JP2014512899A - 超音波トランスデューサアレイに対する高い熱伝導性を持つ高多孔性音響支持体 - Google Patents

Abstract

超音波プローブの超音波トランスデューサアレイ・スタックに関する支持ブロックが、エポキシ樹脂で含浸される黒鉛発泡の複合構造として形成される。エポキシ樹脂は、黒鉛発泡ブロックの少なくともある程度の深度まで多孔質発泡構造に浸透し、硬化されるとき、良い構造安定性を支持ブロックに提供する。複合黒鉛発泡支持ブロックは、トランスデューサの集積回路に結合され、トランスデューサから離れて高い熱伝導性を提供し、後部音響反響の良好な音響減衰又は散乱を提供する。

Description

本発明は、医療診断超音波システムに関し、より詳細には、超音波トランスデューサアレイに関する支持体物質に関する。

２次元アレイトランスデューサは、３次元においてスキャンを行う超音波撮像において用いられる。２次元アレイは、方位角及び上昇方向の両方においてトランスデューサ要素の多数の行及び列を持つ。これは、プローブ及びメインフレーム超音波システムの間の信号を結合する大きな数のケーブル導体を必要とする。プローブケーブルにおける信号導体の数を最小化するための好ましい技術は、マイクロビーム形成器ＡＳＩＣ（特定用途集積回路）においてプローブにおけるビーム形成の少なくともいくつかを実行することである。この技術は、比較的少数の部分的にビーム形成された信号が、メインフレーム超音波システムに結合されることだけを必要とし、これにより、ケーブルにおいて必要とされる信号導体の数が減らされる。しかしながら、多数の信号接続が、２次元アレイ及びマイクロビーム形成器ＡＳＩＣの間で作られなければならない。これらの接続を作る効率的な態様は、フリップチップ相互接続を持つようトランスデューサアレイ及びＡＳＩＣを設計することである。これにより、トランスデューサアレイの導電性パッドが、ＡＳＩＣの対応する導電性パッドに対して直接バンプボンディングされる。

しかしながら、マイクロビーム形成器ＡＳＩＣの高密度電子回路は、その小さなＩＣパッケージにおいてかなりの量の熱を生成する可能性がある。この熱は、発散されなければならない。この熱が流れることができる２つの主方向が存在する。１つの方向は、プローブの患者接触端部でレンズの方へ音響スタックをフォワードスルーするものである。熱伝導性は、トランスデューサスタックにおける電気的導電要素によりこの方向において支援される。このフォワード経路は、熱フローに対して相対的に低い抵抗を示す。レンズにおける熱の集積は、送電電圧及び／又はパルス反復周波数を減らすことにより防止されなければならない。これは、プローブ性能に悪影響を与える。

好ましい熱伝導方向は、後部に向かう、レンズから離れる、及びプローブの背後のヒートスプレッダ（通常はアルミニウム）に向かうものである。しかし一般にトランスデューサスタック、アレイ要素及びマイクロビーム形成器ＡＳＩＣの後ろに配置されるのは、音響支持ブロックである。音響支持ブロックの目的は、音響スタックの後部から放射する超音波エネルギーを減衰させ、及びこのエネルギーが音響スタックの方へ反射される反射を引き起こすのを防止することである。音響支持ブロックは一般に、例えばマイクロバルーン又は他の防音材粒子が載せられたエポキシといった良好な音響減衰特性を持つ物質でできている。プローブアセンブリの支持構造体（通常アルミニウム）からＡＳＩＣを分離するために多くのエポキシ充填複合支持体が開発されたが、それらは２つの不利な点を持つ。高い減衰を持つよう作成される場合、それらは許容できない熱コンダクタンスを持つ。高い熱コンダクタンスを持つよう作成される場合、それらは許容できない減衰を持つ。従って、ブロックに入る音響エネルギーの良好な音響減衰を示し、プローブの後部に向かって及びレンズから離れて良好な熱伝導性を示し、必要に応じて音響スタックを支持することができる良い構造安定性を示し、プローブの他の導電性要素からマイクロビーム形成器ＡＳＩＣの適切な電気絶縁性を示す、超音波プローブに関する音響支持ブロックを提供することが望ましい。

本発明の原理によれば、超音波トランスデューサアレイ・スタックに関する支持ブロックは、高い音響減衰及び高い熱伝導性を持つ多孔性黒鉛発泡物質で形成される。好ましい実現において、発泡支持ブロックは、エポキシ樹脂で充填される発泡構造を持つ複合物として構築される。電気的単離層は、支持ブロックの上部に配置されることができ、支持ブロック及び音響スタックアセンブリのＡＳＩＣの間が結合される。

本発明の原理に基づき構築される熱伝導支持ブロックを持つ音響スタックを示す図である。 レンズカバーを持つトランスデューサプローブにおいて組立てられるときの図１の音響スタックを示す図である。 本発明の原理に基づき構築される熱伝導支持ブロックの透視図である。 本発明の原理に基づき構築される熱伝導支持ブロックの平面図である。 本発明の原理に基づき構築される熱伝導支持ブロックの側面断面図である。 本発明の原理に基づき構築される複合発泡支持ブロックを示す図である。 ＡＳＩＣ及び複合発泡支持ブロックの間のフィルム絶縁層を持つ本発明の音響スタックアセンブリを示す図である。 パリレン被覆された複合発泡支持ブロックを持つ本発明の音響スタックアセンブリを示す図である。

図１を最初に参照すると、本発明の原理に基づき構築される熱伝導支持ブロックを持つ音響スタック１００が、概略的に示される。ＰＺＴといった圧電層１１０及びこの圧電層に結合される２つの整合層が、個別のトランスデューサ要素１７５のアレイ１７０を形成するためにダイシングカット７５によりダイシングされる。これのうちの４つが、図１に見られる。アレイ１７０は、単一の行のトランスデューサ要素（１―Ｄアレイ）を有することができるか、又はトランスデューサ要素の２次元（２Ｄ）行列アレイを形成するため、２つの直交する方向においてダイシングされることができる。整合層は、一般に累進的な整合層のステップにおいて、診断される体の音響インピーダンスに圧電材料の音響インピーダンスを整合させる。この例において、第１の整合層１２０は、電気導電黒鉛複合体として形成され、第２の整合層１３０は、電気導電粒子が載せられたポリマーで形成される。接地平面１８０は、第２の整合層の上部に結合され、及び低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）１４０の膜１５０上に導電層として形成される。接地平面は、電気導電整合層を通りトランスデューサ要素に電気的に結合され、フレックス回路１８５のグラウンド導電体に接続される。ＬＤＰＥ膜１５０は、スタックの３番目及び最終的な整合層１４０を形成する。

トランスデューサ要素の下には、集積回路１６０であるＡＳＩＣが存在する。これは、トランスデューサ要素１７５に関する送信信号を提供し、この要素から信号を受信しこれを処理する。集積回路１６０の上部表面にある導電性パッドは、スタッドバンプ１９０によりトランスデューサ要素の底部にある導電性パッドに電気的に結合される。これは、はんだ又は導電性エポキシで形成されることができる。信号は、フレックス回路１８５への接続により集積回路１６０へ／から提供される。集積回路１６０の下に、トランスデューサスタックの底部から放射する音響エネルギーを減衰させる支持ブロック１６５がある。本発明の原理によれば、この支持ブロックも、集積回路及びトランスデューサスタックから離れて、及びトランスデューサプローブの患者接触端部から離れて、集積回路により生成される熱を伝導する。

図２は、トランスデューサプローブ内部で組立てられるときの図１のトランスデューサスタック・アセンブリを示す。図２のプローブにおいて、第３の整合層１４０は、音響レンズ２３０に結合される。超音波は、レンズ２３０を通り、撮像の間、患者の体へと送信され、これらの波に対して受信されるエコーは、レンズ２３０を通りトランスデューサスタックにより受信される。ＬＤＰＥ膜１５０は、本実施形態においてトランスデューサスタックを囲むよう機能する。なぜなら、それがスタック周りで包まれ、エポキシボンディング２１０によりプローブ筐体２２０に結合されるからである。この構造の追加的な詳細は、米国特許出願公開第２０１０／０１６８５８１号（Knowlesその他）において見つけ出される。

支持ブロック１６５に関する好ましい実現が、残りの図面に示される。好ましい支持ブロック１６５は、黒鉛２０のブロックで始まる。他の代替案は、例えば良い機械処理適性及び好ましい熱特性を提供するニッケル又は銅といった金属が載せられた黒鉛を含む。黒鉛ブロック２０が、複数の性能目的を満たす複合支持構造体を形成するために用いられる。第１に、支持構造体は、良好なＺ軸熱伝導性を持たなければならない。黒鉛は、良好な熱伝導性を持ち、Ｔｃは、０℃〜１００℃で８０〜２４０

である。結晶層に平行な伝導に関して、Ｔｃは、３００

で１９５０

に接近するであろう。Ｚ軸方向は、トランスデューサスタック１００及び集積回路１６０の背後の方向で、これらから離れる方向である。こうして、Ｚ軸方向における熱フローに関して黒鉛ブロック２０の結晶層を整列配置することが望ましい。他の実現において、横方向に、又は、横方向及びＺ軸方向の両方において、好ましく熱を伝導することが望ましい場合がある。この場合、異なる方向の水晶整列が望まれるか、又は整列方向が設計にとって重要でなくなる場合がある。熱の一部を発散させるためにアルミニウムが用いられるとき（これは、プローブ筐体内部のアルミニウムヒートスプレッダ又はアルミニウムフレームを用いて行われることができる）、支持ブロックの熱伝導性が、アルミニウムの熱伝導性に匹敵するか又はこれより良好であることが望ましい。その結果、熱は、好ましい態様でアルミニウムに流れる。アルミニウムは、室温で、２３７

に匹敵するＴｃを持つ。そこで、この性能目標は、黒鉛ブロック２０により十分満たされる。

第２の目的は、支持ブロックが、音響スタック１００及び集積回路１６０に関する構造的支持体を提供するということである。黒鉛ブロックは、構造的に頑丈である。従って、この目的が達成される。

第３の目的は、プローブのアルミニウム部材又はフレームから集積回路１６０の電気絶縁を提供することである。黒鉛は、電気導電であり、非導電性絶縁被覆で支持ブロックを被覆することにより、この目的を満たすことができる。いくつかの実現において、トランスデューサスタックと接触するブロックの側面だけを被覆することが望ましい場合がある。他の実現において、支持ブロックの複数の側面を被覆することが望ましい場合がある。例えば、横方向の音響反響を抑制する追加的な利益を提供する絶縁音響減衰物質でブロックの横方向の側面を被覆することが望ましい場合がある。

第４の目的は、支持ブロックが、ブロックに入る音響エネルギーを緩衝させなければならないということである。黒鉛は、音響エネルギーの良好な導体であり、ごくわずかな固有の音響減衰しか提供しない。この目的は、図３、４及び５に示されるように、内部音響緩衝部材の複合構造に関する枠組みとして黒鉛ブロックを使用することにより満たされる。これらの図面において、黒鉛は、ブロックの内部複合構造の説明の明確さのため半透明にレンダリングされる。緩衝部材は、支持ブロックにおける支持体物質の複数の角度をつけられたシリンダー３０として形成される。シリンダー３０は、黒鉛ブロック２０へと切断又は穿設され、その後、例えばマイクロバルーン又は他の音響減衰粒子で充填されたエポキシといった音響緩衝物質で充填される。図４の支持ブロックの平面図が示すように、シリンダー３０の上部は、集積回路の背部に対して音響緩衝物質の大きな領域を提供する。こうして、集積回路及び音響スタックの背部から放射する望ましくない相当な量の音響エネルギーが、緩衝物質へと直ちに進む。図３に見られるように、及び図５の断面図において最も良く示されるように、シリンダーに角度をつけることは、Ｚ軸方向において進行する音響エネルギーが、進行の経路におけるいくつかのポイントで緩衝物質と交差しなければならないことを確実にする。好ましくは、完全に黒鉛で形成されるＺ軸方向における経路は存在しない。シリンダーに角度をつけることは、集積回路に戻るエネルギーの反射を助長せず、集積回路から下方に離れる散乱角度を提供する。実際には、例えば経路の９５％をブロックすることにより、大部分のＺ軸経路をブロックすれば十分である。こうして、シリンダーに角度をつけることは、Ｚ軸方向のエネルギーの全て又は実質的に全ての減衰を確実にする。

しかしながら、熱は、シリンダー３０の間の黒鉛を通る連続的な経路を見つける。熱は、高い温度領域から低い温度領域へと（より大きな熱密度から小さな熱密度へと）流れるので、熱は集積回路１６０及び音響スタック１００から支持ブロック１６５の下の構造へと流れることになる。支持ブロックにおいて、熱は安全に発散させられることができる。

例えばアルミニウム、黒鉛発泡又は窒化アルミニウムといった他の物質が、支持ブロックの熱伝導性物質に関して用いられることができる。多くの用途にとって有利であることが見出される１つの複合構造が、エポキシ樹脂で充填される導電性黒鉛発泡である。上述された機械加工及び充填された黒鉛ブロックの巨視的な性質は、ＡＳＩＣに対する不均等なボンディング表面を提供することができる。これは、拡張ミスマッチに対して弱い。穴を機械加工し、エポキシで充填することは、労働集約的な処理でもある。図６は、本発明の実現を示す。図６の支持ブロックの支持体物質は、柔らかい無充填減衰エポキシ樹脂で充填される熱伝導性黒鉛発泡（ＰＯＣＯ ＨＴＣ）を用いる。無充填ＨＴＣ発泡は、かなりの多孔性（６０％）を持つ。総孔の９５％はオープンである。このオープン孔が柔らかい樹脂で充填されるとき、この複合支持体は、５Ｍｈｚでおよそ５０ｄＢ／ｍｍの高い音響減衰を示す。この高い減衰は、主に２つの機構が原因である。それは、１）柔らかい樹脂による音響エネルギーの吸収、及び２）エポキシ、黒鉛及び多孔質構造体における空気の間のインピーダンス不整合が原因による音響エネルギー散乱である。この高い音響減衰の結果として、支持体厚は、トランスデューサ熱放散を容易にするために減らされることができる。このエポキシ充填された黒鉛発泡の別の特性は、その高い熱伝導性（〜５０Ｗ／ｍＫ）である。これは、典型的なエポキシ充填材支持構造体より１オーダー高い大きさである。

図６の複合黒鉛発泡支持ブロック３２は、発泡の高い多孔性を示す。この例において、発泡ブロック３２の表面は、図面において陰影のついた領域により示されるように、発泡ブロックの多孔性及び樹脂の粘性の関数である深度３６の分、ブロックにしみ込むエポキシ樹脂３４で被覆される。硬化されたエポキシは、ブロックに良い構造安定性を与える。複合支持ブロックは、薄いエポキシボンドラインでＡＳＩＣ１６０に直接結合されることができる。ＡＳＩＣから適切な電気絶縁を提供するため、図７及び図８に示されるように支持ブロック及びＡＳＩＣの間に絶縁層が用いられることができる。これは、音響スタックにおける２つの実現の分解図を示す。各図面の上部には、この整合層を持つトランスデューサ層１７０がある。トランスデューサ層の下に、ＡＳＩＣ１６０がある。図７において、支持ブロックをアセンブリに結合する前に、薄い（１２〜２５ミクロン）ポリイミドフィルム３８が、ＡＳＩＣに取り付けられる。複合発泡支持ブロック３２は、絶縁膜３８に結合される。図８において、１０〜１５ミクロンのパリレン被覆５８が、ＨＴＣ支持ブロックに適用される。パリレン被覆された支持ブロックは、ＡＳＩＣ１６０に結合される。

Claims (15)

1. 超音波トランスデューサアレイアセンブリであって、
   超音波の送信に関する望ましい前方方向と、望ましくない後方の超音波放出方向とを持つトランスデューサ要素のアレイと、
   前記トランスデューサ要素のアレイに構造的に結合される集積回路と、
   前記トランスデューサ要素のアレイ及び集積回路の後方に配置される複合発泡支持ブロックであって、多孔質構造体を持つ発泡物質で形成される、複合発泡支持ブロックと、
   前記発泡支持ブロックの多孔質構造の少なくともいくつかを充填するエポキシ樹脂とを有し、
   前記後方方向における超音波放出が、前記多孔質発泡構造及びエポキシにより散乱又は減衰され、熱は、前記支持ブロック物質により前記トランスデューサ要素のアレイ及び集積回路から離れて伝導される、超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
2. 前記発泡物質が更に、黒鉛発泡を有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
3. 前記複合発泡支持ブロックが更に、外側表面を有し、前記エポキシ樹脂は、前記外側表面に隣接する前記発泡支持ブロックの前記多孔質構造を充填する、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
4. 前記集積回路が更に、前記トランスデューサ要素のアレイの前記後部側面に結合されるビーム形成器ＡＳＩＣを有し、前記複合発泡支持ブロックは、前記ビーム形成器ＡＳＩＣに熱的に結合される、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
5. 前記複合発泡支持ブロックが、エポキシ結合により前記ビーム形成器ＡＳＩＣに結合される、請求項４に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
6. 前記ビーム形成器ＡＳＩＣ及び前記複合発泡支持ブロックの間の電気絶縁層を更に有する、請求項４に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
7. 前記電気絶縁層が更に、ポリイミドフィルムを有する、請求項６に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
8. 前記ポリイミドフィルムが、２５ミクロンより厚くない、請求項７に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
9. 前記電気絶縁層が更に、パリレン被覆を有する、請求項６に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
10. 前記パリレン被覆が、１５ミクロンより厚くない、請求項９に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
11. 前記多孔質構造体が、少なくとも６０％の多孔性を示す、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
12. 前記多孔質構造体の総孔の少なくとも９５％が、オープンである、請求項１１に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
13. エポキシ、前記多孔性発泡物質及び前記多孔質発泡構造における空気の間の前記インピーダンス不整合が原因で、前記後部超音波放出が、散乱する、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
14. 前記多孔性発泡物質が更に、黒鉛発泡物質を有する、請求項１３に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
15. 前記エポキシ樹脂による吸収が原因で、後部超音波放出が減衰される、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイアセンブリ。

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