JP2012039197A - 電気機械変換装置及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械トランスデューサの反りを矯正して回路基板に実装することができる電気機械変換装置及びその作製方法を提供する。
【解決手段】電気機械変換装置において、回路基板１０３、１０４と電気機械トランスデューサ１０１が導電性接着剤１０２を介して電気的に接続されて積層されている。回路基板１０３、１０４の層構成が２層以上であり、層構成は、夫々の層１０３、１０４が異なる熱膨張率の材質から成って回路基板に垂直な方向に関して非対称である。
【選択図】図５

Description

本発明は、静電容量型超音波トランスデューサなどの電気機械トランスデューサと回路基板とを含む電気機械変換装置、及びその作製方法に関する。

超音波トランスデューサは、電気信号から超音波への変換、超音波から電気信号への変換を行なうものであり、医用イメージング、非破壊検査用の探触子などとして用いられている。超音波トランスデューサの１つに、ＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｕｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）がある。ＣＭＵＴは、下部電極を有する基板と、この基板上に形成された支持部によって支えられたメンブレン（振動部）と、上部電極とで構成されたセルを１つ以上有している。セルのキャビティ（空隙）は、下部電極、メンブレン、上部電極に囲まれて形成されている（特許文献１参照）。ＣＭＵＴは、下部電極と上部電極の間に印加する電圧によってメンブレンを振動させることで超音波を放出する。また、超音波によってメンブレンが振動し、それによって下部電極と上部電極との間の静電容量が変化し、それを検知することで超音波を検出する。

従来、ＣＭＵＴの実装は、２次元アレイ構造でない場合、各セルをワイヤーボンディングを用いてデバイス周辺の端子へ接続し、電気信号のやり取りを行なっていた。しかしながら、２次元アレイ化を行なう場合、ワイヤーボンディングの方法は、端子の数が多くなり、また密度も高くなるため非常に困難である。よって、例えば、デバイスの裏側に端子を並べたＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型にする必要がある。プリント基板などの回路基板への実装は、通常のＧＢＡタイプのＩＣデバイスと同じ様に、リフロー炉を通すことでハンダによってデバイスをプリント基板に接続することができる。

一方、デバイスの実装されたプリント基板は探触子ケースに収められて使用される場合がある。探触子ケースでは、超音波伝達物質と超音波透過シートを挟んでＣＭＵＴなどのデバイスが測定対象と面する様に配置される。このとき、デバイスと超音波透過シートとの面間距離は、超音波の伝達効率の観点から一定の距離に保つのが好ましく、デバイスの面は平坦であるか若しくは所定の曲率内に収められることが望ましい。

特開2006−319712号公報

しかしながら、基板上にキャビティ形状に犠牲層を形成し犠牲層上にメンブレン層を形成した後に犠牲層をエッチングしてキャビティを形成する方法で作製されるサーフェース型ＣＭＵＴはデバイス作製中の膜応力等によって反った形となり易い。その量は、対象とする超音波などの音響波の波長から計算されて設定される音響波透過シートとＣＭＵＴとの間の距離に対して無視できない大きさとなる場合もある。こうした場合、デバイスの面の中心部と端部とでは、音響波透過シートからの面間距離が異なってしまい、面間距離が一定の場合と比べ、各位置に到達する音響波の強さや到達時間が異なってしまうことがあり得る。なお、本明細書において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含み、例えば、測定対象内部に近赤外線等の光（電磁波）を照射して測定対象内部で発生する音響波や、測定対象内部に音響波を送信して測定対象内部で反射した反射音響波を含む。

上記課題に鑑み、回路基板と電気機械トランスデューサが導電性接着剤を介して電気的に接続されて積層された本発明の電気機械変換装置は次の特徴を有する。前記回路基板の層構成が２層以上であり、前記層構成は、夫々の層が異なる熱膨張率の材質から成って前記回路基板に垂直な方向に関して非対称である。

また、上記課題に鑑み、回路基板と電気機械トランスデューサを電気的に接続して積層する本発明の作製方法は次の工程を有する。前記電気機械トランスデューサを作製する工程。夫々異なる熱膨張率の材質から成る複数の層を積層して前記回路基板を作製する工程。前記回路基板と前記電気機械トランスデューサとの間に導電性接着剤を挟み両者を位置決めして重ね合わせる工程。重ね合わされた前記回路基板と前記電気機械トランスデューサを熱して前記接着剤を溶解し、再度前記接着剤が固まる温度付近まで温度を下げて両者を接続する工程。

本発明によれば、回路基板の２層以上の層構成を、夫々の層が異なる熱膨張率の材質から成って回路基板に垂直な方向に関して非対称とするので、電気機械トランスデューサの反りを矯正して回路基板に実装することができる。

本発明の電気機械変換装置の実施例の外観斜視図と断面図を示す図。 回路基板と電気機械トランスデューサが積層された状態を示す断面図。 電気機械トランスデューサの一例を示す断面図。 電気機械トランスデューサの作製方法の一例を示す工程断面図。 回路基板と電気機械トランスデューサの積層工程を説明する断面図。 ２層以上の層構成を有する回路基板の反り量の調整方法を説明する図。

本発明の特徴は、夫々の層が異なる熱膨張率の材質から成る２層以上の層構成の回路基板を垂直な方向に関して非対称とし、導電性接着剤を介して回路基板と電気機械トランスデューサとを電気的に接続して積層することにある。これにより、回路基板の層構成の非対称性を調整して、導電性接着剤による接合時に電気機械トランスデューサの反り量と回路基板の反り量を同等になる様にし、室温時に回路基板が平坦になることを使って電気機械トランスデューサの持つ反りを矯正できる。この考え方に基づき、本発明の電気機械変換装置及び作製方法は、上記課題を解決するための手段のところで述べた様な基本的な構成を有する。なお、本発明の電気機械変換装置は少なくとも電気機械トランスデューサと回路基板とで構成される。

以下、図を用いてより具体的な実施例を説明する。ただし、本発明の範囲は実施例の構成に限定されるものではない。例えば、実施例では、電気機械トランスデューサを、ＣＭＵＴなどの超音波トランスデューサとするが、反りが生じる可能性があるどの様な方式（磁性膜を用いるＭＭＵＴ、圧電薄膜を用いるＰＭＵＴなど）の電気機械トランスデューサであってもよい。
（実施例）
図１は超音波トランスデューサを含む超音波探触子全体を示す。（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が断面図である。上部が超音波透過部であるシート２０１となった保護手段２とグリップ部３とケーブル部４を持つ超音波探触子の保護手段２内の間隙２０２には、図１（ｂ）に示す様に、超音波トランスデューサ１が配置されている。超音波透過シート２０１で覆われた間隙２０２は、超音波が効率良く伝播される様になっていて、空気、ひまし油などの油等で満たされている。超音波トランスデューサ１と超音波透過シート２０１との面間の間隔は、超音波の伝達効率が最大となる様に、例えば、対象とする超音波の波長の４分の１に設定されている。

図２は、超音波トランスデューサ１０１と回路基板であるプリント基板との接続形態を示し、既に接続された状態を示す。超音波トランスデューサ１０１とプリント基板は導電性接着剤であるハンダ１０２で電気的に接続されている。この接続は、例えば、次の様に行われる。信号を処理する処理回路や電極パッドを含むプリント基板の電極パッドが、超音波トランスデューサ１０１の下部電極などと位置合わせされ、導電性のハンダ１０２によって両基板が接合される。これにより、超音波の送受信の信号処理が可能なＣＭＵＴなどが構成される。本実施例では、プリント基板は、熱膨張率の異なる基板材料Ａ（１０３）と基板材料Ｂ（１０４）の積層構成を有する。

図３に示す様に、超音波トランスデューサは、例えば、基板１１上の第１の電極である下部電極１２、空隙１５、支持部で支持された振動部１４、第２の電極である上部電極１６を含むセルを１つ以上有する。下部電極１２及び支持部は基板１１の主面に配設され、上部電極１６を有する振動部１４は、基板１１及び下部電極１２に対向し空隙１５を隔てて支持部によって可動に支持される。この動作は次の様に行われる。測定対象２７から放射された超音波信号p(t)が振動部１４に入射すると、振動部１４が超音波信号p(t)の波形に応じて振動する。このとき、下部電極１２と上部電極１６との間に直流電圧源２８を用いてバイアス電圧Vbを印加しておくと、振動部１４の振動に応じた電流信号i(t)が発生する。よって、この電流信号i(t)を計測することで超音波信号p(t)の波形が得られる。超音波を送信する際には、下部電極１２と上部電極１６との間に、ＤＣ電圧と微小なＡＣ電圧とを重畳して印加する。これにより、振動部１４が振動し超音波が発生する。

超音波トランスデューサを用いて測定対象の内部状態などを測定する際には、超音波探触子の超音波透過シート２０１を測定対象に沿う様に走査する。この際、測定対象と直接的又は間接的に接触させて走査を行う。間接的とは、測定対象の形状を維持する為の圧迫板などの形状維持部材を介して走査することを言う。本実施例では、この様に、超音波探触子の超音波透過シート２０１を介して超音波トランスデューサを測定対象に沿って走査する。しかし、例えば、測定面全体にほぼ均一な厚さの保護層を設けた超音波トランスデューサとして、これを測定対象と直接的又は間接的に接触させて走査を行ってもよい。こうした場合でも、超音波トランスデューサの反りは超音波の伝達効率を低減する原因となるので、この反りを矯正して伝達効率を向上させるのが良い。

一般に、超音波トランスデューサは、複数（通常１００〜３０００個程度）のセルを１エレメント（１素子）として、２００〜４０００程度の複数のエレメントから構成されたアレイデバイスとして用いられる。空隙１５の高さは、例えば、１００ｎｍ乃至２００ｎｍである。空隙１５の直径は、例えば、１０μｍから２００μｍの範囲である。また、上部電極１６及び下部電極１２はＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕなどの材料により形成される。振動部１４はチッ化シリコンなどの絶縁材料により形成される。感度などの観点から、好ましくは、空隙１５を大気圧に対して減圧状態に保ち振動部１４を凹形状とするとよい。

超音波トランスデューサの作製方法として、サーフェスマイクロマシニングを利用する反りが生じ易い作製方法を説明する。図４は作製工程例を説明する模式図である。まず始めに、例えば、Ｓｉ基板１１を用意する。次に、導体膜、例えば金属やドープされた半導体を、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどにより成膜し、フォトリソグラフィとエッチングにより下部電極１２を形成する（図４（a））。次に、犠牲層１３を形成する。まず、例えば、ＰＥＣＶＤによりアモルファスシリコンを１００ｎｍ成膜する。フォトリソグラフィ及びエッチングにより、空隙となる犠牲層１０３のパターンを形成する（図４（ｂ））。次に、振動部と支持部を形成する。例えば、ＰＥＣＶＤにより、シリコン窒化膜である振動部１４と支持部を１００ｎｍ成膜する（図４（ｃ））。次に、フォトリソグラフィとエッチングにより、シリコン窒化膜１４にエッチングホール（図示しない）を形成する。これは、犠牲層にエッチング液を入れるための導入口である。次に、例えば、基板をＴｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ（ＴＭＡＨ）に浸漬する。これにより、ＴＭＡＨが、犠牲層であるアモルファスシリコン１０３をエッチングする。こうして空隙１５が形成される。次に、アルミニウム等の金属を成膜し、フォトリソグラフィとエッチングにより上部電極１０６のパターニングを行う（図４（ｄ））。

前述した様に、サーフェスマイクロマシニングで作製される超音波トランスデューサは反り易い。そこで、本実施例では、この反りを矯正する様に、超音波トランスデューサと回路基板を接続する。回路基板は、夫々異なる熱膨張率の材質から成る複数の層を積層して作製されている。図５は、図２の接続状態の前の状態を示す。図５に示す様に、超音波トランスデューサ１０１は反った状態になっている。接続過程において、図５（a）の状態においてリフロー炉を通す。つまり、回路基板と超音波トランスデューサとの間に導電性接着剤のハンダ１０２を挟み両者を位置決めして重ね合わせ、重ね合わされた回路基板と超音波トランスデューサを熱してハンダ１０２を溶解する。図５（ｂ）は、接着剤のハンダ１０２が溶解して、再度前記接着剤が固まる温度付近まで下げた状態を示す。ここでは、プリント基板の基板材料Ａ（１０３）と基板材料Ｂ（１０４）との熱膨張の差の分、プリント基板には反りが発生することになる。この反り量を、超音波トランスデューサ１０１が持つ反り量と同じになる様に予め調整しておく。これにより、室温に戻したところで、接続状態は図２の状態になる。

ここで、超音波トランスデューサ１０１の反りを矯正する為のプリント基板の反り量を計算する方法を説明する。図６の様に、ハンダ１０２が溶解して再度固まる温度付近での反りによってプリント基板は平坦形状から円弧状に反ったと考える。図６（a）において、ｄはプリント基板の厚さ、Ｌはプリント基板の長さ、Ｒとθは夫々仮想的な円半径とプリント基板を見込む角度である。基板材料Ａと基板材料Ｂの熱膨張率を夫々αＡ、αＢとすると、ハンダ１０２が再度固まる温度付近の温度Ｔの時の長さは夫々Ｌ×（１＋αＡ×Ｔ）、Ｌ×（１＋αＢ×Ｔ）となる。２つの基板材料の界面は平均の伸び量と考える。すると、以下の様になる。
Ｒ×θ＝Ｌ×（１＋αＡ×Ｔ）
（Ｒ＋ｄ）×θ＝Ｌ×（１＋αＢ×Ｔ）
これらの関係より、
θ＝Ｌ×（αＢ−αＡ）×Ｔ／ｄ
となる。

図６（ｂ）に示す関係より、反り量ｈは次の様になる。
ｈ＝（Ｌ／２）×ｔａｎ（θ／２）
そして、θは小さいとして近似すると次の様になる。
ｈ＝（Ｌ／２）^２×（αＢ−αＡ）×Ｔ／ｄ

例えば、基板材料Ａ、基板材料Ｂは、熱膨張率αＡ、αＢが夫々１２ｐｐｍと２０ｐｐｍのものを選び、ハンダ１０２の固まる温度Ｔを２００℃、プリント基板の長さＬを２０ｍｍ、プリント基板の厚さｄを１．６ｍｍとすると、反り量ｈは１００μｍとなる。この様にして、ハンダ１０２が溶解して再度固まる温度付近でのプリント基板の反り状態が超音波トランスデューサ１０１の反りとほぼ同等になる様に調整して、両者を接合する。この際、超音波トランスデューサ１０１は元々反っていて、更に反ることはない。また、プリント基板の剛性は、超音波トランスデューサ１０１の反りを強制できる様に調整されているものとする。これにより、室温に戻したところで、両者の接続状態は図２の状態になって、反りが矯正される。プリント基板の基板材料に使われる材料の熱膨張率としては、ガラスエポキシの２０ｐｐｍから１２ｐｐｍ程度、ポリイミドなどの３８ｐｐｍがある。プリント基板の配線材料に使われる材料の熱膨張率としては、銅などの１６ｐｐｍがある。これらの膨張率の組み合わせと厚さと長さを調整することで、超音波トランスデューサの反りと合わせた所望の反り量を得ることができる。回路基板の反り量を考える際に、回路配線の材料の熱膨張率も考慮する必要がある場合は、回路配線の層も１つの層と考えて反り量を計算する。本実施例では積層数は２層であるが、３層以上の場合も上記計算法に準じて計算し熱膨張率の組み合わせと厚さと長さを調整すればよい。また、１つの層内に埋め込まれた層なども、実質的に積層された層として扱う必要がある場合は、こうした層も積層数に入れてカウントすればよい。

本発明の静電容量型電気機械トランスデューサなどを含む電気機械変換装置及びその作製方法によれば、例えば、電気機械トランスデューサをパッケージ内に納めて用いる場合などに、超音波等の音響波の伝達効率を向上させることができる。作製した静電容量型電気機械トランスデューサなどを含む電気機械変換装置は、建設・材料・医療などの分野の超音波探触子等として利用することができる。

１、１０１…超音波トランスデューサ（電気機械トランスデューサ）、１０２…ハンダ（導電性接着剤）、１０３…回路基板の基板材料Ａ、１０４…回路基板の基板材料Ｂ、２０１…超音波透過シート（超音波透過部）、２０２…間隙

Claims (8)

1. 回路基板と電気機械トランスデューサが導電性接着剤を介して電気的に接続されて積層された電気機械変換装置であって、
   前記回路基板の層構成が２層以上であり、
   前記層構成は、夫々の層が異なる熱膨張率の材質から成って前記回路基板に垂直な方向に関して非対称であることを特徴とする電気機械変換装置。
2. 積層された前記回路基板と前記電気機械トランスデューサは超音波透過部で覆われた間隙に納められて超音波探触子として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換装置。
3. 前記回路基板と前記超音波透過部との間隔が、対象とする超音波の波長の４分の１に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換装置。
4. 前記電気機械トランスデューサは、第１の電極と、前記第１の電極と対向し空隙を隔てて配設された第２の電極を含む可動な振動部と、前記振動部を支持する支持部とを含むセルを１つ以上有する静電容量型電気機械トランスデューサであることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の電気機械変換装置。
5. 前記静電容量型電気機械トランスデューサは、サーフェスマイクロマシニングを利用する作製方法で作製されたトランスデューサであることを特徴とする請求項４に記載の電気機械変換装置。
6. 回路基板と電気機械トランスデューサを電気的に接続して積層する作製方法であって、
   前記電気機械トランスデューサを作製する工程と、
   夫々異なる熱膨張率の材質から成る複数の層を積層して前記回路基板を作製する工程と、
   前記回路基板と前記電気機械トランスデューサとの間に導電性接着剤を挟み両者を位置決めして重ね合わせる工程と、
   重ね合わされた前記回路基板と前記電気機械トランスデューサを熱して前記接着剤を溶解し、再度前記接着剤が固まる温度付近まで温度を下げて両者を接続する工程と、
   を含むことを特徴とする作製方法。
7. 前記回路基板の積層された複数の層の反り量が、前記接着剤が固まる温度付近で、前記電気機械トランスデューサが持つ反り量と同じになる様に、前記複数の層を予め調整しておくことを特徴とする請求項６に記載の作製方法。
8. 前記電気機械トランスデューサはサーフェスマイクロマシニングを利用する作製方法で作製されることを特徴とする請求項７または８に記載の作製方法。

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