MEMS麦克风封装基板概况
2013-03-08 08:24:37   来源：微迷   评论：0   点击：

作者：昆山华扬电子有限公司 Frank

随着MEMS市场需求量呈现爆发式增长，在诸多领域都能看到MEMS传感器身影，如加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风、压力传感器等。而MEMS麦克风在智能手机中的应用更是让它声名鹊起。由于MEMS麦克风具有体积小，抗干扰能力强、自动化生产、产品性能一致性好的优势，已逐步取代传统驻极体电容式麦克风(ECM)市场，受到越来越多厂商的追捧。MEMS麦克风封装基板作为整个产业链中的一环，也必将在这个潮流中分一杯羹。

一、MEMS麦克风市场趋势

除了在手机和电脑上的广泛应用，新的MEMS麦克风应用领域也会诞生，包括留言机、摄录机、数字相机、互动游戏机、智能遥控器、汽车电子、智能家电等。声音激活了广泛的消费电子产品应用，市场前景非常可观。在汽车领域还可助力免提通话和导航装置的发展。目前尽管集成语音、音乐与视频的电子设备数量不断增加，但这些手持式电子产品的声音质量却未能达到消费者的预期。因此，体积小巧、工艺先进的MEMS麦克风将有广阔的市场。未来，智能家电将普及到每一个家庭，智能语音系统是实现家电智能化的一个必备功能，Siri语音控制功能是一项重要突破，对于MEMS麦克风意义重大。虽然语音控制十多年前就出现了，但Siri证明可以利用多个MEMS麦克风来实现这一神奇的功能，而且具有较低的信噪比。

图1 模拟和数字MEMS麦克风的全球市场营收预测

预计到2015年，MEMS麦克风的总销售额将达到7亿美元，由于每颗MEMS 麦克风均需配套一枚PCB，而相应的MEMS PCB的市场也将水涨船高，预计年销售额将在5亿元，这对麦克风基板企业来说，是一个促进企业自身发展的良好机遇。

二、MEMS麦克风设计

目前因为很多家公司都在抢占MEMS市场, Knowles还是处于霸主地位, 占有接近70%~80%的市场份额，现在主流市场分为两个阵营，在争夺Knowles 市场

a. 原来的IC制造厂，例如：ADI , ST, Epocos , Akustica, 具有技术&开发能力优势。

b. 原来的ECM制造工厂，例如：ACC, Goer-tek ,BSE, 等, 具有客户资源和声学的传统优势。

最终谁能笑到最后, 还无法得知,每家设计差异倒是可以研究:

1．AAC （iPhone 4）

底部端口, 模拟信号, 采用“英飞凌”芯片, 厚度1.8mm, PCB采用埋容技术。

2. Akustica (笔记本)

设计特点: 顶部端口, 数字信号, 在PCB中设计Cavity, 厚度只有0.9mm2

3. 意法半导体（ST）

设计特点: 顶部端口, 数字信号,采用温度蚀刻来做声腔, 厚度1.5mm

4. 楼氏电子（Knowles）

设计特点: 底部端口, 模拟信号,手机上应用, 厚度1.1mm

以上四种介绍, 都是在2009年和2010年的产品设计, 因为本公司是PCB从业者, 考虑到需要给客户保密, 无法透入最新的设计, 最新的设计大都更加小型化, 性能更优化, 其中最小尺寸有设计到1.8*2.4mm, 且在PCB中加入了埋容埋阻, 以下我们就谈谈埋容埋阻设计。

三、MEMS麦克风的埋容埋阻设计

目前 MEMS PCB普遍集中在2-4层，其中，市场上的高端智能机均采用的是四层内埋电容或四层埋容埋阻PCB。 电容和电阻在MEMS中都属于无源器件, 当产品趋向越来越小, 电路板表面空间的紧张。在典型的装配中，占总价格不到3%的元件可能会占据电路板上40%的空间！而且情况正变得更为糟糕。我们设计的电路板要支持更多的功能、更高的时钟速率和更低的电压，这就要求有更多的功率和更高的电流。噪声的预算也随着更低的电压而降低，同时还需要对电源分布系统进行很大的改进。这一切都需要有更多的无源器件。这也就是为什么对无源器件使用的增长速率高于有源器件的原因。

将无源器件置入电路板内部带来的好处并不仅仅是节约了电路板表面的空间。电路板表面焊接点将产生电感量。嵌入的方式消除了焊接点，因此也就减少了引入的电感量，从而降低了电源系统的阻抗。因此，嵌入式电阻和电容节约了宝贵的电路板表面空间，缩小了电路板尺寸并减少了其重量和厚度。同时由于消除了焊接点，可靠性也得到了提高(焊接点是电路板上最容易引入故障的部分)。无源器件的嵌入将减短导线的长度并且允许更紧凑的器件布局，因而提高电气性能。

1. 内埋电容

1.1 埋电容具有明显的电性能和可靠性优势：

a. 改善高速数字电路的电源和信号完整性。仅使用埋容技术，就可以将电源和地之间的交流阻抗降低到10毫欧姆。比传统的PCB改善20倍。

b.减少高速数据传输中眼图的抖动。可以将眼图抖动减少50%。

c.减少EMI干扰。可以避免或减少使用屏蔽罩，在改善EMC的同时，缩小产品体积，减少产品重量。

d. 提高PCB散热效率。比传统的PCB提高3倍。

1.2 目前埋电容技术应用主要为三种方式:

电容器的结构:；两片金属夹着一张介质层, 与PCB两张铜箔夹着基材是完全一样的结构,利用PCB 基材的厚度和残留的铜面积产生电容, 成为最方便的埋电容设计。

电容公式: C=S * Dk / T (C:电容值, S:两片金属重叠的有效面积，Dk:介质层的介电常数, T:介质层的厚度)

（1）内加薄板技术： 利用PCB双面的铜箔,降低基材的厚度,提高介电常数( DK)组成需要的电容器, 主要代表为:

a. BC-2000（单位电容率: 506pf/inch2）, 基材厚度: 0.05mm。

b. 3M C-Ply (单位电容率:10nf/inch2), 基材厚度: 0.015mm。

（2）是在专用PCB内层板上, 利用感光的厚膜煳 ,采用曝光和显影的方式製作许多单独使用的电容器。也称为: CFP: Ceramic-Filled Photopolymer, (单位电容率可以达到:20nf/inch2)

（3）将独立的电容器直接埋入PCB中。

2. 内埋电阻

在高频高速应用中提高阻值精度。虽然分立电阻的阻值精度通常为1%，但是在实际电路互连中，电阻封装本身以及PCB导通孔及焊盘都会存在寄生电感。例如，一个0402封装的50欧姆电阻贴装在PCB上时，相关的寄生电感典型值为6nH。如果该电阻工作于1GHz频率下，其寄生感抗高达40欧姆。远远超过了电阻本身的1%误差。而埋阻本身的寄生电感极小，与实际电路互连时，不需要焊盘及过孔，大大减少了寄生电感。因此，虽然制作好的埋阻精度仅为10%，但是在高频高速应用中，其实际精度远远高于分立电阻。

目前埋电阻技术应用主要为二种方式：

（1）平面减成法：将买回的电阻铜箔,直接压在PCB上,通过蚀刻方法将电阻加工出来, 主要用于电阻范围50~10000ohm之间的设计,电阻公差可以控制在 +/-15%以内, 也是目前应用技术最成熟,最广泛, 主要代表的材料有Ohmga , Trece电阻厚度只有0.2um左右。

（2）平面加成法: 将买回的电阻油墨,直接印刷在PCB表面,主要用于代替线路板表面电阻器,电阻范围在300~100kohm之间.电阻公差范围目前大致控制在+/-20%之间,用途广泛。

四、国内埋容埋阻印制电路板企业概况

因为设计有了埋电容电阻设计，导致产品制作工艺非常复杂，而且MEMS设计微小化，导致原来制作麦克风的PCB厂家逐渐退出, 一些有雄厚技术背景的PCB工厂,也逐渐加入到埋容埋阻麦克风竞争当中, 下面介绍一些最有代表性的PCB工厂。

WUS集团,WUS集团有一个强大的技术团队, 在1999年就开始介入埋容埋阻的研发, 在2002年跟Knowles合作开发埋容埋阻的麦克风, 是PCB行业第一家将埋容埋阻技术应用于量产, 随后几年将埋容埋阻技术推广到系统系列产品,为华为,思科,爱立信,开发了一些产品，但是因为该公司的主流产品背板, 系统和MEMS麦克风差异太大, 随着MEMS麦克风降价,失去高利润的支撑, 该公司逐渐从MEMS市场退出。

深南电路，MEMS麦克风PCB市场增加速度最快的是深南电路有限公司, 该公司在2007年花巨资投了IC 载板工厂，凭借着强大的技术和先进的设备,快速介入MEMS PCB市场竞争, 快速获得几家公司的青睐,在MEMS PCB 市场占据了一块地盘, 从目前他们公司的举动看来,比较重视该市场，但是随着MEMS 麦克风的降价需求, 高昂的设备投入，照成高昂的固定成本, 能否应对市场的降价需求, 暂时还不得而知。

昆山华扬，公司在1992年就在生产ECM 麦克风PCB, 占整个ECM 麦克风PCB 市场的50%份额,世界排名前五的手机厂家, 使用的麦克风PCB, 大部分都来自于该厂。 2006, 2007年ECM 麦克风的市场发展到顶点, 公司于2007年开始研发MEMS PCB，目前在市场上已有约10%的占有率。做为纯粹的民营企业，具有反应快速，成本低廉的特点。并且在传统麦克风市场上的经验丰富，对MEMS麦克风的设计具有一定的参考性。未来几年具有埋容埋阻的MEMS PCB的竞争应主要在深南电路及昆山华扬电子之间展开。

昆山华扬 销售联系人：宋建强，邮箱：sjq@hwayung.com，电话：15951122982