括多层的电路。所述单层或多层的底部件的层材料是基于有机的或陶瓷的。顶部件可以由聚合物、陶瓷或者特别是由金属构成。

图3示出了麦克风的一种实施方式，利用该实施方式在发泡期间能够防止连接元件ve的模塑料穿透到声音入口se中。为此，顶部件ot环绕声音入口se地具有向内/向下拉入或拉下的边缘。为此，顶部件可以例如由金属构成并且具有向内/向下弯曲的冲压毛刺（stanzgrat）sg。所述冲压毛刺可以通过相应的冲压-或压印工具在制造例如由板材构成的顶部件时简单地制造。

结果是，连接元件ve的模塑料在发泡时的横向范围向内朝向声音入口se被限制。

图4示出了麦克风的另一实施方式，利用该实施方式同样能够防止连接元件ve的模塑料在发泡期间穿透到声音入口se中。为此，在顶部件的内部上围绕声音入口se形成或以其他方式固定一环形的接套（stutzen）rs、例如通过粘合或钎焊。环形的接套rs可以由与顶部件ot相同的材料组成或者包含其他材料。环形的接套rs可以与声音入口se齐平地结束或者也可以如所示那样具有比声音入口se稍大的内径。因此在施加接套时更大的公差变得可行。

在根据图3和4的两个实施方案中，冲压毛刺sg或环形的接套的高度小于在顶部件ot的底侧和转换器元件we的顶侧之间规定的或保留的间隙，使得相应的元件sg或rs对麦克风的制造和功能没有进一步的影响。

仅仅借助于少数实施例来描述本发明且因此本发明不限于这些具体的示例。根据本发明实现的在转换器元件和顶部件之间的密封不限于某些材料，并且仅由热塑性模塑料的、即热塑性塑料的以及包含在其中的发泡剂的性质决定。所需的特征温度可以在一定范围内变化并且可以根据要求或总处理过程而被优化。结果是得到具有良好的耐热性并且具有高的动力的密封地封装的麦克风。

附图标记列表

ak麦克风的外部触头

bt底部件

bv后部体积

fe弹簧元件

fv前部体积

hr在壳体内部中的空腔

kl结构化的粘合剂层

ks结构化地施加的热塑性的混合物

kv在顶部件和底部件之间的粘合连接件

mm膜片

ot顶部件

re背电极

rs环形的接套

se在顶部件中的声音入口

sg冲压毛刺

sk声音通道

so转换器的声音开口

sp在壳体和转换器元件之间的间隙

tm热塑性混合物的软化温度

tx发泡剂的膨胀温度

uk顶部件的下边缘

ve由起泡的热塑性塑料、起泡剂和包围的气泡形成的弹性的连接元件

we壳体内的转换器元件。