CN111147989B - 具有用于多维换能器阵列的中介层的阵列上芯片 - Google Patents

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Abstract

具有用于多维换能器阵列的中介层的阵列上芯片。在阵列上芯片方法中，分离地形成声学和电子模块。声学堆叠（10、11、12）连接到一个中介层（13），并且电子器件（17）连接到另一个中介层（16）。可以使用不同的连接过程（例如，针对声学堆叠使用低温接合，并且针对电子器件使用基于较高温度的互连）。该布置可以通过使中介层（13、16）中的通孔（20）交错来允许换能器元件（21）和电子器件（17）的I/O的不同节距PA、PE。然后将两个中介层（13、16）连接以形成阵列上芯片。

Description

具有用于多维换能器阵列的中介层的阵列上芯片
背景技术
本实施例涉及多维换能器阵列与电子器件的互连。实现声学阵列和相关联的发射和/或接收电子器件之间的互连是多维（矩阵）换能器的技术挑战。以二维（方位角和仰角）分布的数百或数千个（例如，多达10000个）不同元件针对至少被其它元件包围的元件需要沿着z轴（深度或范围）的互连。由于元件小（例如，250-500μm），因此用于到每个元件的分离的电连接存在有限的空间。
存在用于为多维换能器阵列提供互连的三个方法：阵列上芯片（chip-on-array）、基于框架的方法和多层柔性件。在阵列上芯片中，声学阵列直接建立在专用集成电路（ASIC）芯片的输入/输出（I/O）上。原则上，该方法在声学元件与电子器件之间提供了最短的电互连，从而导致合期望地低的电气寄生效应。由于阵列或电子器件中可能的故障，因此可能导致非常低的处理良率（process yield）。声学元件无法被测试，直到电子器件上的形成完成为止。由于声学阵列建立在昂贵的电子器件之上，因此声学阵列的损失导致昂贵电子模块的损失。
在基于框架的方法中，将阵列划分成几个区段（例如，4个）。每个区段具有坚固的金属框架。在金属框架周围弯曲的柔性电路将与多个声学元件一样多的信号从声学元件重新分配到被放置在柔性电路上的ASIC。基于框架的方法的信号路由比阵列上芯片复杂，从而导致更高的电气寄生效应。由于声学元件建立在分离的柔性电路上，因此针对声学和电子器件两者提供了更好的处理良率和可测试性。
多层柔性件方法堆叠了尽可能多的柔性电路（例如，多达9层），以在没有任何孔径分割的情况下路由许多元件（例如，多达9000个声学元件）的信号。与阵列上芯片或基于框架的方法相比，该多层柔性件可以弯曲以用作弯曲矩阵阵列。由于多个柔性电路和每个柔性件上的长迹线，该路由导致了高的电气寄生效应。
发明内容
作为介绍，下面描述的优选实施例包括用于将电子器件与换能器元件阵列连接的方法、系统和部件。在阵列上芯片方法中，分离地形成声学和电子模块。声学堆叠连接到一个中介层，并且电子器件连接到另一个中介层。可以使用不同的连接过程（例如，针对声学堆叠使用低温接合，并且针对电子器件使用基于较高温度的互连）。该布置可以通过使中介层中的通孔交错（stagger）来允许换能器元件和电子器件的I/O的不同节距。然后将两个中介层连接以形成阵列上芯片。
在第一方面，提供了一种多维换能器阵列系统。声学阵列具有在二维上以网格分布的换能器元件。第一中介层利用在低于换能器元件的居里温度的温度下接合的材料而接合到声学阵列。集成电路具有用于利用声学阵列进行超声扫描的发射和/或接收电路。第二中介层利用在高于换能器元件的居里温度的温度下接合的材料而接合到集成电路。在第一和第二中介层中形成的通孔将换能器元件电连接到集成电路。
在第二方面，提供了一种超声换能器探头。阵列上芯片布置包括半导体芯片，该半导体芯片通过由多个层形成的中介层电连接到多维换能器阵列。层中的通孔形成多维换能器阵列到半导体芯片的电连接。使通孔形成图案，以将节距从多维换能器阵列的第一节距更改成半导体芯片的连接焊盘的第二不同节距。
在第三方面，提供了一种用于将电子器件与声学元件阵列连接的方法。具有第一通孔的第一材料薄板连接到换能器堆叠。具有第二通孔的第二材料薄板连接到集成电路，以用于超声发射和/或接收操作。然后，如连接到换能器堆叠的第一材料薄板与如连接到集成电路的第二材料薄板接合。
本发明由以下权利要求限定，并且本部分中的任何内容不应被视为对这些权利要求的限制。本发明的进一步方面和优点在下文结合优选实施例进行讨论，并且可以之后独立地或以组合形式被要求保护。不同实施例可以实现或无法实现不同的目的或优点。
附图说明
部件和附图不一定是按比例的，而是将重点置于图示本发明的原理。此外，在附图中，遍及不同视图，相同的附图标记标明对应的部分。
图1是具有集成电路的声学阵列的阵列上芯片互连的一个实施例的横截面视图；
图2是具有集成电路的声学阵列的阵列上芯片互连的另一实施例的横截面视图；
图3示出了用于在经胸超声心动图（TTE）探头中使用的阵列上芯片系统的示例成形；
图4示出了用于在心内超声心动图（ICE）导管探头中使用的阵列上芯片系统的示例成形；
图5是用于将电子器件与声学元件阵列连接的方法的一个实施例的流程图；
图6是连接到中介层的声学堆叠的一个示例的横截面视图；以及
图7是连接到中介层的集成电路的一个示例的横截面视图。
具体实施方式
针对多维（例如，矩阵）阵列换能器的电连接，阵列上芯片被提供有中介层。中介层由放置在电子器件（例如，ASIC）与阵列的声学元件之间的柔性电路或其他材料形成。使用特定于模块（例如，声学阵列和电子模块）的过程和所得的层布置而分离地形成声学阵列到中介层以及电子芯片到中介层的电互连。然后，由分离形成的模块形成中介层到中介层的电互连。用于将多维矩阵阵列换能器的声学和电子模块集成的该超声换能器架构可以提供最小化的电气寄生效应、关于声学和电子模块两者的分离的可测试性、超声换能器制造的更好的过程良率、针对某些互连的更高热预算、以及电子模块的改进的可靠性，其中的全部都可以降低总体成本。
由于通过通孔的短电气路径，因此提供了较低的电气寄生效应。每个声学元件通过中介层柔性电路内的几个（例如2-4个）堆叠的通孔而电互连到其对应的ASIC的I/O。每个通孔的高度非常低，使得来自声学元件和ASIC的电互连短，从而导致与基于框架和多层柔性件方法相比的较低的电气寄生效应。
声学和电柔性电路（中介层）可以具有交错的通孔。相对于换能器元件的节距和位置，交错的通孔为超声换能器的阵列上芯片中的声学与电气模块之间的电互连提供了I/O节距方面的更多灵活性。
可以将两个或更多个较小尺寸的芯片而不是单个大型的昂贵ASIC芯片安装到柔性电路上（芯片平铺）。该布置允许较小、较不昂贵的集成电路。
低温接合可以用于声学模块，而高温互连可以用于电子模块。对于声学模块，使用低温和低压接合层。声学模块可以通过将换能器堆叠的各层以及中介层一步接合在一起而形成。低温（例如，<120℃）可固化聚合物（例如，环氧树脂）用于连接声学模块。声学模块的热预算被限制在压电层的居里温度以下（例如，二元单压电晶体<80℃，或者三元单压电晶体<120℃）或其他击穿温度以下。高温（例如，>120℃）互连可以用于电子模块，从而提供用于ASIC连接和/或无源部件（例如，电容器、电阻器和/或电感器）的连接的更可靠的互连。用于电子模块的高温可靠电互连（>120℃）包括铅和无铅焊料（>180℃）、具有焊料盖的铜柱（>250℃）、以及高温各向异性导电膜（ACF）（>120℃）。由于每个模块都建立在分离的中介层上，因此声学模块可以通过与低温可固化聚合物的一步接合而形成，并且同时，较高热预算在电子模块上可用。
由于声学模块和电子模块彼此分离地连接到中介层，因此可以分离地测试这些模块。在分离的中介层柔性电路上的声学和电子模块形成的并行过程允许在每个模块被组装在一起之前对每个模块进行测试。在测试之后只有好的模块用于形成超声换能器的完整组装件。由于一个模块的损失不在另一模块的故障之上累积，因此可能导致针对制造的更好过程良率。
图1是多维换能器阵列系统的一个实施例的横截面视图。该系统用于超声换能器探头，诸如在用于从患者的外部进行扫描的手持式探头、或者用于从患者内进行扫描的基于腔内或基于导管的探头中。该系统是阵列上芯片布置，其中半导体芯片通过由多个层形成的中介层电连接到多维换能器阵列。由于短的电连接，因此可以提供利用超声的改进的扫描和成像以用于医学诊断。
使用图5的方法或另一种方法来形成阵列系统和对应的探头。该阵列系统包括由换能器堆叠和至少一个中介层13形成的声学模块、以及由集成电路17和至少一个中介层16形成的电子模块。可以包括附加的模块。
声学模块包括声学阵列22，该声学阵列22具有在二维上以网格分布的换能器元件21。多维换能器阵列22是压电或微机电（电容性薄膜）元件的阵列。本文中使用压电示例。阵列22是平坦的、凹陷的或凸起的。换能器元件21沿着两个维度分布。换能器元件21沿着两个维度以完全采样间隔沿着各种节距（诸如每250、400或500微米）中的任一个而分布。在图1中，换能器元件21的节距被示出为节距PA。可以使用其他节距或作为位置函数而变化的节距。在不同的方向或维度上，节距可以相同或不同，诸如沿着仰角为300微米并且在方位角上为600微米。提供了对换能器元件21的放置的完全或稀疏采样。
阵列22和对应的换能器元件21包括一个或多个阻抗匹配层10、压电层11和去匹配层12。阵列22的换能器元件21中的每一个包括至少两个电极。元件在电和声学能量之间进行转换。可以提供附加的、不同的或更少的层。例如。背衬块可以定位在阵列22的一侧，以用于限制来自不期望的方向上发射的能量的声学反射。可以包括透镜、窗或其他现在已知或以后开发的多维换能器阵列部件。
阻抗匹配层10是1/4波长厚度的材料层。该材料具有在压电层11与患者的阻抗之间的声学阻抗。可以使用用于声学阻抗中的逐渐改变的多个层。
压电层11是压电材料的平板或板。可以使用固体压电。可以使用单晶或多晶压电材料。在其他实施例中，使用压电和环氧树脂的复合物或另一聚合物。
去匹配层12是1/4波长厚度的材料层。可以使用任何材料，诸如碳化钨。去匹配层12提供了钳制的边界条件，从而导致超声换能器中更好的灵敏度和更宽的带宽。
接地平面可以形成一个电极。接地平面可以由阻抗匹配层10提供。替代地，将导体薄板放置或沉积在阻抗匹配层10上、阻抗匹配层10内或阻抗匹配层10下方。
另一个导体薄板提供了用以形成信号电极的导体。可以使用沉积在中介层13上的导体。替代地，放置或形成在压电层11上的导体被定位在压电层11与去匹配层12之间。在仍其他实施例中，导体由去匹配层12的导电材料形成。导体薄板一旦被切割或被分离就为换能器元件21提供信号电极。为每个换能器元件提供电分离的信号电极。
中介层13是电绝缘或介电材料。在一个实施例中，中介层13由诸如聚酰亚胺之类的柔性电路材料薄板形成。迹线或其他导体可以被包括在中介层13的材料上和/或该材料中，诸如沉积和/或蚀刻的铜迹线。可以附接无源和/或有源电子器件。由于柔性电路材料被放置在电子芯片（例如，ASIC）与声学阵列22之间以提供用于电互连的信号路由或分布，因此该材料是中介层。
中介层13与声学堆叠连接以形成声学模块。物理连接是通过接合实现的，因此提供了接合材料层。在图1的示例中，接合材料是环氧树脂层，例如低温可固化环氧树脂14。环氧树脂层将中介层13保持到声学堆叠，诸如将中介层13保持到去匹配层12。
可以使用用于接合的任何材料。在一个实施例中，该材料是低温可固化聚合物，诸如环氧树脂、聚氨酯、聚酯、银浆或其他基于聚合物的材料。低温与换能器元件21有关。压电层11的居里温度可以在80-120℃之间。例如，二元单压电晶体具有80℃的居里温度，并且三元单压电晶体具有120℃的居里温度。可以提供其他居里温度。可以使用与声学堆叠中任何层的击穿或操作中的改变有关的其他温度。达到或超过该温度在形成声学模块中是不期望的。用于接合或其他互连的材料允许在不超过低温的情况下进行连接。
从信号电极到迹线、通孔20或中介层13上的其他导体来提供粗糙接触。中介层13与去匹配层12堆叠。换能器的阻抗匹配层10、压电层11可以预先接合在一起或不接合。用于接合的材料被添加到堆叠或在堆叠期间添加。该材料可以在室温下或者在居里温度或其他击穿温度以下的升高温度下固化。在一个实施例中，阻抗匹配层10、压电层11、去匹配层12和中介层13同时或作为相同固化的部分被堆叠和接合（即，一步接合）以形成声学模块。
中介层13包括多个通孔20。几个通孔20在图1中被示为倒三角形。在单个中介层13上，为每个换能器元件提供一个通孔20，但是可以提供附加或更少的通孔。诸如通过蚀刻、沉积、钻孔或模制来在中介层13中形成通孔20。诸如铜之类的导体填塞或填充了孔，以创建穿过中介层13的厚度的导电路径。该通孔20提供了从中介层13的一侧到另一侧的导电路径，以诸如允许在阵列上芯片布置中的从换能器元件21的信号电极到电子模块（例如，集成电路17）的电连接。
通孔20被定位成与信号电极连接。在通孔20与信号电极和对应的换能器元件21在相同的节距PA下的情况下，通孔20与信号电极对准。在图1的示例中，用于声学模块的中介层13的通孔20具有相同的节距。通孔20的节距可以不同于信号电极的节距PA。在这种情况下，在中介层13上形成迹线或焊盘以将信号从信号电极路由到通孔20。替代地，通孔20成角度，使得在与信号电极相邻的表面上提供节距PA，并且在中介层13的相对表面上提供不同的节距。
信号电极一旦被对准且接合就电连接到中介层13的通孔20。这提供了从换能器元件21到电子模块或从电子模块的信号的z轴路由。所组装的声学模块包括用于通过粗糙接触在电连接的情况下将中介层13物理地保持到换能器元件21的接合材料。
电子模块包括电子器件（例如，集成电路17和/或无源电子器件18，也称为无源器件18）和一个或多个中介层16。在电子模块中可以提供附加的、不同的或更少的部件。
无源电子器件18是分立部件，诸如电阻器、电容器和/或电感器。可以使用其他无源电子器件或不使用无源电子器件。
有源电气部件是半导体，诸如晶体管器件。“有源”电气部件用于表达一种类型的器件而不是该器件的操作。基于晶体管或基于开关的器件是有源器件，而电阻器、电容器或电感器是无源器件。有源电气器件是一个或多个集成电路17，诸如ASIC 17。集成电路17可以是专用集成电路、模拟电路、数字电路、开关、多路复用器、控制器、处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或其他现在已知或以后开发的有源电气部件。集成电路17可以用作为集成电路的芯片形式。
半导体或有源电子器件包括用于利用声学阵列22进行超声扫描的发射和/或接收电路。例如，提供作为半导体芯片的多个发射电路，提供作为半导体芯片的多个接收电路，并且提供作为半导体芯片的控制器。发射部件与接收部件分离，或可以与接收部件集成。发射部件包括高压脉冲发生器、滤波器、存储器、延迟器、相位旋转器、乘法器、上述各项的组合或其它现在已知或以后开发的发射波束成形器部件。接收部件包括滤波器、放大器、延迟器、加法器、上述各项的组合或其它现在已知或以后开发的接收波束成形器部件。由于接收波束成形器部件可以在比发射部件低的电压下操作，因此接收和发射部件是分离的器件，但是可以提供用于发射和接收操作的组合器件。集成电路17包括以下各项中的全部或部分：发射波束成形器、脉冲发生器、接收波束成形器、放大器、相位旋转器、延迟器、加法器或用于超声扫描的其他有源电子器件。
在一个实施例中，提供单个有源电气部件，诸如单个芯片或ASIC，如图1中所示。更大数量的声学的换能器元件21和对应的孔径导致用于处理声学信号的更大尺寸的ASIC芯片。更大的ASIC芯片更昂贵，这是因为更大的芯片在半导体处理期间有更多机会出现缺陷。为了减小集成电路17的尺寸，可以平铺两个或更多个集成电路17。图2示出了其中使用两个半导体芯片或集成电路17A （例如ASIC 2）、17B（例如ASIC 1）的示例。可以将两个或更多个半导体平铺或彼此相邻地放置。每个半导体或集成电路17被定位成与中介层16相邻。将两个或更多个较小尺寸的芯片而不是单个大型的昂贵ASIC芯片安装到中介层16（例如，柔性电路）上。每个集成电路17A、B与换能器元件21的不同子集电连接。例如，四个ASIC电连接到换能器元件21的四个组，其中每个元件仅处于一个组中。
半导体芯片或集成电路17包括输入/输出焊盘。半导体芯片包括暴露在最大表面上的输入/输出导体。在替代实施例中，焊盘沿着边缘离开芯片，并且通过焊线或柔性电路而被路由至最大表面上的分布。在其他替代实施例中，中介层16路由至芯片侧面上的导体。
输入/输出焊盘是形成在集成电路17上的导体。铜柱、电极、迹线、通孔或其他导电结构可以用于输入/输出焊盘。
输入/输出焊盘具有节距PE。节距可以与换能器元件21的节距PA相同。替代地，输入/输出焊盘的节距是不同的。例如，图1示出了ASIC的节距PE，该节距PE沿一维（例如，方位角）与换能器元件21的节距PA不同。沿垂直维度（例如，仰角），该节距相同或不同。在笛卡尔网格中，节距PA可以是500微米，而节距PE可以是400微米。其他节距可以用于换能器元件21或焊盘中的任一个。在换能器元件21和输入/输出焊盘两者都处于相同的规则网格图案中时，节距PA、PE可以不同。在其他实施例中，换能器元件21的分布的图案不同于输入/输出焊盘的分布的图案。
用于电子模块的中介层16是与用于声学模块的中介层13相同或不同的材料。例如，中介层16由聚酰亚胺或柔性电路材料形成。厚度与声学模块的中介层13相同或不同。
可以提供任何数量的中介层16。在图1的示例中，存在两个中介层16，它们彼此堆叠在一起或与彼此粗糙接触。可以仅提供一个、三个或更多个中介层16。
在制造时，电子模块包括用于将中介层16、无源电子器件18和/或集成电路17保持在一起的材料的层或结构。中介层16通过该材料接合至集成电路17。该材料作为物理连接将中介层16保持到集成电路17，和/或将中介层16保持到另一个中介层16。该材料可以附加地在输入/输出焊盘与中介层16上的通孔20和/或迹线之间形成电连接。
该材料在高于换能器元件21的居里温度的温度下接合。形成了用于具有更好强度或电接触的电连接和/或其他电互连的更强粗糙接触，这是由于它们能够在较高温度下形成互连。例如，使用各向异性导电膜（ACF）或焊料。材料接合是已经在比用于声学模块大的温度下形成的互连。例如，在大于80℃、120℃、180℃或其他温度的温度下形成互连。在一个实施例中，具有焊料盖的铜柱凸点19接头（例如，锡-银-铜组合物）用于ASIC芯片与中介层16的互连。ASIC面向下放置到中介层16的基板上。通过高温回流以熔化焊料盖（诸如，>250℃的温度）使接头形成于中介层16的焊盘（铜柱凸点19接头的盖）。ACF可能使用>120℃的温度。焊料或焊料凸点可能使用>180℃的温度。在加热之后，形成接合材料，该接合材料将中介层16与集成电路17接合，如与集成电路17对准那样。无源电子器件18可以单独地接合或作为相同加热的部分而被接合。
中介层16包括多个通孔20。具有或不具有迹线的通孔20将阵列22的换能器元件21电连接至集成电路17的半导体芯片。通孔20延伸穿过中介层16的厚度以提供电连接。为了电连接，穿过所有中介层13、16的通孔20提供电连接。对于每个元件，信号电极与声学模块的中介层13的通孔20连接，声学模块的中介层13的通孔20与电子模块的中介层16的通孔20连接，并且电子模块的中介层16的通孔20与集成电路17的输入/输出焊盘连接。在提供其他中介层的情况下，可以提供其他的通孔20到通孔20的连接。中介层13和/或中介层16上或中介层13和/或中介层16中的迹线或其他导体可以用于对互连进行路由。
在元件节距PA与输入/输出焊盘节距PE相同并且换能器元件21与输入/输出焊盘对准的情况下，通孔20在中介层13、16的每一层上对准并且处于相同的节距下。在元件节距PA和输入/输出焊盘节距PE不同或者换能器元件21未与焊盘对准的情况下，交错的通孔20可以在一个或多个中介层13、16中使用。将通孔20交错通过转变角度（angling）和/或放置来使这些通孔偏移，从而导致与另外的中介层13、16的通孔20的节距、即元件节距PA和/或焊盘节距PE和/或图案不同的通孔20的节距和/或图案。图1示出了如下示例：其中声学模块的中介层13的通孔20处于元件节距PA下，但是电子模块的两个中介层16的通孔20彼此处于不同的节距下，即元件节距PA和焊盘节距PE。其他布置可以与具有与其他中介层13、16、换能器元件21和/或焊盘相同或不同的节距的中介层13、16中的通孔20一起使用。给定中介层13、16中的某些通孔20可以被交错，而其他通孔不相对于其他节距。
具有交错通孔20的中介层13、16提供信号路由，以将来自ASIC 或多个ASIC 的电气I/O与多维阵列22的对应声学I/O（信号电极）匹配。该交错调整了从在元件节距PA下的换能器元件21到在焊盘节距PE下的输入/输出焊盘的电连接。具有交错通孔20的用于声学模块的中介层13和用于电子模块的中介层16（例如，柔性电路）在用于超声换能器的阵列上芯片中的声学模块与电气模块之间的电互连的I/O节距和位置方面提供了更多的灵活性。声学节距（PA）不需要与电气节距（PE）匹配，并且进一步地，不需要将每个电气I/O放置在对应声学I/O的正下方，从而在ASIC开发和选择方面提供了更多的灵活性和自由度。
可以包括任何数量的中介层13、16。可以在声学模块中提供附加的中介层13。由于可以由较高温度提供和/或为了减小声学堆叠上的热应力而提供的更可靠的互连，因此可以将附加的中介层16接合为电子模块的部分。基于任何通孔交错和对准，通过互连形成了穿过附加中介层16的厚度以及如果需要的话沿着中介层16或在中介层16内的电连接。
声学模块被接合到电子模块。形成的声学和电子模块的外部中介层13和16被互连。由于换能器堆叠被包括在声学模块中，因此互连使用在换能器元件21的居里温度或击穿温度以下的温度下接合的材料。用于固化或形成互连的温度与用于形成声学模块的互连的温度相同或不同。与用于形成声学模块的材料相同或不同的材料用于将这些模块接合在一起。例如，使用环氧树脂形成声学模块，并且使用银浆或环氧树脂将这些模块接合在一起。环氧树脂和银浆使用比ACF所使用的温度和压力低的温度和压力来接合。在两个中介层13、16（例如，柔性薄板）彼此的接合期间，低压接合可以使对ASIC 和声学模块的破坏最小化。
所形成的阵列系统被放置在壳体中，并且电连接到电缆或其他导体，以用于利用超声扫描仪或图像处理器来发出信号。在中介层13、16由柔性材料形成的情况下，延伸超过集成电路17的中介层13、16可以被弯曲或成形。在使用了多个集成电路17A、17B的情况下，可以使用阵列22处的曲率。
图3示出了如下示例：其中中介层13、16被放在框架上，或者被成形以用于装配到经胸超声心动图（TTE）探头中。图4示出了如下示例：其中中介层13、16被折叠以用于装配到导管（例如，心内超声心动图导管）中。可以使用其他探头、对应的壳体和/或形状，诸如手持式探头。
为了控制扫描和/或为了从扫描接收数据以生成利用阵列22扫描的患者的图像，向系统提供信号或从系统提供信号。在一个实施例中，中介层13和/或16上的一个或多个连接器30与电缆或其他导体连接。中介层13和/或16上的迹线（例如，经由迹线和/或通孔）将信号路由至集成电路17或者从集成电路17路由信号，以控制扫描和/或从扫描接收超声数据。替代地，集成电路17的输入/输出焊盘与中介层16分离地与电缆、柔性电路、电线或其他导体连接，以用于利用图像处理器或超声扫描仪来发出信号。
图5示出了用于将电子器件与声学的换能器元件21的多维或其他阵列22连接的方法的一个实施例的流程图。具有对应中介层的声学和电子模块并行或分离地被形成，从而允许分离的测试。然后将模块连接在一起。该方法形成了图1、图2、图3、图4的阵列系统或另一个阵列系统。
该方法被实现为阵列系统和/或探头的制造。技术人员或机器人诸如使用导向桩或框架进行堆叠和对准。烘箱、熨斗、感应钎焊器或波浴（wave bath）用于接合或互连。框架、壳体或支架用于在探头壳体中进行成形和定位。
可以使用附加的、不同的或更少的动作。例如，在预先将换能器堆叠锯切（kerf）的情况下，不执行用于切割的动作52。作为另一示例，在动作51中，声学堆叠在与中介层连接之前被接合在一起。在另一示例中，不执行动作53和/或56。
以示出的次序或其他次序执行动作。动作50-52独立于动作54-55而执行。用以形成声学模块（动作50-52）和电子模块（动作54-55）的该并行处理允许同时或以任何次序形成声学和电子模块。测试动作53、56可以以任何次序执行，诸如先测试声学模块然后测试电子模块，反之亦然，或者在彼此断开连接的同时进行测试。
在动作50-52中，制造声学模块。在动作50中，将声学层和一个或多个中介层堆叠。使用桩和/或框架，将声学模块的层彼此对准并且彼此抵靠地定位。换能器的层被堆叠为尚未被接合在一起。替代地，换能器的层预先被接合在一起，并且作为一单元抵靠中介层而堆叠。
聚合物、浆料或用于接合的其他材料被添加到堆叠，诸如在堆叠的层之间和/或堆叠的层周围。例如，换能器的底层（例如，去匹配层）和/或中介层13涂覆有环氧树脂。可以使用其他低温（例如，低于声学模块的部分的居里温度或击穿温度）的可固化聚合物。
在动作51中，换能器层（例如，匹配层、压电层和去匹配层）和中介层被连接在一起。通过台钳将堆叠压在一起，以形成用于电连接的粗糙接触。
压缩的堆叠被加热，诸如被定位在烘箱中。烘箱的温度低于堆叠中的任何部件的居里温度或击穿温度的最低值。热量增加了接合的速率和/或强度。热量可以激活接合。
连接形成了声学模块。粗糙接触创建了中介层材料薄板的通孔与换能器堆叠的电连接（例如，信号电极或用于形成信号电极的平面导体）。声学堆叠和中介层的层被接合在一起。
由于可以将相同的接合用于换能器堆叠，因此将中介层作为一步接合的部分而接合。使用相同的聚合物和/或相同的固化（例如，放置在烘箱中）事件来进行连接。同时执行针对换能器堆叠和中介层的层的固化。替代地，将换能器堆叠与中介层到换能器堆叠的接合分离地固化。
在动作52中，将换能器堆叠切割。使用锯或激光以在堆叠中形成切口，从而将堆叠分离成换能器元件。切割形成了来自压电平板的声学元件的阵列。
切割可以延伸到中介层中，以诸如将中介层上的导电平面分离成信号电极。替代地，切割和所得的切口不延伸至中介层。
图6示出了示例形成声学模块。低温可固化环氧树脂将中介层（例如，声学的柔性电路）接合到切割的换能器堆叠（例如，去匹配层）。
在动作53中，测试所组装的声学模块。在固化或形成声学模块的电互连之后，测试声学模块的换能器阵列和中介层。该测试可以用于接合强度或其他物理测试。该测试可以用于声学操作。例如，测试台与材料薄板的通孔进行电接触。可以测量从施加到换能器的声能产生的每个元件的信号。替代地或附加地，将信号施加到通孔，并且麦克风或水听器测量作为响应而生成的声能。可以执行其他测试。
该测试不具有半导体或集成电路或电子模块的其他部件。通过分离地进行测试，如果测试失败，则可以丢弃声学模块，而还不丢弃电子模块的部件。
在动作54-55中，制造电子模块。在动作54中，将集成电路与具有通孔的一个或多个材料薄板进行堆叠。可以使用任何数量的中介层。使用框架和/或桩将芯片和具有通孔的薄板对准。将这些层堆叠以形成电子模块。
用于物理和/或电互连的聚合物或其他材料被添加到堆叠或提供在堆叠上。例如，银浆沉积在中介层上，并且铜柱被提供在集成电路上。铜柱要用于将芯片连接到第一材料薄板。银浆用于在材料薄板之间进行连接。在其他实施例中可以使用其他组合或使用相同的材料。
在动作55中，将集成电路（例如，一个或多个ASIC芯片）连接到材料薄板或中介层（例如，柔性电路材料）。堆叠诸如在台钳中被压缩。压缩可以诸如在使用银浆的情况下形成互连。
热量被施加。对于焊料而言，热量由熨斗、感应焊料、烘箱或波浴来生成。对于VCF或聚合物而言，可以使用烘箱或熨斗。热量形成了互连。可以使用比声学模块所允许的温度高的温度，诸如在大于120℃的温度下形成可靠电接合。可以使用大于声学模块的任何部件的居里温度或击穿温度的温度。互连在较高的温度下被形成。可以使用较低的温度。
使用相同或不同的过程以将不同的薄板连接在一起。多个薄板和一个或多个芯片可以被互连作为相同固化或相同加热应用（例如，同时）的部分，其中相同或甚至不同的材料用于形成互连。替代地，在一个时段下将一个薄板与一个或多个芯片互连，并且然后将一个或多个其他薄板稍后互连。
电子模块一旦被互连就被提供。图7示出了利用焊料连接而形成的电子模块，该焊料连接使用用于芯片到中介层的铜柱凸点19、以及用于中介层到中介层的可固化聚合物或银浆。
在动作56中，测试所组装的电子模块。在固化或形成电互连之后，测试电子模块的集成电路和一个或多个中介层。该测试可以用于接合强度或其他物理测试。该测试可以用于电气操作。例如，测试台与材料薄板的通孔以及任何连接器进行电接触。输入测试控制信号，并且测量到通孔处的换能器元件的所得输出信号。替代地或附加地，将信号施加到通孔，并且测量来自集成电路的所得输出信号。可以执行其他测试。
在没有换能器阵列或声学模块的其他部件的情况下进行测试。通过分离地进行测试，如果测试失败，则可以丢弃电子模块，而还不丢弃声学模块的部件。
在动作57中，声学模块与电子模块接合或互连。在动作53和56中测试了这些模块之后，形成互连。在动作57中连接具有令人满意的测试结果的模块。
使用在低温（即，低于声学模块的部件的居里温度或击穿温度的温度）下进行接合的材料形成连接。具有通孔的一个材料薄板与具有通孔的另一材料薄板对准并且接合。声学模块的中介层接合到电子模块的中介层。
声学模块与电子模块堆叠。聚合物（例如，环氧树脂或银浆）定位在模块之间，诸如沉积或形成在中介层中的一个上。对该可固化聚合物进行加热。将模块堆叠放置在烘箱中或以其他方式加热以进行固化。温度被限制在居里或击穿温度以下。模块一旦被固化就彼此接合，从而形成换能器系统。
使用材料薄板的通孔以及各层之间的电互连（例如，信号电极与通孔之间、通孔到通孔、以及芯片的通孔到输入/输出焊盘），提供了从换能器元件到集成电路的电互连。焊接、粗糙接触和/或固化的导电浆料电互连。
基于对准，穿过材料薄板的电互连允许节距中的过渡。对准的层被接合以形成在不同节距和/或布局图案（例如，网格格式）之间过渡的电互连。
虽然上面已经通过引用各种实施例描述了本发明，但是应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出许多改变和修改。因此，所意图的是，将前述详细描述视为说明性的而非限制性的，并且应当理解的是，包括所有等同物的意图限定本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种多维换能器阵列系统，所述系统包括：
声学阵列（22），其具有在二维上以网格分布的换能器元件（21）；
第一中介层（13），其利用在低于所述换能器元件（21）的居里温度的温度接合的材料接合到所述声学阵列（22）；
集成电路（17），其具有用于利用所述声学阵列（22）进行超声扫描的发射和/或接收电路；
第二中介层（16），其利用在高于所述换能器元件（21）的居里温度的温度下接合的材料接合到所述集成电路（17）；以及
在第一和第二中介层（16）中形成的通孔（20），所述通孔（20）将所述换能器元件（21）电连接到所述集成电路（17）。
2.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中在低于居里温度的温度下接合的材料是环氧树脂或银浆，其中在高于居里温度的温度下接合的材料是各向异性的导电膜或焊料，并且其中所述第一中介层（13）利用在低于所述换能器元件（21）的居里温度的温度下或在低于所述换能器元件（21）的居里温度的另一个温度下接合的另一个材料接合到所述第二中介层（16）。
3.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中第一和第二中介层（13、16）均包括柔性电路材料，其中所述通孔（20）穿过所述柔性电路材料的厚度。
4.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中所述换能器元件（21）具有第一节距，并且所述集成电路（17）的输入/输出焊盘具有第二节距，并且其中所述第一中介层（13）的所述通孔（20）相对于所述第二中介层（16）而交错，以至少部分地调整从处于第一节距的所述换能器元件（21）到处于第二节距的所述输入/输出焊盘的电连接。
5.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，进一步包括接合到所述第二中介层（16）的另一个集成电路（17B），所述集成电路（17A）电连接到所述换能器元件（21）的第一子集，并且所述另一个集成电路（17B）电连接到所述换能器元件（21）的第二子集。
6.一种超声换能器探头，包括：
半导体芯片的阵列上芯片布置，所述半导体芯片通过由多个层形成的中介层（13、16）电连接到多维换能器阵列（22）；以及
所述中介层中的通孔（20），所述通孔（20）形成所述多维换能器阵列（22）到所述半导体芯片的电连接，所述通孔（20）形成图案，以将节距从所述多维换能器阵列（22）的第一节距更改成所述半导体芯片的连接焊盘的不同的第二节距，
其中所述中介层（13、16）包括接合到所述多维换能器阵列（22）的第一中介层（13）和接合到所述半导体芯片的第二中介层（16）,
其中所述多个层中的第一层利用可在小于120摄氏度下固化的聚合物接合到所述多维换能器阵列（22），并且所述多个层中的第二层利用在大于180摄氏度的温度形成的互连而连接到所述半导体芯片。
7.根据权利要求6所述的超声换能器探头，其中所述多个层中的第一层的通孔（20）处于与第一和第二节距不同的第三节距。
8.根据权利要求6所述的超声换能器探头，其中所述中介层（13、16）的所述多个层包括柔性电路材料，所述通孔（20）延伸穿过每个层的厚度。
9.一种用于将电子器件与声学元件的阵列连接的方法，所述方法包括：
将具有第一通孔（20）的第一材料薄板连接到换能器堆叠；
将具有第二通孔（20）的第二材料薄板连接到集成电路（17），以用于超声发射和/或接收操作；并且然后
将连接到所述换能器堆叠的所述第一材料薄板与连接到所述集成电路（17）的所述第二材料薄板接合（57），
其中所述通孔（20）形成图案，以将节距从所述换能器堆叠的第一节距更改成所述集成电路（17）的连接焊盘的不同的第二节距，
其中接合（57）包括利用能够在低于所述换能器堆叠的居里温度的温度下固化的聚合物进行接合（57）。
10.根据权利要求9所述的方法，其中将所述第一材料薄板连接到所述换能器堆叠包括同时将所述堆叠的层一起和所述第一材料薄板接合，并且进一步包括对连接到所述第一材料薄板的所述换能器堆叠进行切割，所述切割形成所述声学元件的阵列（22）。
11.根据权利要求9所述的方法，其中将所述第一材料薄板连接到所述换能器堆叠包括利用可在低于所述换能器堆叠的居里温度的温度下固化的聚合物进行连接，并且其中将所述第二材料薄板连接到所述集成电路（17）包括利用在高于所述换能器堆叠的居里温度的温度下形成的互连进行连接。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：在接合之前分离地测试（53、56）连接到所述第一材料薄板的所述换能器堆叠，以及在接合之前分离地测试（53、56）连接到所述第二材料薄板的所述集成电路（17）。
13.根据权利要求9所述的方法，其中接合（57）包括：利用具有与所述第二通孔（20）不同的节距的所述第一通孔（20）进行接合（57），所述接合（57）通过第一和第二通孔（20）提供所述换能器堆叠到所述集成电路（17）的电连接。
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