數(shù)字麥克風(fēng)應(yīng)用指南

數(shù)字麥克風(fēng)應(yīng)用指南

Date：201901目錄1MEMS麥克風(fēng)封裝介紹2麥克風(fēng)系統(tǒng)及性能3設(shè)計推薦4產(chǎn)線應(yīng)用注意事項5產(chǎn)品存儲注意事項6數(shù)字MEMS麥克風(fēng)選型表1.MEMS麥克風(fēng)封裝介紹MEMS麥克風(fēng)封裝結(jié)構(gòu)介紹根據(jù)音孔位置，MEMS麥克風(fēng)可分為Top、Bottom兩種封裝結(jié)構(gòu)。其中，音孔在外殼上的為Top結(jié)構(gòu)，適合普通產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和膠套/密封墊片設(shè)計；音孔在PCB上的為Bottom結(jié)構(gòu)，適合超薄產(chǎn)品設(shè)計，麥克風(fēng)與其他電子器件貼裝在PCBA與音孔相反的一面。圖1:Top結(jié)構(gòu)MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2:Bottom結(jié)構(gòu)MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖2.麥克風(fēng)系統(tǒng)及性能2.1數(shù)字麥克風(fēng)電路框圖數(shù)字MEMS麥克風(fēng)內(nèi)部包含一個MEMSdie和一個低噪聲數(shù)字ASICchip，輸出1-bitPDM格式數(shù)字信號。如下為MD-HRA261-H10內(nèi)部電路框圖：圖3:數(shù)字麥克風(fēng)電路框圖2.2PDM信號及應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)字MEMS內(nèi)置ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），利用Sigma-delta技術(shù)及過采樣技術(shù)，輸出1-bitPDM信號，用客戶端CODEC芯片將PDM信號解調(diào)成多bit的PCM信號。數(shù)字MEMS最大的優(yōu)點是噪聲抑制能力強，因為數(shù)字MEMS輸出的是幅度相對較大的數(shù)字脈沖信號，即使很大的噪聲干擾信號也只能引起微弱的變化。二是可以降低整個系統(tǒng)的功耗。圖4:數(shù)字MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用系統(tǒng)框圖2.麥克風(fēng)系統(tǒng)及性能DigitalMEMSMIC∑ΔFilterI2SInterfaceCODECDSPPDMI2SPCM2.3單/雙聲道應(yīng)用客戶可通過對L/R引腳的設(shè)置實現(xiàn)MEMSMIC單聲道或者雙聲道的使用，一般情況下，單MIC使用時，建議客戶將L/R引腳接地，避免電源噪聲的影響；雙MIC使用時，可將兩個MIC的輸出并聯(lián)走一條輸出線，下面給出單MIC和雙MIC的使用連接圖：圖5:單/雙聲道應(yīng)用電路2.麥克風(fēng)系統(tǒng)及性能2.4頻響及超聲應(yīng)用對于Top結(jié)構(gòu)，麥克風(fēng)前腔體積較大，背腔體積較小，Bottom結(jié)構(gòu)則相反。前腔體積及形狀對頻響高頻部分影響較大，所以Bottom結(jié)構(gòu)帶寬更寬，更適合超聲應(yīng)用(20K-40KHz)。超聲應(yīng)用需要較高的采樣率(時鐘頻率，如3.072MHz)來支持較高的輸出帶寬。圖6:頻響曲線典型應(yīng)用手勢識別超聲配對智能家居故障檢測醫(yī)療設(shè)備2.麥克風(fēng)系統(tǒng)及性能3.設(shè)計推薦3.1聲音通道結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)MIC在整機設(shè)計中表現(xiàn)的頻響曲線取決于MIC單體本身的頻響曲線及進聲信道各部分的機械尺寸，包括機殼上音孔的大小、墊圈及PCB開孔大小。且進聲通道不能有泄露，如果有泄露容易產(chǎn)生回聲及噪聲問題。短且寬的進聲信道對MIC頻響曲線影響較小，而長且窄的進聲通道能在音頻段范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振峰，一種好的進聲通道設(shè)計可在音頻范圍內(nèi)實現(xiàn)平直的頻響曲線，故建議設(shè)計者在設(shè)計時測量一下MIC帶著機殼及進聲信道的頻響曲線，以判斷性能是否滿足最終的設(shè)計要求。對于Top結(jié)構(gòu)MEMSMIC的整機設(shè)計，墊圈的開孔直徑要保證比麥克風(fēng)音孔直徑大至少0.5mm，以避免墊圈開孔及放置位置x和y方向上的偏差影響，同時為了保證墊圈起到密封MIC的作用，墊圈的內(nèi)徑還不能太大，任何的聲音泄露都可能引起回聲、噪聲及頻響問題。對于Bottom結(jié)構(gòu)MEMSMIC的整機設(shè)計，進聲通道包括MIC與整機PCB之間的焊接環(huán)及整機PCB上的通孔，整機PCB上的聲孔要適當(dāng)大些保證不影響頻響曲線，但是為了保證PCB上地環(huán)的焊接面積聲孔又不能太大，整機PCB開孔直徑參考以下幾個方案。為了防止在回流過程中，錫膏融化進入聲孔堵塞聲孔，PCB上的聲孔不能進行金屬化。3.設(shè)計推薦-PCBA固定方式及通道參數(shù)推薦1.PCBA建議開孔直徑0.5-0.8mm2.PCBA與上殼之間通過泡棉網(wǎng)的壓縮來保證MIC進音通道的密封3.下殼通過筋位壓住PCBA,在與PCBA之間增加一個緩沖泡棉，通過緩沖泡棉的壓縮余量來吸收多個部件之間的累積公差，保證PCBA在Z軸可以完全被壓住應(yīng)用范圍：進音通道需求比較短的單面板方案一123450.5由1壓縮到0.5≤51.5序號部件名稱Z向公差標準1上殼±0.052泡棉網(wǎng)±0.13PCBA±10%4緩沖泡棉±0.15下殼±0.13.設(shè)計推薦-PCBA固定方式及通道參數(shù)推薦序號部件名稱Z向公差標準1上殼±0.052泡棉網(wǎng)±0.13PCBA±10%4支撐部件±0.055螺絲/1.PCBA建議開孔直徑0.5-0.8mm2.PCBA與上殼之間通過泡棉網(wǎng)的壓縮來保證MIC進音通道的密封3.PCBA套在螺絲柱上定位X/Y方向，在螺絲柱上嵌套一個塑膠件，塑膠件的尺寸要比PCBA頂端到螺絲柱頂端的尺寸大0.1mm，頂部通過打螺絲來保證PCBA在Z軸可以完全被壓住應(yīng)用范圍：進音通道需求比較短的單面板12345≤52.1(支撐部件)7.2＞10M2*L3(螺紋長度)0.51.5方案二3.設(shè)計推薦-PCBA固定方式及通道參數(shù)推薦1.PCBA建議開孔直徑0.5-0.8mm2.PCBA與上殼之間通過泡棉網(wǎng)的壓縮來保證MIC進音通道的密封3.在上殼內(nèi)部增加螺絲柱或者筋位支撐PCBA底部，頂部通過打螺絲來保證PCBA在Z軸可以完全被壓住應(yīng)用范圍：進音通道可以適當(dāng)加長的雙面板序號部件名稱Z向公差標準1上殼±0.052泡棉網(wǎng)±0.13PCBA±10%4螺絲/1234≤6M2*L3(螺紋長度)0.51.5方案三3.設(shè)計推薦-PCBA固定方式及通道參數(shù)推薦1.PCBA建議開孔直徑0.5-0.8mm2.PCBA通過一層0.2mm厚度的雙面膠粘貼固定在上殼內(nèi)部，在MIC的進音位置開孔避讓，其他地方密封，雙面膠最窄位置不得小于1.5mm，可以保證MIC進音通道的密封，裝配時需要用保壓工裝保證雙面膠粘貼到位應(yīng)用范圍：尺寸比較小的單面板序號部件名稱Z向公差標準1上殼±0.052密封雙面膠±0.053PCBA±10%123≤41.50.2方案四3.設(shè)計推薦3.2PCBA焊盤設(shè)計麥克風(fēng)與客戶PCBA的焊接點主要起電連接和機械連接的作用，針對不同形式的MEMSMIC在各自的規(guī)格書中均有體現(xiàn)推薦焊盤設(shè)計，以MD-HRA261-H10為例：圖11:客戶整機PCBA焊盤設(shè)計Notes尺寸單位：mm尺寸公差：±0.1mm

PCBA推薦開孔尺寸0.4-0.8mm

聲孔不允許非金屬化一般來說，整機PCBA焊盤尺寸與MIC焊盤設(shè)計比例為1:13.設(shè)計推薦3.3鋼網(wǎng)設(shè)計鋼網(wǎng)設(shè)計既要考慮鋼網(wǎng)機械強度和使用壽命，又要考慮焊接質(zhì)量(氣泡、斷錫、音孔進flux等)，針對不同形式的MEMSMIC在各自的規(guī)格書中均有體現(xiàn)推薦鋼網(wǎng)設(shè)計，以MD-HRA261-H10為例：圖12:推薦鋼網(wǎng)設(shè)計Notes鋼網(wǎng)厚度推薦0.08-0.1mm

鋼網(wǎng)開孔與PWB焊盤比例為0.8:1或0.9:1或1:1若存在圓形焊盤，建議通過鋼網(wǎng)連接筋將圓形焊盤分割為兩個半圓，以便于回流過程中排出氣體避免出現(xiàn)焊接氣泡為盡量避免flux進入音孔，地環(huán)鋼網(wǎng)開孔內(nèi)外徑可各外擴0.1mm

地環(huán)采用四分段形式，連接筋寬度0.12-0.15mmBottom結(jié)構(gòu)麥克風(fēng)錫膏推薦使用低助焊劑含量的錫膏（如Indium8.9HFSAC305）4.產(chǎn)線應(yīng)用注意事項4.1SMT回流曲線推薦表2:回流溫度設(shè)置圖13:回流曲線ParameterReferenceSpecificationAverageRampRateTLtoTP3°C/secmaxPreheatMinimumTemperatureTSMIN150°CMaximumTemperatureTSMAX200°CTimeTSMINtoTSMAXtS60secto180secRamp-UpRateTSMAXtoTL1.25°C/secTimeMaintainedAboveLiquidoustL60secto150secLiquidousTemperatureTL217°CPeakTemperatureTP260°C+0°C/?5°CTimeWithin+5°CofActualPeakTemperaturetP20secto40secRamp-DownRateTPtoTSMAX6°C/secmaxTime+25°C(t25°C)toPeakTemperature8minmax4.產(chǎn)線應(yīng)用注意事項SMT注意事項：1.如果需要多次回流，必須在恢復(fù)到室溫(或≥2小時)后才能進入下一次回流；2.回流次數(shù)不建議超過3次；3.回流后不允許使用清洗液或超聲清洗；4.不允許在麥克風(fēng)音孔位置進行真空作業(yè)；5.不允許從麥克風(fēng)音孔插入任何物體；6.對于雙面板PWB貼裝，建議MIC放在第二次貼裝，避免SMT印刷錫膏不良返工清洗時對MIC造成損壞；7.PWB或FPC分板時建議使用防護膠貼住MIC音孔或使用治具密封，預(yù)防分切產(chǎn)生的粉塵進入MIC內(nèi)部；8.回流時MIC音孔不能被密封(貼防護膜的麥克風(fēng)音孔位置需要透氣，不允許被膠密封，參考圖14設(shè)計)，容易出現(xiàn)外殼脫落或縫隙；9.貼片機拋料的MIC不建議重復(fù)利用，這些MIC可能被污染；10.回流爐每周清潔保養(yǎng)，清潔爐內(nèi)加熱風(fēng)口和軌道，降低回流爐內(nèi)異物灰塵進入MIC的風(fēng)險；11.回流爐出口接駁臺上方有風(fēng)機吹風(fēng)冷卻FPC或PWB動作的，建議風(fēng)機上面加灰塵濾網(wǎng)，降低灰塵被吹入MIC內(nèi)部的風(fēng)險；12.若存在粘接壓合不干膠或撕取離型紙工序時需增加離子風(fēng)去除靜電，預(yù)防剝離及摩擦導(dǎo)致的靜電損壞MIC，監(jiān)控表面靜電電壓要小于100V；13.部分回流爐風(fēng)速較大(如ERSA)，如果回流后有MIC外殼開裂或脫落的情況，建議降低一下回流爐風(fēng)速或溫度（建議溫度峰值Tpeak降低到243度以下）來避免。圖14:音孔防護膜設(shè)計4.產(chǎn)線應(yīng)用注意事項4.2SMT吸嘴及吸取位置

對于Top結(jié)構(gòu)的MIC，SMT過程中，吸嘴吸取金屬殼時必須特別注意，因為音孔在金屬殼上部，所以要保證吸嘴吸取時不會吸到MIC音孔，以下為此款產(chǎn)品在SMT貼裝時可吸取的范圍。Bottom結(jié)構(gòu)對吸取位置要求不高，建議吸取位置參考圖13。推薦吸嘴尺寸外徑φ1.8mm，內(nèi)徑φ1.2mm。圖15:Top結(jié)構(gòu)MEMS麥克風(fēng)吸取位置圖16:Bottom結(jié)構(gòu)MEMS麥克風(fēng)吸取位置圖17:推薦吸嘴尺寸4.產(chǎn)線應(yīng)用注意事項4.3PCBA清潔如果SMT過程存在氣槍清潔PCBA的過程，建議方法如下：在氣槍前加氣壓控制閥，調(diào)節(jié)氣壓低于0.3MPa；推薦使用氣槍內(nèi)徑>=Ф2mm；麥克風(fēng)音孔盡量背對氣槍口，避免氣壓對膜片的直接沖擊；吹擊距離：大于50mm；吹擊時間：小于5s；建議在回流后切割前須對麥克風(fēng)音孔使用保護膜加以防護，即可防止粉塵等進入音孔，又可避免氣壓對MIC造成損傷。圖18:Top結(jié)構(gòu)MEMS麥克風(fēng)PCBA清潔圖19:Bottom結(jié)構(gòu)MEMS麥克風(fēng)PCBA清潔4.產(chǎn)線應(yīng)用注意事項4.4返修注意事項MEMSMIC不能被重復(fù)利用，即從手機板上取下的MEMSMIC不能再次被使用。

在維修過程中吸嘴、熱風(fēng)槍或鑷子不能對準MIC音孔，否則會損壞MIC內(nèi)部的彈性膜片。

將不良MIC移除后，清潔好焊盤并在焊盤上涂抹一定量的助焊劑，然后使用微型鋼網(wǎng)在相應(yīng)的元器件焊盤上印刷錫膏。最后用熱風(fēng)槍加熱使錫膏固化（熱風(fēng)槍建議設(shè)定溫度一般300-350，時間5秒到15秒）。

將新的MEMSMIC焊接到手機板上時，必須對MIC音孔進行特殊保護。

推薦維修操作要在專用返工臺面上進行，完成后用X-Ray設(shè)備檢測最終的焊接效果。4.產(chǎn)線應(yīng)用注意事項4.5Layout設(shè)計建議建議在靠近每個麥克風(fēng)VDD端放置一個0.1-1uF電容，消除電源紋波；CLK走線長度較長時，需要在靠近codec端串聯(lián)50-100Ω匹配電阻，消除信號反射；

不要在DATA上加上拉/下拉電阻；

禁止信號線(CLK/DATA)長距離相鄰并行走線，會導(dǎo)致高頻信號干擾；

建議在CLK/DATA對地預(yù)留10-68pF電容焊盤，必要時可消除信號線上的高頻干擾。圖20:數(shù)字麥克風(fēng)應(yīng)用電路5.產(chǎn)品存儲注意事項存儲注意事項保存期限：在ESD包裝袋未打開，環(huán)境條件：30oC，70%R.H.的情況下，可在客戶或代理商端存儲12個月MSL(濕敏等級)1級.IQC抽檢需拆解MIC密封包裝的，測試后及時密封保存，或放入干燥柜存放。ESD包裝袋打開后，需在720小時內(nèi)使用完畢。未使用完的尾料需放入≤10%RH干燥柜或干燥袋內(nèi)密封保存，存儲時間不計入暴漏時間內(nèi)。禁止使用真空包裝存儲。6.數(shù)字MEMS麥克風(fēng)選型表數(shù)字產(chǎn)品清單Type

類型Dimension

尺寸

(mm)Soundport

音孔位置GettopP/N

共達型號Sensitivity

靈敏度SNR

信噪比Curren