随着家庭助手和语音交互设备在消费领域日益普及，麦克风正以更紧凑的形式集成到越来越多的设备中。这推动了MEMS（微机电系统）等新技术的发展，以及最近出现的用于提升性能的外壳安装版本，但代价是牺牲了坚固性和结构完整性。因此，这些更小、更脆弱的封装在生产阶段需要格外小心和提前规划，这一点也不足为奇。
Seeed深知MEMS麦克风涉及的风险以及准备不足可能带来的后果。ReSpeaker语音助手和麦克风阵列系列产品的经验证明，提前规划对高产率和长期可靠性至关重要。本文中，我们分享了一些使用这些部件的经验，并提供了一些建议，帮助避免损坏这些精密设备。
什么是MEMS麦克风以及它们如何工作？
MEMS麦克风，也称麦克风芯片，是一种微型SMT声学设备，用于拾取声波。它通常由并排放置的两个部分组成：位于PCB板上的ASIC芯片和MEMS声学传感器，然后封装在金属或塑料外壳中。声波必须进入外壳才能到达声学传感器，因此不可避免地需要在封装的某个位置开一个物理孔。这个孔或声端口可以位于封装顶部的外壳上，也可以位于底部。如果位于底部，还需要在主PCB板上钻孔。
MEMS传感器本质上是一个有两个极板的电容器；
一个带有孔洞的固定刚性板，和一个精细的膜电极或振膜。
当声波撞击膜并使其振荡时，极板之间间距的变化
会感应出电荷，然后转换为数字或模拟信号。
两个气室参与辅助振荡并影响音质。声波通过声端口进入前腔，然后使膜振荡。气压通过后腔逸出，使膜能够恢复到原始位置。
底部端口MEMS麦克风
底部端口MEMS麦克风（如ST公司的MP23ABS1）的入口位于声学传感器正下方，这最大化了后腔的尺寸。后腔更大的体积使膜能够更自由地移动，从而提高信噪比（SNR）并改善低频响应。同样，更小的前腔通过将亥姆霍兹共振移至更高频率来改善高频响应。这种配置提供了最佳性能，但有一个缺点。
对于这类麦克风，孔位于与焊盘相同的一侧，因此在焊接过程中必须小心防止焊料或助焊剂泄漏到开口中。因此，不言而喻，不建议使用波峰焊。
使用适当设计的钢网进行典型的回流焊程序，焊料不应进入入口。底部端口MEMS麦克风可以通过围绕声端口的特征环形接地焊盘来识别。钢网中相应的开口应设计如下：
重要的是不要打开整个区域，否则焊膏将直接涂在端口上，并且应使用免清洗焊膏以防止排出的助焊剂泄漏到孔中。如果手工涂抹焊膏，应特别注意准确对准焊盘，并在从板上提起钢网时避免弄脏焊膏。
在设计垫片时，必须考虑底部端口麦克风的PCB厚度。PCB越厚，前腔变得越大，对频率响应的影响越大。因此，对于底部端口MEMS麦克风，可能值得考虑使用柔性PCB，因为这样更容易将入口与外壳平齐定位，并且可以利用更薄的基板。
顶部端口MEMS麦克风
传统的顶部端口MEMS麦克风与底部端口型号相同，只是孔直接位于传感器上方的外壳中。这反转了两个腔室，产生了性能较差的麦克风。一些型号如MP34DT01将孔位于ASIC上方以保护膜免受灰尘影响，而更新的技术则通过将传感器和ASIC安装在外壳本身上来充分利用两种配置的优点。这些具有底部端口麦克风的改进性能，却没有焊接的复杂性。
对于顶部端口麦克风，如MP34DT01-M，危险存在于拾取和放置阶段。端口通常不位于组件的中心，但由于机器和包装容差的变化以及手动滑动的可能性，拾取和放置喷嘴可能会穿过入口并损坏设备内部。因此，制造商的数据表中通常定义了指定的安全拾取区域。满足这个安全拾取区域可以帮助减少此类事件的发生。或者，专门设计的喷嘴拉动封装的四个角而不是中心，提供了最好的保证。如果手动放置，考虑使用镊子。
通过遵循上述指南，可以避免声端口带来的危险。然而，正如Seeed的生产线工程师发现的那样，电路板还没有脱离困境。
Seeed的ReSpeaker麦克风阵列v1.0有七个顶部端口MP34DT01-M麦克风；一个在中心，六个在圆形板的边缘等距分布。ReSpeaker麦克风阵列设计用于定位声源位置，因此六个外部麦克风单元尽可能远离彼此放置。然而，这意味着它们位于特别危险的位置。
在早期生产中，四个角落位置的麦克风中有异常高比例（约10%）完全失效或性能不佳。回流焊后的部件替换将问题隔离到麦克风上，由于故障几乎总是位于这四个区域，怀疑指向了面板的设计。
距离这四个麦克风每个5毫米处是固定电路板在面板中的四个连接片。为了释放电路板，需要施加弯曲动作来折断连接片。Seeed的工程师推测，尽管电路板边缘有邮票孔，并且组件到电路板边缘的间距足够，但力可能足以损坏精密的麦克风。
故障麦克风样本被返回给供应商进行专业分析，结果证实麦克风的内部膜受到机械应力损坏。应变仪分析验证了分板阶段确实是最可能的故障点，也是膜破裂的原因。
为了解决这个问题，面板被重新设计，简单地移动连接片，使它们位于两个麦克风之间，距离连接片至少15毫米，并且连接片的宽度减小。这有效地消除了故障，并大大提高了产量。
吸取了教训，经验突显了这些设备的机械脆弱性。在许多消费设备中，麦克风位于设备边缘附近并不罕见，如手机。这可能意味着麦克风位于PCB边缘附近，在离开车间前后都可能受到过度的机械应力。根据预期的分板方法设计面板时应谨慎行事。
MEMS麦克风有相对较高的设计要求，应尽早将其纳入PCB和最终产品设计中。垫片设计和顶部/底部配置可能在确定设备中麦克风位置方面发挥重要作用，甚至可能影响产品外壳的形状。然后，重要的是确保组装商了解必要的预防措施以优化产量。
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