CN215695553U - 一种超声换能器阵列封装结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种超声换能器阵列封装结构，超声换能器阵列封装结构包括基体、金属化框架、以及位于金属化框架内的超声换能器阵列，基体设置在金属化框架的上方；金属化框架、超声换能器阵列、以及基体低温键合互联；基体包括焊点、钝化层、以及嵌入钝化层内的金属互连层，焊点在基体相对于金属化框架方向的另一侧；金属化框架与超声换能器阵列之间的空隙及表面，填充和覆盖有声学匹配层。本实用新型利用了半导体工艺分别制作了基体和金属化框架，并利用半导体封装工艺中的低温键合技术对超声换能器阵列进行了封装，避免了超声换能器阵列经受高温半导体制程和高温键合过程而导致的失效问题。
Description
技术领域
本实用新型属于超声器件技术领域，尤其涉及一种超声换能器阵列封装结构。
背景技术
在超声检测和超声诊断中，超声图像的分辨率和超声的频率成正比，与超声换能器阵列的尺寸成反比，频率越高，图像分辨率越高，超声换能器阵列的尺寸越小，阵列中单个阵元之间的周期就越小，为超声换能器阵列探头的制作和封装的带来了巨大挑战。
现有的超声换能器阵列探头的制作方法是将换能器阵列和PCB(Printed CircuitBoard，印制电路板)或FPCB(Flexible Printed Circuit Board，柔性印制电路板)通过简单堆叠形，利用挤压去除多余不导电环氧树脂形成阵元和电路板焊盘上的互联，再通过换能器阵列侧面或表面金属薄层和外壳或引线键合的方式将换能器接地。这种制作方法存在诸多缺陷：其一，受限于PCB或FPCB上线路线宽线距的制作能力，超声换能器阵列阵元的大小和间距必须与PCB或FPCB兼容，导致无法制作高频超声换能器阵列；其二，当阵列是高频二维阵列时，需要多层PCB、FPCB或转接板将阵元信号一一引出，然而，随着电路板层数增多，超声换能器的性能会大幅度下降，严重影响器件成像功能；其三，现有的超声换能器阵列探头的封装制作方法是半自动化生产，只能小批量制作，生产成本高、周期长、严重依赖工程技术人员的经验和技术。
实用新型内容
基于此，有必要针对现有超声换能器阵列制作中存在的难以支持高密度、高频二维阵列的信号引出、可靠性较差的技术问题，提供一种超声换能器阵列封装结构。
本实用新型提供一种超声换能器阵列封装结构，包括基体、金属化框架、以及位于所述金属化框架内的超声换能器阵列，所述基体设置在所述金属化框架的上方；
所述金属化框架、所述超声换能器阵列、以及所述基体低温键合互联；
所述基体包括焊点、钝化层、以及嵌入所述钝化层内的金属互连层，所述焊点在基体相对于金属化框架方向的另一侧；
所述金属化框架与所述超声换能器阵列之间的空隙及表面，填充和覆盖有声学匹配层。
进一步地，所述金属化框架、所述超声换能器阵列、以及所述基体通过各向异性导电胶进行低温键合形成互联。
进一步地，所述金属化框架、所述超声换能器阵列、以及所述基体通过金属间低温键合形成互联。具体而言，金属间低温键合技术特指铜-铜键合、金-金键合等金属低温键合技术。
进一步地，所述基体和/或所述金属化框架的表面还设有凸点。
更进一步地，所述凸点为金属凸点或导电有机物凸点。
进一步地，所述超声换能器阵列包括周期性设置的超声换能器阵元和填充于所述超声换能器阵元之间空隙的有机填充物，所述焊点与所述有机填充物在竖直方向上对准。
更进一步地，所述有机填充物的填充高度小于等于所述超声换能器阵元的高度。
进一步地，所述超声换能器阵列的上表面和下表面分别设有金属层，所述超声换能器阵列上表面的所述金属层为所述超声换能器阵列的正极，所述超声换能器阵列下表面的所述金属层为所述超声换能器阵列的负极，所述超声换能器阵列的正极与所述基体上的金属互连层形成正极连接，所述超声换能器阵列的负极通过金属化框架与所述基体上的金属互连层形成负极连接。
再进一步地，所述基体包括一层或多层所述钝化层，所述基体包括一层或多层所述金属互连层。
再进一步地，所述钝化层的材料为可光刻材料。
再进一步地，所述金属化框架的基材为有机材料基材和/或无机材料基材。
本实用新型利用了半导体工艺分别制备了基体和金属化框架，并利用半导体封装技术中的低温键合技术实现了基体、金属化框架和超声换能器阵列之间的互联。本实用新型有效增益在于：第一，利用了半导体制程分别制作基体和金属化框架，避免了超声换能器阵列经受半导体工艺中的高温制程而导致的失效问题；第二，利用半导体封装工艺中的低温键合技术实现了基体、金属化框架和超声换能器阵列之间的键合，避免了高温键合过程导致的超声换能器阵列失效问题；第三，通过半导体工艺制程，可以制备出小线宽线距的、包含多层金属互连层的超薄基体，在提升超声换能器阵列信号引脚引出能力的同时，最大程度地了降低金属互连层对超声换能器阵列的影响；第四，本实用新型实施例提供的制备方法可以通过现有的半导体封装设备实现全自动化、大规模批量标准生产，且生产周期短，成本低，良率高。
附图说明
图1为本实用新型一实施例提供的超声换能器阵列封装结构的侧视图；
图2(a)为本实用新型一实施例提供基体的示意图；
图2(b)为本实用新型一实施例在基体的表面通过真空压膜机等贴膜设备将各向异性导电胶贴附在基体的表面的示意图；
图2(c)为本实用新型一实施例通过晶圆级对位键合的方式将金属化框架预贴在基体上的示意图；
图2(d)为本实用新型一实施例通过贴片机将超声换能器阵列嵌入金属化框架中的示意图；
图3为本实用新型另一实施例提供的超声换能器阵列封装结构的侧视图；
图4(a)为本实用新型一实施例提供基体的示意图；
图4(b)为本实用新型一实施例通过晶圆级对位键合的方式将金属化框架预键合在基体上的示意图；
图4(c)为本实用新型一实施例通过贴片机将超声换能器阵列嵌入金属化框架中，与基体形成预键合的示意图；
图5为本实用新型的一种基体的示意图；
图6为本实用新型一实施例超声换能器阵列封装结构的制作方法的工作流程图；
图7为本实用新型一实施例超声换能器阵列封装结构的制作方法的工作流程图。
标记说明
1-焊点；2-金属互连层；3-钝化层；4-各向异性导电胶；5-导电凸起；6-金属化框架；7-超声换能器阵元；8-有机填充物；9-声学匹配层；10-金属层；11-基体；12-超声换能器阵列。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细的说明。
如图1所示为本实用新型的一种实施例，一种超声换能器阵列封装结构的侧视图，包括基体11、金属化框架6、以及位于所述金属化框架6内的超声换能器阵列12，所述基体11设置在所述金属化框架6的上方；
所述金属化框架6、所述超声换能器阵列12、以及所述基体11低温键合互联；
所述基体11包括焊点1、钝化层3、以及嵌入所述钝化层3内的金属互连层2，所述焊点1在基体11相对于金属化框架6方向的另一侧；
所述金属化框架6与所述超声换能器阵列12之间的空隙及表面，填充和覆盖有声学匹配层9。
所述金属化框架6的基材为玻璃、硅等无机材料和/或玻纤布等有机材料。
具体来说，所述金属化框架6、所述超声换能器阵列12、以及所述基体11通过低温键合技术形成互联，其中，所采用的低温键合技术的键合温度低于超声换能器阵列12居里温度的一半。本实用新型实现嵌入式扇出超声换能器阵列封装结构，由于采用了低温键合技术，使得在封装超声换能器阵列时，超声换能器不处于高温制程下，从而避免器件失效。
在其中一个实施例中，所述金属化框架6、所述超声换能器阵列12与基体11通过各向异性导电胶4实现低温互联。
在其中一个实施例中，所述金属化框架6、所述超声换能器阵列12与基体11通过金属间低温键合技术实现低温互联。
在其中一个实施例中，所述基体11和/或金属化框架6的表面还制作有凸点5，该凸点5用来实现金属化框架6和基体11之间的负极电学互联。所述凸点5为金属或导电有机物。
所述超声换能器阵列12包括周期性设置的超声换能器阵元7和填充于所述超声换能器阵元7之间空隙的有机填充物8，所述焊点1与所述有机填充物8在竖直方向上对准。
超声换能器的性能与其上下表面相接的结构密切相关，由于换能器和声学传播介质的阻抗差很大，声波发射表面一般通过声学匹配层9来弥补这种阻抗差，达到滤波作用；换能器产生的声波一部分通过表面向外发射出去，另一部分向相反方向传播，为了减少相反方向声波在换能器内部产生的反射，换能器背面要用声波衰减大的材料对背面反射的声波进行吸收，以提高换能器的带宽，铜、锡等金属材料对声波反射能力大，衰减能力小，所以不宜放置在换能器的正对面位置，如果无法避免，则应该尽量降低金属层厚度，如金属互连层2的厚度需要严格控制在几微米范围内，焊点1由于高度在几十微米，所以本实施例将焊点1与有机填充物8在竖直方向上对准，从而避免焊点1放置在超声换能器阵元7的正对方向。
在本实施例中，所述有机填充物8的填充高度低于所述超声换能器阵元7的高度。这样设计的原因在于，各向异性导电胶只在加压的方向进行导电，但是当胶体内导电颗粒密度较大，换能器阵元间间距太小时，如果有机填充物8和超声换能器阵元7的高度相同，有机填充物8下方对应的导电颗粒在横向也可能形成通路，这会使相邻两个阵元之间形成串联。本实施例通过在有机填充物8上制作切口，使得所述有机填充物8的填充高度低于所述超声换能器阵元7的高度，形成阵元间的电学隔离，提高各向异性导电胶的键合成功率。
所述超声换能器阵列12的上表面和下表面分别设有金属层10。为方便描述，下文以正极和负极分别指代超声换能器阵列12上下的金属层10。所述超声换能器阵列12的正极与所述基体11上的金属互连层2形成正极连接，所述超声换能器阵列12的负极通过金属化框架6与所述基体11上的金属互连层2形成负极连接。
从超声换能器阵列12所在的方向往超声换能器阵列12、金属化框架6、各向异性导电胶4的表面和侧壁上溅射一层连续的金属层10。所述超声换能器阵列12的负极通过其侧壁和各向异性导电胶4表面的金属层10与金属化框架6形成互联，从而与基体11上的负极201形成互联。
金属化框架6与超声换能器阵列12之间的空隙、所述金属化框架6与所述超声换能器阵列12的表面填充和覆盖有声学匹配层9。
本实用新型实施例提供的超声换能器阵列封装结构中，金属互连层2通过各向异性导电胶4，在低温下与超声换能器阵列12的正极实现互联；金属互连层2通过各向异性导电胶4，在低温下与金属化框架6实现互联，超声换能器阵列12的负极通过各向异性导电胶4表面的金属层10、金属化框架6实现与基体11的负极互联。通过各向异性导电胶4，可以实现在低于超声换能器阵列12居里温度一半的温度下键合基体11、金属化框架6和超声换能器阵列12，避免了超声换能器阵列因高温键合而导致的失效问题；此外，本实用新型利用半导体封装工艺分别制备了基体11和金属化框架6，避免了超声换能器阵列12经受半导体工艺中的高温制程而导致失效的问题。
图1示出的是本实用新型实施例的一种优选实施方式，其在金属化框架6表面制作有凸点5，其作用是降低金属化框架6和基体11的键合压力、降低键合的难度、提高键合的可靠性。可以理解的是，这并不代表对本实用新型实施例中凸点5设置位置的限制，凸点5也可以仅设置在基体11上，还可以同时设置在基体11和金属化框架6上。
图2简要展示了该实施例的组装、键合过程。如图2(a)所示，是基体11；如图2(b)所示，在基体11的表面通过真空压膜机等贴膜设备将各向异性导电胶4贴附在基体11的表面；如图2(c)所示，通过晶圆级对位键合的方式将金属化框架6预贴在基体11上；如图2(d)所示，通过贴片机将超声换能器阵列12嵌入金属化框架6中，与基体11形成预键合；最后通过晶圆键合设备等加压键合设备，在低于超声换能器阵列12居里温度一半以下的温度下给基体11、金属化框架6和超声换能器阵列12组成的整体施加压力，使三者完全键合在一起。
图3展示了本实用新型结构的另一种实施方式侧视示意图。基体11、金属化框架6和超声换能器阵列12之间没有各向异性导电胶4，三者利用金属间低温键合技术，通过金属互连层2、金属层10实现低温键合；超声换能器阵列12和金属化框架6之间的间隙中填充声学匹配层9；在该实施例中，为实现超声换能器阵列12的负极与基体11上的负极201的互联，超声换能器阵列12和金属化框架6表面的声学匹配层901为导电材料。
在一些实施例中，声学匹配层901为填银颗粒环氧树脂。
可选的，在该实施例中，有机填充物8的高度可以与超声换能器阵元7的高度齐平。
可选的，在该实施例中，金属化框架6和/或基体11的表面可以包含凸点5。
图4简要展示了该实施例的组装、键合过程。如图4(a)是基体11；如图4(b)所示，通过晶圆级对位键合的方式将金属化框架6预键合在基体11上；如图4(c)所示，通过贴片机将超声换能器阵列12嵌入金属化框架6中，与基体11形成预键合；最后通过晶圆键合设备等加压键合设备，在常温下给基体11、金属化框架6和超声换能器阵列12组成的整体施加压力，使三者完全键合在一起。
图5展示了本实用新型结构提供的基体的侧视结构示意图。本实用新型中的基体11包括焊点1、若干层金属互连层2和若干层钝化层3，金属互连层2嵌入钝化层3，形成钝化层的材料为光刻胶。本实用新型的基体11利用半导体制程制作而成，因此具有更小的线宽线距，可以支持高密度、高频超声换能器阵列中各阵元的信号引出。
如图6所示为本实用新型一种超声换能器阵列封装结构的制作方法，包括如下步骤：
步骤S601，提供载体，在所述载体表面进行光刻处理和电镀处理，得到包括焊点1、钝化层3、以及金属互连层2的基体11，具体可以在载体表面进行溅射、光刻、电镀、剥膜、刻蚀等处理；
步骤S602，提供基材，利用激光、湿法刻蚀、光刻、电镀、溅射等晶圆级或板级工艺制备金属化框架6；
步骤S603，将各向异性导电胶贴附在基体11表面上；
步骤S604，将金属化框架6与基体11通过各向异性导电胶预键合在一起；
步骤S605，通过贴片机利用倒装/正装贴片技术将超声换能器阵列12贴入金属化框架6中，并通过各向异性导电胶4使超声换能器阵列12、金属化框架6和基体11键合在一起；
步骤S606，从超声换换能器阵列12的声波发射面一侧溅射金属，使封装结构的表和侧壁形成连续的金属层；
步骤S607，提供用于形成声学匹配层9的材料，将所述材料浇筑于所述金属化框架6以及所述超声换能器阵列12的表面、和所述金属化框架6以及所述超声换能器阵列12之间缝隙中，待材料固化后减薄抛光，形成声学匹配层9，得到超声换能器阵列封装体；
步骤S608，用划片机进行切割分选后，将封装结构从载体上解除下来。
如图7所示为本实用新型另一种超声换能器阵列封装结构的制作方法，包括如下步骤：
步骤S701，提供载体，在所述载体表面进行光刻处理和电镀处理，得到包括焊点1、钝化层3、以及金属互连层2的基体11，具体可以在载体表面进行溅射、光刻、电镀、剥膜、刻蚀等处理；
步骤S702，提供基材，利用激光、湿法刻蚀、光刻、电镀、溅射等晶圆级或板级工艺制备金属化框架6；
步骤S703，将金属化框架6与基体11通过金属间低温键合技术键合在一起；
步骤S704，通过贴片机利用倒装/正装贴片技术将超声换能器阵列12贴入金属化框架中，并通过金属间低温键合技术使超声换能器阵列12、金属化框架6和基体11键合在一起；
步骤S705，提供用于形成声学匹配层9的导电材料，将所述材料浇筑于所述金属化框架6以及所述超声换能器阵列12的表面、和所述金属化框架6以及所述超声换能器阵列12之间缝隙中，待材料固化后进行减薄抛光，形成声学匹配层9，得到超声换能器阵列封装体；
步骤S706，用划片机进行切割分选后，将封装体从载体上解除下来。
本实用新型有效增益在于：第一，利用了半导体制程分别制作基体11和金属化框架6，避免了超声换能器阵列经受半导体工艺中的高温制程而导致的失效问题；第二，利用半导体封装工艺中的低温键合技术实现了基体、金属化框架和超声换能器阵列之间的键合，避免了高温键合过程导致的超声换能器阵列失效问题；第三，通过半导体工艺制程，可以制备出小线宽线距的、包含多层金属互连层的超薄基体，在提升超声换能器阵列信号引脚引出能力的同时，最大程度地了降低金属互连层对超声换能器阵列的影响；第四，本实用新型实施例提供的制备方法可以通过现有的半导体封装设备实现全自动化、大规模批量标准生产，且生产周期短，成本低，良率高。
本实用新型实施例提供的超声换能器阵列封装结构的制作方法，其流程图如图4所示。需要说明的是，虽然本实用新型实施例通过步骤S401和步骤S402分别描述了基体11和金属化框架6的制作过程，但这并不代表对两者制作顺序的限制，根据实际情况，基体11和金属化框架6的制作可任意先后或同时进行。
具体地，步骤S401中，载体为半导体封装领域常用的衬底。根据期望制作的金属互连层2数量，对该载体进行光刻处理和电镀处理等叠层工艺，形成至少一层金属互连层2、相应层数的钝化层3以及焊点1，将载体移除，即可得到基体11。
在另一些实施例中，为了提升基体11与金属化框架6之间的结合力，还包括在基体11和/或所述金属化框架6上制备凸点5的步骤。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种超声换能器阵列封装结构，其特征在于，包括基体(11)、金属化框架(6)、以及位于所述金属化框架(6)内的超声换能器阵列(12)，所述基体(11)设置在所述金属化框架(6)的上方；
所述金属化框架(6)、所述超声换能器阵列(12)、以及所述基体(11)低温键合互联；
所述基体(11)包括焊点(1)、钝化层(3)、以及嵌入所述钝化层(3)内的金属互连层(2)，所述焊点(1)在基体(11)相对于金属化框架(6)方向的另一侧；
所述金属化框架(6)与所述超声换能器阵列(12)之间的空隙及表面，填充和覆盖有声学匹配层(9)。
2.根据权利要求1所述的超声换能器阵列封装结构，其特征在于，所述基体(11)和/或所述金属化框架(6)的表面还设有凸点(5)。
3.根据权利要求2所述的超声换能器阵列封装结构，其特征在于，所述凸点(5)为金属凸点或导电有机物凸点。
4.根据权利要求1所述的超声换能器阵列封装结构，其特征在于，所述超声换能器阵列(12)包括周期性设置的超声换能器阵元(7)和填充于所述超声换能器阵元(7)之间空隙的有机填充物(8)，所述焊点(1)与所述有机填充物(8)在竖直方向上对准。
5.根据权利要求4所述的超声换能器阵列封装结构，其特征在于，所述有机填充物(8)的填充高度小于等于所述超声换能器阵元(7)的高度。
6.根据权利要求1所述的超声换能器阵列封装结构，其特征在于，所述超声换能器阵列(12)的上表面和下表面分别设有金属层(10)，所述超声换能器阵列(12)上表面的所述金属层(10)为所述超声换能器阵列(12)的正极，所述超声换能器阵列(12)下表面的所述金属层(10)为所述超声换能器阵列(12)的负极，所述超声换能器阵列(12)的正极与所述基体(11)上的金属互连层(2)形成正极连接，所述超声换能器阵列(12)的负极通过金属化框架(6)与所述基体(11)上的金属互连层(2)形成负极连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的超声换能器阵列封装结构，其特征在于，所述基体(11)包括一层或多层所述钝化层(3)，所述基体(11)包括一层或多层所述金属互连层(2)。
8.根据权利要求1-6任一项所述的超声换能器阵列封装结构，其特征在于，所述钝化层(3)的材料为可光刻材料。
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2020
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