Artan sayıda ev asistanı ve sesle etkileşimli cihazın tüketici alanında ortaya çıkmasıyla birlikte, mikrofonlar daha önce hiç olmadığı kadar çok cihazda, giderek daha kompakt formlarda yer almaya başladı. Bu durum, MEMS (mikroelektrik-mekanik sistemler) teknolojisi gibi yeni teknolojilerin ortaya çıkmasını teşvik etti ve daha yakın zamanda, performansı artırmak için kasa monteli versiyonlar geliştirildi; ancak bu, dayanıklılık ve yapısal bütünlük açısından bazı dezavantajlar getirdi. Sonuç olarak, bu daha küçük ve daha kırılgan paketlerin üretim aşamasında ekstra dikkat ve proaktif planlama gerektirmesi sürpriz değil.
Seeed, MEMS mikrofonlarıyla ilgili risklerin ve kötü hazırlamanın potansiyel sonuçlarının farkındadır. ReSpeaker ses asistanları ve mikrofon dizileri ile elde edilen deneyim, proaktif planlamanın yüksek verim ve uzun vadeli güvenilirlik için hayati önem taşıdığını göstermiştir. Bu makalede, bu parçalarla ilgili bazı deneyimlerimizi paylaşıyor ve bu hassas cihazların zarar görmesini önlemek için bazı tavsiyelerde bulunuyoruz.
MEMS Mikrofonları nedir ve nasıl çalışır?
MEMS mikrofonları, mikrofon çipi olarak da bilinen, ses dalgalarını algılayan mini bir SMT akustik cihazdır. Genellikle yan yana yerleştirilmiş iki parçadan oluşur; bir ASIC çipi ve bir PCB kartına monte edilmiş MEMS akustik sensörü, ardından metal veya plastik bir kasa içine kaplanır. Ses dalgalarının akustik sensöre ulaşabilmesi için kasanın içine girmesi gerekir, bu nedenle pakette bir fiziksel delik gereklidir. Bu delik veya ses portu, kasanın üst kısmında veya alt kısmında yer alabilir. Eğer alt kısımda yer alıyorsa, ana PCB kartında da bir delik açılması gerekir.
MEMS sensörü esasen iki plakadan oluşan bir kondansatördür; deliklerle perforasyon yapılmış sabit bir sert plaka ve ince bir membran elektrodu veya diyafram. Ses dalgaları membrana çarptığında ve onu osilasyona uğrattığında, plakalar arasındaki mesafedeki değişim bir yük oluşturur ve bu yük dijital veya analog bir sinyale dönüştürülür.
Osilasyonları destekleyen iki hava odası vardır ve bunlar ses kalitesini etkiler. Ses dalgaları, ses portundan ön odaya girer ve ardından membranın osilasyona uğramasına neden olur. Hava basıncı, membranın orijinal konumuna dönmesini sağlayan arka odadan kaçar.
Alt-Port MEMS Mikrofonlar
ST tarafından üretilen MP23ABS1 gibi alt-port MEMS mikrofonları, akustik sensörün hemen altında yer alan girişe sahiptir, bu da arka odanın boyutunu maksimize eder. Arka odadaki daha büyük hacim, membranın daha serbest hareket etmesini sağlar ve dolayısıyla sinyal-gürültü oranını (SNR) artırır ve düşük frekans tepkisini iyileştirir. Benzer şekilde, daha küçük bir ön oda, Helmholtz rezonansını daha yüksek bir frekansa çıkararak yüksek frekans tepkisini artırır. Bu yapı optimal performans sağlar ancak bazı dezavantajları vardır.
Bu tür mikrofonlar için delik, lehim padleriyle aynı tarafta yer aldığından, lehimleme sırasında açılışın içine lehim veya akı sızmasını önlemek için dikkat edilmelidir. Bu nedenle, dalga lehimleme önerilmez.
Uygun şekilde tasarlanmış bir şablon kullanarak tipik bir reflow lehimleme prosedürü ile, lehimin girişe girmesi beklenmez. Alt-port MEMS mikrofonları, ses portunu çevreleyen karakteristik halka şeklindeki toprak padleri ile tanımlanabilir. Şablondaki ilgili açılış şu şekilde tasarlanmalıdır:
Tüm alanın açılmaması önemlidir, aksi takdirde pasta doğrudan porta uygulanır ve akının deliğe sızmasını önlemek için no-clean lehim pastası kullanılmalıdır. Pasta elle uygulanırken, padlerin doğru bir şekilde hizalanmasına dikkat edilmeli ve şablonun karttan kaldırılması sırasında lehim pastasının dağılmaması için özen gösterilmelidir.
Conta tasarlarken, alt-port mikrofonlar için PCB kalınlığının dikkate alınması gerekir. PCB ne kadar kalın olursa, ön oda o kadar büyük olur ve frekans tepkisi üzerinde daha büyük bir etki yaratır. Bu nedenle, alt-port MEMS mikrofonlar için esnek PCB’leri düşünmek faydalı olabilir, çünkü girişin kasayla düz bir şekilde konumlandırılması daha kolaydır ve daha ince alt tabakadan yararlanabilirsiniz.
Üst-Port MEMS Mikrofonlar
Geleneksel üst-port MEMS mikrofonları, alt-port varyantlarıyla aynı özelliklere sahiptir, tek fark, delik sensörün üstünde, doğrudan kasanın içinde yer alır. Bu, iki odayı tersine çevirir ve daha düşük özelliklere sahip bir mikrofon üretir. MP34DT01 gibi bazı modeller, membranı tozdan korumak için deliği ASIC’in üstünde yerleştirirken, daha yeni teknolojiler, sensörü ve ASIC’i kasanın kendisine monte ederek her iki dünyanın avantajını sunar. Bu, lehimleme komplikasyonları olmadan alt-port mikrofonların geliştirilmiş performansını sağlar.
MP34DT01-M gibi üst-port mikrofonlar için, tehlike, alma ve yerleştirme aşamasında ortaya çıkar. Port genellikle bileşenin merkezinde yer almaz, ancak makine ve ambalaj toleranslarındaki farklılıklar ve el kayması olasılığı nedeniyle, alma ve yerleştirme nozulunun girişten geçip cihazın içini hasar verme olasılığı vardır. Bu nedenle, üreticinin veri sayfasında genellikle belirlenmiş bir güvenli alma alanı tanımlanır. Bu güvenli alma alanına uymak, böyle durumları azaltmaya yardımcı olabilir. Alternatif olarak, paketin merkezinden ziyade dört köşesinden çekim yapan özel olarak tasarlanmış nozul kullanmak en iyi garantiyi sunar. Elle yerleştirirken, cımbız kullanmayı düşünün.
Yukarıdaki yönergelere uyarak, ses portunun sunduğu tehlikeler önlenebilir. Ancak, Seeed’in üretim hattı mühendislerinin keşfettiği gibi, kartlar henüz tehlikeden uzak değildi.
Seeed’in ReSpeaker Mic Array v1.0, merkezde bir ve dairesel bir kartın kenarında eşit aralıklarla yerleştirilmiş yedi üst-port MP34DT01-M mikrofonuna sahiptir. ReSpeaker mikrofon dizisi, kaynak konumunu belirlemek üzere tasarlanmıştır, bu nedenle altı dış mikrofon biriminin birbirinden mümkün olduğunca uzak yerleştirilmesi gerekmektedir. Ancak bu, onları özellikle tehlikeli pozisyonlarda konumlandırmıştır.
İlk üretim serilerinde, dört köşe pozisyonlarındaki mikrofonların alışılmadık derecede yüksek bir oranı (%10 civarı) tamamen arızalandı veya düşük performans gösterdi. Reflow sonrası parça değişimi, sorunun mikrofonlarda olduğunu izole etti ve arızalar neredeyse her zaman bu dört alanda meydana geldiğinden, şüphe panelin tasarımına yöneldi.
Bu dört mikrofonun her birinden 5 mm uzakta, paneldeki kartı tutan dört sekme bulunuyordu. Kartı serbest bırakmak için sekmeleri kırmak amacıyla bir bükme hareketi uygulanır. Seeed mühendisleri, kart kenarını sıralayan deliklerin ve yeterli bileşen ile kart kenarı arasındaki boşluğun olmasına rağmen, uygulanan kuvvetin hassas mikrofonlara zarar verecek kadar güçlü olabileceğini öne sürdü.
Arızalı mikrofonların örnekleri, profesyonel analiz için tedarikçiye geri gönderildi ve bulgular, mikrofonların iç zarlarının mekanik stres nedeniyle hasar gördüğünü doğruladı. Gerilme ölçer analizi, panelden ayırma aşamasının gerçekten de en olası arıza noktası olduğunu ve zarların yırtılmasının sebebi olduğunu doğruladı.
Sorunu çözmek için panel yeniden tasarlandı ve sekmeler, en az 15 mm uzakta, iki mikrofonun ortasında yer alacak şekilde hareket ettirildi ve sekmenin genişliği azaltıldı. Bu, arızaları etkili bir şekilde ortadan kaldırdı ve verimi önemli ölçüde artırdı.
Dersler alındı ve deneyim, cihazların mekanik kırılganlığını vurguladı. Birçok tüketici cihazında, mikrofonların telefon gibi cihazın kenarına yakın bir yerde bulunması oldukça yaygındır. Bu, mikrofonun PCB’nin kenarına yakın bir yerde yer aldığı ve hem üretim sürecinde hem de sonrasında aşırı mekanik strese maruz kalabileceği anlamına gelebilir. Panelin tasarımında, hedeflenen panelden ayırma yöntemine göre dikkatli olunmalıdır.
MEMS mikrofonlarının, PCB ve nihai ürün tasarımına mümkün olan en erken aşamada dahil edilmesi gereken oldukça talepkar tasarım gereksinimleri vardır. Conta tasarımı ve üst/alt yapılandırması, mikrofonun cihaz içindeki konumunu belirlemede büyük bir rol oynayabilir ve hatta ürün muhafazasının şeklini etkileyebilir. Bu nedenle, montajcının verimi optimize etmek için gerekli önlemleri bildiğinden emin olmak önemlidir.
Seeed’de, Seeed Fusion Turnkey PCB Assembly hizmeti, iç tasarım mühendislerimizle ürün geliştirme uzmanlığımızdan en iyi şekilde yararlanmanızı sağlar. Uygulayıcı mühendislerimiz, ürün geliştirme bağlamında PCB tasarımı, elektronik mühendisliği ve üretim montajı konularında pratik deneyime sahiptir. Üretim ve montaj verilerinizi, sorunsuz ve hızlı bir üretim süreci sağlamak için PCBA Tasarım için Montaj (DFA) incelemesi kapsamında gözden geçirmeleri için uzmanlıklarından yararlanın.
Online olarak anında fiyat teklifi alın ve DFA İncelemesini seçin. DFA incelemesinde neler kapsanıyor?
Artık PCBA siparişiniz 500 $’ı aştığında DFA incelemesini ücretsiz alabilir veya hızlandırılmış hizmetle ücretsiz alabilirsiniz.