Mikro-Mikrofon hält hohe Löttemperaturen aus

Nachdem in den Handys praktisch nur noch ein Bauelement übrig geblieben ist, das nicht oberflächenbestückbar ist, hat auch dieses schließlich nachgezogen. Ein neuartiges Mikrofon in MEMS-Bauweise übersteht jetzt die hohen Temperaturen in den SMD-Lötmaschinen. Dank weiter verkleinerter Bauhöhe kann das ganze Gerät damit noch flacher werden.

Nachdem in den Handys praktisch nur noch ein Bauelement übrig geblieben ist, das nicht oberflächenbestückbar ist, hat auch dieses schließlich nachgezogen. Ein neuartiges Mikrofon in MEMS-Bauweise übersteht jetzt die hohen Temperaturen in den SMD-Lötmaschinen. Dank weiter verkleinerter Bauhöhe kann das ganze Gerät damit noch flacher werden.

Aufgrund des beinharten Verdrängungswettbewerbs unter den Herstellern von Mobiltelefonen müssen die Produktionskosten mit allen erdenklichen Mitteln gedrückt werden. Mittlerweile ist so ziemlich alles automatisiert, was sich automatisieren lässt. Es finden fast nur noch SMD-Bauteile mit Bestückungskosten im Zehntel-Cent-Bereich Verwendung. Nur einige wenige sind übrig geblieben, die bei ihrer Montage Handarbeit erfordern – ein Störfaktor, den man umgehen möchte.

Eines davon ist das Elektret-Kondensator-Mikrofon (ECM). Das Problem: Es darf nicht auf den üblichen Lötanlagen verarbeitet werden, weil es die hohen Temperaturen nicht aushält. Das liegt an den speziellen Materialien und auch am Funktionsprinzip. Das ECM enthält im Inneren eine bewegliche Membran und eine rückseitige Elektrode, die bei der Herstellung auf eine hohe Spannung (typisch 200 bis 300 V) aufgeladen wird und diese dank guter Isolation über viele Jahre hinweg hält – vorausgesetzt, die Temperatur wird nicht zu hoch. Lässt man es durch das Lötbad laufen, dann fließt die Ladung ab und es wird taub oder zumindest sehr viel unempfindlicher. Bei Handmontage ist aber erfahrungsgemäß die Ausbeute nicht 100 Prozent, das erfordert einen eigenen Testschritt und ggf. eine Nachbearbeitung. Wegen der herkömmlichen Durchsteckmontage braucht das Mikrofon außerdem Platz auf beiden Seiten der Platine.

Eine Alternative haben die Entwickler der britischen Firma Knowles Acoustics (www.knowlesacoustics.com) gefunden. Ihr neuartiges Elektret-Mikrofon „SiSonic“ ist ultraklein und hält die hohen Löttemperaturen problemlos aus. Damit lässt es sich wie andere SMD-Bauelemente automatisch im selben Arbeitsgang verarbeiten. Es handelt sich um ein MEMS-Bauelement (Micro Electro Mechanical System) aus Silizium, das mechanisch bewegliche Strukturen und Halbleitertechnologie vereint. Wie bei einem konventionellen ECM hat es eine Membran, die dicht vor der festen Rückplatte sitzt und mit dieser einen Kondensator bildet. Wenn Schall auftrifft, bewegt sie sich entsprechend, dabei ändert sich die Kapazität. Dies wird von der angeschlossenen Elektronik registriert und in eine proportionale Spannung umgesetzt.

Der wesentliche Unterschied zu einem konventionellen ECM liegt jedoch darin, wie die Ladung auf der Rückplatte erhalten wird. Das SiSonic-Mikrofon verlässt das Werk ohne Ladung. Diese wird bei jedem Einschalten durch eine CMOS-Schaltung neu in die Rückplatte „gepumpt“. 12 V haben sich als ausreichend erwiesen.

Herkömmliche ECMs haben die störende Eigenschaft, dass ihre Empfindlichkeit stark sinkt, wenn man ihre Membran verkleinert. Der minimal sinnvolle Durchmesser liegt bei 4 bis 6 mm. Bei SiSonic ist das wegen der grundsätzlich anderen Bauweise nicht so, es behält seine Empfindlichkeit
(–42 dBV), obwohl die Membran nur 0,5 mm misst. Dies wird dadurch erreicht, dass sie frei schwimmend aufgehängt ist. Dank der kleinen Abmessungen können tausende von solchen Mikrofonen gleichzeitig auf einem Wafer hergestellt werden.

Im Inneren des metallbeschichteten Gehäuses sitzt neben dem Mikrofon ein CMOS-IC, verbunden über sehr kurze Bonddrähte, das einen Vorverstärker und die besagte Ladungspumpe enthält. Indem das Signal schon mit hohem Pegel austritt, ist die Störempfindlichkeit auf den äußeren Leitungen verringert. Die neuesten, auf der electronica 2006 vorgestellten Versionen bieten jetzt einen symmetrischen Differenzausgang oder auch einen Digitalausgang mit 1-Bit-Pulsdichte-Modulation (PDM) für noch bessere Störunterdrückung. Bei Fernfeldanwendungen (Freisprechen) lässt sich die Verstärkung außerdem um 20 dB anheben. Der Übertragungsbereich ist etwa 100 Hz bis 10 kHz bei kugelförmiger Richtcharakteristik. Dank der neuen Konstruktion ist die Vibrationsempfindlichkeit minimal.

Gegenüber den älteren, handbestückten ECMs braucht SiSonic sehr viel weniger Platz: nur noch 23 mm2, wobei es sich mit einer Platinenseite begnügt, während die andere frei bleibt. Nicht mehr möglich ist jetzt ein Waschen der Platine. Aber dieser Vorgang wird sowieso nach und nach überall abgeschafft. Die Bauhöhe ist nur 1,5 mm und lässt sich mit einem Trick fast bis auf Null reduzieren: Das Mikrofon kann auf der Rückseite der Platine montiert und durch diese hindurchgeführt werden, so dass fast gar nichts mehr herausragt.