JP2006094398A - 圧力波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体層の温度上昇に起因した発熱体層の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能な圧力波発生装置を提供する。
【解決手段】支持基板としてのシリコン基板からなる半導体基板１と、半導体基板１の一表面側に形成された発熱体層３と、半導体基板１の上記一表面側で半導体基板１と発熱体層３との間に介在する多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２と、発熱体層３に接する形で形成された一対のパッド４，４とを具備した圧力波発生素子チップを備える。発熱体層３の材料としてタングステンを採用するとともに、パッド４，４の材料としてアルミニウムを採用し、半導体基板１の上記一表面側に、各パッド４，４それぞれの熱を圧力波発生素子チップの外部へ放熱させる放熱手段として各パッド４，４それぞれに熱的に結合され且つ電気的に接続された一対の導電性コンタクト５，５を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、スピーカを対象とした音波や、超音波や単パルス的な粗密波などの圧力波を発生する圧力波発生装置に関するものである。

従来から、圧電効果による機械的振動を利用した超音波発生装置が広く知られている。この種の超音波発生装置としては、例えば、チタン酸バリウムのような圧電材料からなる結晶の両面に電極を設けた構成のものが知られており、この超音波発生装置では、両電極間に電気エネルギを与えて機械的振動を発生させることにより、空気などの媒体を振動させて超音波を発生させることができる。

上述のような機械的振動を利用した超音波発生装置は、固有の共振周波数をもつので周波数帯域が狭い、外部の振動や外気圧の変動の影響を受けやすい、などの問題があった。

一方、近年、機械的振動を伴わずに超音波を発生させることができる装置として、媒体に熱を与える熱励起により空気の粗密を形成する方法を利用した圧力波発生装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

この種の圧力波発生装置は、図５に示すように、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板１と、半導体基板１の厚み方向の一表面から所定深さまで形成された多孔質シリコン層からなり半導体基板１に比べて熱伝導率および熱容量が十分に小さな熱絶縁層２と、熱絶縁層２上に形成されたアルミニウム薄膜からなる発熱体層３とを備え、発熱体層３への交流電流の通電に伴う発熱体層３と媒体（例えば、空気）との熱交換により圧力波を発生するものである。

ところで、上述の圧力波発生装置では、発熱体層３の膜厚が３０ｎｍ程度に設定されており、発熱体層３への通電を行うためには、図６に示すように、発熱体層３の両端部それぞれに接する一対のパッド４，４を設け、各パッド４，４へ金属細線（ボンディングワイヤ）をワイヤボンディングすればよい。

なお、図６に示した構成を有する圧力波発生装置は、発熱体層３に印加する交流電圧（駆動電圧）の周波数を調整することにより、発生する圧力波の周波数を広範囲にわたって変化させることができ、例えば、超音波音源やスピーカの音源として期待されている。
特開平１１−３００２７４号公報

しかしながら、本願発明者らは鋭意研究の結果、上述の圧力波発生装置を強力な超音波（高出力の超音波）が必要な用途に用いる場合には、発熱体層３への通電時に発熱体層３の温度が１０００℃を超える非常に高い温度になるという知見を得た。その知見の一例を図７に示す。図７のグラフの横軸は、周波数が６０ｋＨｚの正弦波電圧を一対のパッド４，４間に印加するにあたって正弦波電圧のピーク値を種々変化させた場合の入力電力の最大値、左側の縦軸は、発熱体層３の表面から３０ｃｍだけ離れた位置で測定した出力音圧、右側の縦軸は、発熱体層３の表面の温度となっており、図７中の「イ」が音圧、「ロ」が温度を示している。

そこで、本願発明者らは、発熱体層３の材料としてタングステンなどの高融点金属を採用した圧力波発生装置について検討したが、上述の圧力波発生装置を強力な超音波が必要な用途に用いる場合には、タングステンを構成材料とする発熱体層３とアルミニウムを構成材料とするパッド４とが反応して部分的な凝集による欠落部が発生したり高抵抗部が発生したりして、電流集中により発熱体層３が断線してしまう問題があるという知見を得た。さらに、発熱体層３と反応したパッド４の材料が熱絶縁層２と反応して熱絶縁層２の一部が破壊されやすくなるという知見を得た。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発熱体層の温度上昇に起因した発熱体層の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能な圧力波発生装置を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層と、支持基板の前記一表面側で発熱体層に接する形で形成された一対のパッドとを具備した圧力波発生素子チップを備え、一対のパッドを介した発熱体層への通電に伴う発熱体層と媒体との熱交換により圧力波を発生する圧力波発生装置であって、各パッドそれぞれの熱を圧力波発生素子チップの外部へ放熱させる放熱手段として各パッドそれぞれに熱的に結合され且つ電気的に接続された一対の導電性コンタクトを備えることを特徴とする。

この発明によれば、各パッドそれぞれの熱を圧力波発生素子チップの外部へ放熱させる放熱手段として各パッドそれぞれに熱的に結合され且つ電気的に接続された一対の導電性コンタクトを備えているので、発熱体層への通電時において発熱体層と各パッドとの境界付近の温度上昇を抑制することができ、発熱体層への通電時に発熱体層と各パッドとが反応することなく各パッドの熱を導電性コンタクトを通して圧力波発生素子チップの外部へ放熱させることができるから、発熱体層の温度上昇に起因した発熱体層の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能となり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体層へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記導電性コンタクトは、前記圧力波発生素子チップに厚み方向が一致し且つ一端部が前記圧力波発生素子チップの厚み方向において前記パッドに重複する形で前記パッドに電気的に接続され他端部が前記圧力波発生素子チップの側方に位置する導電板からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記導電性コンタクトの表面積を大きくして放熱性を向上させることができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記圧力波発生素子チップにおける前記発熱体層の表面を露出させた形で前記圧力波発生素子チップを覆う合成樹脂製のモールド部と、モールド部の中で前記各パッドそれぞれに各一端部が電気的に接続され各他端部がモールド部の外部に露出する一対のリード端子とを備え、各リード端子それぞれが前記導電性コンタクトを兼ねていることを特徴とする。

この発明によれば、モールド部が前記圧力波発生素子チップにおける前記発熱体層の表面を露出させた形で前記圧力波発生素子チップを覆うように形成されているので、圧力波発生素子チップから発生する圧力波を妨げることなく前記圧力波発生素子チップを外部環境から保護することができて外部環境による前記圧力波発生素子チップの劣化を防止することができ、しかも、前記各パッドの熱が電気入力用のリード端子を通して外部へ放熱される。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記圧力波発生素子チップの前記発熱体層に対応する部位に圧力波取出し用の窓孔が形成され前記圧力波発生素子チップがフェースダウンで実装されたプリント基板を備え、プリント基板の厚み方向において前記各パッドそれぞれに一部が重複した一対の導体パターンそれぞれが前記導電性コンタクトを兼ねていることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧力波発生素子チップの前記発熱体層に対応する部位に圧力波取出し用の窓孔が形成されたプリント基板に前記圧力波発生素子チップがフェースダウンで実装され、プリント基板の厚み方向において前記各パッドそれぞれに一部が重複した一対の導体パターンそれぞれが前記導電性コンタクトを兼ねているので、前記圧力波発生素子チップから発生する圧力波を妨げることなく前記各パッドの熱を放熱させることができる。

請求項１の発明では、発熱体層の温度上昇に起因した発熱体層の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能になるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の圧力波発生装置は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体基板１と、半導体基板１の一表面（図１（ｂ）における上面）側に形成された熱絶縁層２と、熱絶縁層２上に形成された発熱体層３と、半導体基板１の上記一表面側で発熱体層３の両端部（図１（ｂ）における左右両端部）それぞれと接する形で形成された一対のパッド４，４とを具備した圧力波発生素子チップを備え、各パッド４，４それぞれの熱を圧力波発生素子チップの外部へ放熱させる放熱手段として各パッド４，４それぞれに熱的に結合され且つ電気的に接続された一対の導電性コンタクト５，５を備えている。本実施形態では、半導体基板１が支持基板を構成している。なお、半導体基板１、熱絶縁層２、発熱体層３それぞれの外周形状は矩形状としてあり、各パッド４，４の外周形状は、両パッド４，４の並設方向（図１（ｂ）における左右方向）に直交する方向を長手方向とする細長の矩形状としてある。

ここにおいて、圧力波発生素子チップは、発熱体層３への通電（電気エネルギの供給）に伴う発熱体層３と媒体（例えば、空気）との熱交換により圧力波（例えば、超音波など）を発生する。例えば、交流電源から一対のパッド４，４を介して発熱体層３へ正弦波状の交流電圧を印加した場合には、発熱体層３の温度がジュール熱の発生によって変化し、発熱体層３の温度変化に伴って圧力波（音波）が発生する。

本実施形態における圧力波発生素子チップでは、半導体基板１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層２を多孔質シリコン層により構成している。ここで、熱絶縁層２を構成する多孔質シリコン層は、半導体基板１としてのｐ形シリコン基板の一部を電解液中で陽極酸化処理することにより形成されており、陽極酸化処理の条件を適宜変化させることにより、多孔度を変化させることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、多孔度を適宜設定することにより熱伝導率を単結晶シリコンに比べて十分に小さくすることができる。上記特許文献１には、熱伝導率が１６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化処理して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となることが報告されている。なお、熱絶縁層２は、多孔質シリコン層に限らず、例えば、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜などにより構成してもよい。

ここに、半導体基板１は単結晶のｐ形シリコン基板に限らず、多結晶あるいはアモルファスのｐ形シリコン基板でもよいし、また、ｐ形に限らず、ｎ形あるいはノンドープであってもよく、半導体基板１の種類に応じて陽極酸化処理の条件を適宜変更すればよい。したがって、熱絶縁層２を構成する多孔質半導体層も多孔質シリコン層に限らず、例えば、多結晶シリコンを陽極酸化処理することにより形成した多孔質多結晶シリコン層や、シリコン以外の半導体材料からなる多孔質半導体層でもよい。

また、発熱体層３の材料としては、高融点金属の一種であるタングステンを採用しているが、発熱体層３の材料は、タングステンに限らず、融点が１０００℃よりも比較的高い高融点の金属であればよく、例えば、タンタル、モリブデンなどの高融点金属や、イリジウムなどの貴金属を採用してもよい。

また、各パッド４，４は、発熱体層３の端部上と半導体基板１の上記一表面上とに跨るように形成されている。ここに、各パッド４の材料としては、Ａｌを採用している。

なお、本実施形態における圧力波発生素子チップでは、熱絶縁層２の厚さを１０μｍ、発熱体層３の厚さを５０ｎｍ、パッド４の厚さを１μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。

以下、圧力波発生素子チップの製造方法について簡単に説明するが、説明の便宜上、特に断らない限り半導体基板１はウェハを意味しているものとして説明する。

まず、単結晶のｐ形シリコン基板からなる半導体基板１の他表面（図１（ｂ）における下面）側に陽極酸化処理時に用いる通電用電極（図示せず）を形成した後、図２に示すような陽極酸化処理装置にて陽極酸化処理を行うことで多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２を形成する。ここにおいて、陽極酸化処理の工程が熱絶縁層形成工程となっており、陽極酸化処理にあたっては、図２に示すように、半導体基板１を主構成とする被処理物Ｃを処理槽Ａに入れられた電解液（例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液）Ｂに浸漬し、その後、電流源２０のマイナス側に配線を介して接続された白金電極２１を電解液Ｂ中において半導体基板１の上記一表面側に対向するように配置する。続いて、通電用電極を陽極、白金電極２１を陰極として、電流源２０から陽極と陰極２１との間に所定の電流密度（ここでは、２０ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間（ここでは、８分）だけ流す陽極酸化処理を行うことにより半導体基板１の上記一表面側の所定部位に所定厚さ（ここでは、１０μｍ）の熱絶縁層２を形成する。なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定するものではなく、電流密度は例えば１〜５００ｍＡ／ｃｍ^２程度の範囲内で適宜設定すればよいし、上記所定時間も熱絶縁層２の上記所定厚さに応じて適宜設定すればよい。

上述の熱絶縁層形成工程の後、発熱体層３を形成する発熱体層形成工程、パッド４，４を形成するパッド形成工程を順次行ってから、ダイシング工程を行うことによって、圧力波発生素子チップが完成する。なお、発熱体層形成工程およびパッド形成工程では、例えば、各種のスパッタ法、各種の蒸着法、各種のＣＶＤ法などによって膜形成を行えばよい。

ところで、本実施形態の圧力波発生装置は、上述のように、各パッド４，４それぞれの熱を圧力波発生素子チップの外部へ放熱させる放熱手段として各パッド４，４それぞれに熱的に結合され且つ電気的に接続された一対の導電性コンタクト５，５を備えている。ここで、導電性コンタクト５，５は、圧力波発生素子チップに厚み方向が一致し且つ一端部が圧力波発生素子チップの厚み方向においてパッド４，４に重複する形でパッド４，４に電気的に接続され他端部が圧力波発生素子チップの側方に位置する矩形板状の導電板により構成してある。なお、導電性コンタクト５，５を構成する導電板は、リン青銅の板に金メッキを施すことにより形成してあり、導電性ペーストにより各パッド４，４それぞれに固着してある。

以上説明した本実施形態の圧力波発生装置では、各パッド４，４それぞれの熱を圧力波発生素子チップの外部へ放熱させる放熱手段として各パッド４，４それぞれに熱的に結合され且つ電気的に接続された一対の導電性コンタクト５，５を備えているので、発熱体層３への通電時において発熱体層３と各パッド４，４との境界付近の温度上昇を抑制することができ、発熱体層３への通電時に発熱体層３と各パッド４，４とが反応することなく各パッド４，４の熱を導電性コンタクト５，５を通して圧力波発生素子チップの外部へ放熱させることができるから、発熱体層３の温度上昇に起因した発熱体層３の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を高出力で安定して発生可能となり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体層３へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れる。したがって、発熱体層３の温度が１０００℃を超える温度まで上昇するような場合であっても発熱体層３の断線を防止することが可能となる。また、導電性コンタクト５，５が上述の導電板により構成されていることにより、導電性コンタクト５，５の表面積を大きくして放熱性を向上させることができる。

（実施形態２）
以下、本実施形態の圧力波発生装置について図３（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。

本実施形態の圧力波発生装置は、実施形態１にて説明した半導体基板１と熱絶縁層２と発熱体層３と一対のパッド４，４とを具備した圧力波発生素子チップと、当該圧力波発生素子チップにおける発熱体層３の表面を露出させた形で圧力波発生素子チップを覆う合成樹脂（例えば、ＩＣなどで一般的に封止材として用いられている樹脂）製のモールド部６と、モールド部６の中で各パッド４，４それぞれに各一端部が電気的に接続され各他端部がモールド部６の外部に露出する一対のリード端子７，７とを備えている。

モールド部６は、圧力波発生素子チップにおける発熱体層３の表面側に圧力波取出し用の窓孔６ａが形成されている。ここに、窓孔６ａは、発熱体層３の表面の大部分を露出させる矩形状に形成されている。したがって、圧力波発生素子チップから発生する圧力波は窓孔６ａを通して出力される。

また、各リード端子７，７は断面Ｌ字状に形成されており、圧力波発生素子チップと厚み方向が一致するように埋設された横片と、圧力波発生素子チップの厚み方向に沿って配設され一部がモールド部６の背面から突出した縦片とが連続一体に形成されている。言い換えれば、各リード端子７，７の横片は圧力波発生素子チップの上記一表面に平行な面に沿って配設され、縦片は圧力波発生素子チップの側面に平行な面に沿って配設されている。

なお、本実施形態では、各リード端子７，７それぞれが、各パッド４，４それぞれに熱的に結合され且つ電気的に接続された一対の導電性コンタクトからなる放熱手段を兼ねている。ここに、各リード端子７，７は、一般的なリードフレームと同様の材料（例えば、ニッケル系合金、銅系合金など）により形成すればよい。

しかして、本実施形態の圧力波発生装置では、モールド部６が圧力波発生素子チップにおける発熱体層３の表面を露出させた形で圧力波発生素子チップを覆うように形成されているので、圧力波発生素子チップから発生する圧力波を妨げることなく圧力波発生素子チップを外部環境から保護することができて外部環境による圧力波発生素子チップの劣化を防止することができ、しかも、発熱体層３への通電時に各パッド４，４の熱が電気入力用のリード端子７，７を通して外部へ放熱されることにより、発熱体層３の温度上昇に起因した発熱体層３の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を高出力で安定して発生可能となり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体層３へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れる。したがって、発熱体層３の温度が１０００℃を超える温度まで上昇するような場合であっても発熱体層３の断線を防止することが可能となる。

（実施形態３）
以下、本実施形態の圧力波発生装置について図４（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。

本実施形態の圧力波発生装置は、実施形態１にて説明した半導体基板１と熱絶縁層２と発熱体層３と一対のパッド４，４とを具備した圧力波発生素子チップと、当該圧力波発生素子チップの発熱体層３に対応する部位に圧力波取出し用の窓孔８ａが形成され圧力波発生素子チップがフェースダウンで実装されたプリント基板８とを備えている。ここにおいて、圧力波発生素子チップの各パッド４，４は、プリント基板８における圧力波発生素子チップとの対向面に形成された導体パターン９，９と導電性ダイボンドペーストにより固着されている。

プリント基板８の基材は特に限定しないが、本実施形態では、プリント基板８の厚み方向において各パッド４，４それぞれに一部が重複した一対の導体パターン９，９それぞれが、各パッド４，４それぞれに熱的に結合され且つ電気的に接続された一対の導電性コンタクトからなる放熱手段を兼ねているので、放熱性の観点からプリント基板８の基材としては高熱伝導性のセラミック基板が特に好ましく、導体パターン９，９の厚みが厚い方が好ましい。

しかして、本実施形態の圧力波発生装置では、圧力波発生素子チップの発熱体層３に対応する部位に圧力波取出し用の窓孔８ａが形成されたプリント基板８に圧力波発生素子チップがフェースダウンで実装され、プリント基板８の厚み方向において各パッド４，４それぞれに一部が重複した一対の導体パターン９，９それぞれが導電性コンタクトを兼ねているので、圧力波発生素子チップから発生する圧力波を妨げることなく各パッド４，４の熱が外部へ放熱されるから、発熱体層３の温度上昇に起因した発熱体層３の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を高出力で安定して発生可能となり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体層３へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れる。したがって、発熱体層３の温度が１０００℃を超える温度まで上昇するような場合であっても発熱体層３の断線を防止することが可能となる。

実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 同上の製造方法の説明図である。 実施形態２を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 実施形態３を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 他の従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 同上の特性説明図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 熱絶縁層
３ 発熱体層
４ パッド
５ 導電性コンタクト

Claims (4)

1. 支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層と、支持基板の前記一表面側で発熱体層に接する形で形成された一対のパッドとを具備した圧力波発生素子チップを備え、一対のパッドを介した発熱体層への通電に伴う発熱体層と媒体との熱交換により圧力波を発生する圧力波発生装置であって、各パッドそれぞれの熱を圧力波発生素子チップの外部へ放熱させる放熱手段として各パッドそれぞれに熱的に結合され且つ電気的に接続された一対の導電性コンタクトを備えることを特徴とする圧力波発生装置。
2. 前記導電性コンタクトは、前記圧力波発生素子チップに厚み方向が一致し且つ一端部が前記圧力波発生素子チップの厚み方向において前記パッドに重複する形で前記パッドに電気的に接続され他端部が前記圧力波発生素子チップの側方に位置する導電板からなることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。
3. 前記圧力波発生素子チップにおける前記発熱体層の表面を露出させた形で前記圧力波発生素子チップを覆う合成樹脂製のモールド部と、モールド部の中で前記各パッドそれぞれに各一端部が電気的に接続され各他端部がモールド部の外部に露出する一対のリード端子とを備え、各リード端子それぞれが前記導電性コンタクトを兼ねていることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。
4. 前記圧力波発生素子チップの前記発熱体層に対応する部位に圧力波取出し用の窓孔が形成され前記圧力波発生素子チップがフェースダウンで実装されたプリント基板を備え、プリント基板の厚み方向において前記各パッドそれぞれに一部が重複した一対の導体パターンそれぞれが前記導電性コンタクトを兼ねていることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。

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