ホームアシスタントや音声対話デバイスが消費者分野でますます普及するにつれて、マイクロフォンはこれまで以上に多くのデバイスに、よりコンパクトな形で組み込まれるようになっています。これにより、MEMS（マイクロエレクトロメカニカルシステム）技術のような新技術の出現が促進され、最近では性能向上のためにケースに取り付けられたバージョンも登場していますが、これは耐久性と構造的完全性を犠牲にしています。その結果、これらのより小さくて壊れやすいパッケージが生産段階で特別な注意と事前計画を必要とすることは当然のことです。
SeeedはMEMSマイクロフォンに関わるリスクと、不十分な準備がもたらしうる結果を十分に認識しています。ReSpeakerシリーズの音声アシスタントやマイクアレイの経験が証明しているように、事前計画は高い歩留まりと長期的な信頼性にとって不可欠です。本記事では、これらの部品に関する私たちの経験の一部を共有し、これらの繊細なデバイスを損傷から守るためのアドバイスを提供します。
MEMSマイクロフォンとは何か、どのように動作するのか？
MEMSマイクロフォンはマイクチップとしても知られ、音波を拾うミニチュアSMT音響デバイスです。通常、ASICチップとPCBボードに搭載されたMEMS音響センサーの2つの部分が並んで配置され、金属またはプラスチックのケースに封入されています。音波がケースに入って音響センサーに到達する必要があるため、パッケージのどこかに物理的な穴が必要です。この穴または音響ポートは、パッケージの上部のケースに配置されるか、下部に配置されます。下部に配置される場合、メインのPCBボードにも穴を開ける必要があります。
MEMSセンサーは基本的に2つのプレートからなるコンデンサです。
穴が開いた固定された硬質プレートと、細い膜電極（ダイアフラム）です。
音波が膜に衝突して振動を引き起こすと、プレート間の
間隔の変化が電荷を誘導し、それがデジタルまたはアナログ信号に変換されます。
2つの空気室が振動を助け、音質に影響を与えます。音波は音響ポートから前室に入り、膜を振動させます。空気圧は後室を通って逃げ、これにより膜が元の位置に戻ることができます。
ボトムポートMEMSマイク
ST社のMP23ABS1のようなボトムポートMEMSマイクロフォンは、音響センサーの真下に入口があり、これにより後室のサイズを最大化します。後室の体積が大きいほど膜がより自由に動くことができ、したがって信号対雑音比（SNR）が向上し、低周波数応答が改善されます。同様に、小さい前室はヘルムホルツ共鳴をより高い周波数に移動させることで高周波数応答を改善します。この構成は最適な性能を提供しますが、欠点もあります。
これらのタイプのマイクロフォンでは、穴がはんだ付けパッドと同じ側にあるため、はんだ付け中にはんだやフラックスが開口部に漏れ込まないように注意を払う必要があります。したがって、波はんだ付けが推奨されないのは言うまでもありません。
適切に設計されたステンシルを使用した典型的なリフローはんだ付け手順では、はんだが入口に入り込むことはありません。ボトムポートMEMSマイクは、音響ポートを囲む特徴的なリング状のグラウンドパッドによって識別できます。ステンシルの対応する開口部は以下のように設計する必要があります：
領域全体を開けないことが重要です。そうしないとペーストがポートに直接塗布され、放出されたフラックスが穴に漏れ込むのを防ぐためにノークリンはんだペーストを使用する必要があります。ペーストを手作業で塗布する場合、パッドを正確に配置し、ボードからステンシルを持ち上げる際にはんだペーストがにじまないように特別な注意を払う必要があります。
ガスケットを設計する際、ボトムポートマイクではPCBの厚さを考慮する必要があります。PCBが厚いほど前室は大きくなり、周波数応答への影響も大きくなります。したがって、ボトムポートMEMSマイクにはフレキシブルPCBを検討する価値があるかもしれません。これにより、入口をケースと平らに配置しやすくなり、より薄い基板の利点を活用できます。
トップポートMEMSマイク
従来のトップポートMEMSマイクはボトムポートバリアントと同じですが、穴がセンサーの真上のケースに配置されている点が異なります。これにより2つの室が逆転し、性能が劣るマイクが生成されます。MP34DT01のような一部のモデルでは、膜を埃から保護するために穴がASICの上に配置されています。より最近の技術では、センサーとASICをケース自体に取り付けることで両方の利点を活用しています。これらははんだ付けの複雑さなしにボトムポートマイクの改良された性能を提供します。
MP34DT01-Mのようなトップポートマイクの場合、危険はピックアンドプレース段階に存在します。ポートは通常部品の中央に配置されていませんが、様々なマシンとパッケージの許容差と手の滑りの可能性により、ピックアンドプレースノズルが入口を通過してデバイスの内部を損傷する可能性があります。したがって、メーカーのデータシートでは多くの場合、指定された安全なピック領域が定義されています。この安全なピック領域を満たすことは、そのような発生を減らすのに役立ちます。代替案として、中央ではなくパッケージの四隅を引く特別に設計されたノズルが最良の保証を提供します。手作業で配置する場合は、代わりにピンセットの使用を検討してください。
上記のガイドラインに従うことで、音響ポートがもたらす危険を回避できます。しかし、Seeedの生産ラインエンジニアが発見したように、ボードはまだ安全ではありませんでした。
SeeedのReSpeaker Mic Array v1.0には7つのトップポートMP34DT01-Mマイクロフォンがあります。中央に1つ、円形ボードの端に等間隔で6つです。ReSpeakerマイクアレイは音源の位置を特定できるように設計されているため、6つの外側のマイクユニットは互いに可能な限り離れて配置されています。しかし、これはそれらが特に危険な位置に配置されることを意味しました。
初期の生産ロットでは、四隅の位置にあるマイクの異常に高い割合（約10%）が完全に故障するか、性能が低下していました。リフロー後の部品交換により、問題はマイクにあることが特定され、故障がほぼ常にこれらの4つの領域に位置していたため、疑いはパネルの設計に向けられました。
これら4つのマイクのそれぞれから5mm離れた場所に、ボードをパネルに固定する4つのタブがありました。ボードを解放するために、タブを破るために曲げ動作が適用されました。Seeedのエンジニアは、ボードの端にスタンプ穴があり、部品とボードの端の間に十分な間隔があるにもかかわらず、その力が繊細なマイクを損傷するのに十分であった可能性があると推測しました。
不良マイクのサンプルがサプライヤーに返送され、専門的な分析が行われ、その結果、マイクの内部膜が機械的ストレスによって損傷したことが確認されました。ひずみゲージ分析は、分離段階が indeed 最も可能性の高い故障点であり、膜の破裂の原因であることを検証しました。
問題を解決するために、パネルは再設計され、タブが2つのマイクの間に配置されるように単純に移動され、タブから少なくとも15mm離れ、タブの幅が減らされました。これにより故障が効果的に排除され、歩留まりが大幅に向上しました。
教訓が学ばれ、その経験はデバイスの機械的な脆弱性を浮き彫りにしました。多くの消費者デバイスでは、電話のようにデバイスの端にマイクロフォンが配置されていることは珍しくありません。これは、マイクロフォンがPCBの端に配置される可能性があることを意味し、そこでは製造工場を出る前後の両方で過度の機械的ストレスが加えられる可能性があります。意図された分離方法に従ってパネルを設計する際には注意を払う必要があります。
MEMSマイクロフォンは比較的要求の厳しい設計要件を持っており、これらは可能な限り早い段階でPCBと最終製品の設計に組み込む必要があります。ガスケットの設計とトップ/ボトム構成は、デバイス内のマイクの位置を決定する上で大きな役割を果たし、製品ケースの形状にさえ影響を与える可能性があります。次に、アセンブラが歩留まりを最適化するために必要な予防措置を認識していることを確認することが重要です。
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