JP2018187130A - 実装構造体、超音波デバイス、超音波探触子、超音波装置、及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1では、電子部品は、基板上にICチップ等の電子素子と、電子素子に接続する金属配線としての導電膜が形成されている。この導電膜の一部は、基板の周縁部に電極が構成されている。また、回路基板は、液晶パネルが形成される基板であって、液晶が配置された領域の外側に電極端子が形成されている。これら電子部品側のバンプ電極と、回路基板側の電極端子とを直に接触させた状態で、電子部品が回路基板に接合されている。
一適用例に係る実装構造体は、機能素子が設けられる第一面を有する第一基板と、前記第一面の前記機能素子とは異なる位置に設けられ、前記機能素子に接続される配線部と、前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記機能素子に接続される導通部と、を備え、前記機能素子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長いことを特徴とする。
本適用例の実装構造体において、前記導通部と前記第二基板とが接合する領域の面積は、前記配線部と前記導通部とが接続する領域の面積より大きいことが好ましい。
本適用例では、導通部と第二基板とが接合する領域の面積の方が、導通部と配線部とが接続する領域の面積よりも大きい。つまり、導通部では、第二基板から第一基板に向かうにしたがって、第一方向と交差する面における断面積が小さくなる。このような構成では、第二基板から機能素子が設けられた第一基板に向かうにしたがって、第一方向と交差する面における導通部と機能素子との距離を大きくすることができる。したがって、導通部と機能素子とが干渉することをさらに抑制できる。また、第一方向から見た平面視における導通部と機能素子とをより近接させて配置することができる。
本適用例の実装構造体において、前記配線部及び前記導通部の少なくとも一方は、樹脂部と、前記樹脂部を覆う導電部と、を有することが好ましい。
本適用例では、導通部及び配線部の少なくとも一方が、樹脂部と、当該樹脂部を覆う導電部とを有する。このような構成では、導通部と配線部とを当接させた際に、樹脂部を弾性変形させることができ、ひいては配線部及び導通部の一方を他方に沿って変形させることができる。したがって、導通部と配線部との間の密着性を向上させることができ、接続信頼性を向上させることができる。
本適用例の実装構造体において、前記第一基板から前記第二基板に向かう第一方向において、前記導通部及び前記配線部の接続領域と重なる位置の前記樹脂部の厚さは、前記導電部の厚さよりも大きいことが好ましい。
本適用例では、導通部及び配線部の接続領域において、樹脂部の厚さが、導電部の厚さよりも大きい。このように導電部よりも樹脂部を厚くすることにより、導通部を変形し易くできる。これにより、配線部と導通部とを当接させた際の応力を緩和させることができ、第一基板及び第二基板に歪が生じることを抑制できる。また、導電部の厚さを小さくすることにより、樹脂部が変形し易くなるため、例えば配線部の厚さに誤差が生じたとしても、樹脂部の変形により配線部と導通部とを密着させることができ、接続信頼性を向上させることができる。
本適用例の実装構造体において、前記樹脂部は、前記導通部が弾性変形していない場合、前記第二面から突となる略半球状であり、前記樹脂部の前記第二基板側の端面の最大径をLとして、前記第二基板から前記機能素子までの距離dは、d>L/2の関係を満たすことが好ましい。
本適用例では、樹脂部は、弾性変形していない状態で、第二面から突となる略半球状に形成されている。また、樹脂部の第二基板側の端面の最大径(つまり直径)をLとして、第二基板から機能素子までの距離dは、d>L/2の関係を満たす。つまり、距離dは、弾性変形前の樹脂部の半径よりも大きい。
このような構成では、導通部は、弾性変形するため、先端と第二基板との距離の最大値は略L/2(つまり、樹脂部の半径)である。したがって、第二基板から機能素子までの距離dをL/2よりも大きくすることにより、導通部と機能素子との干渉をさらに抑制できる。
また、このような導通部は、例えば、樹脂を加熱溶融させた後に、固化させることにより形成された樹脂部を導電部で被覆することにより形成することができる。
本適用例の実装構造体において、前記配線部及び前記導通部は、前記第一基板から前記第二基板に向かう第一方向の平面視において、互いに交差することが好ましい。
本適用例では、上記平面視において、配線部及び導通部は、互いに交差している。これにより、配線接続の際に、第一方向に交差する面内にて第一基板及び第二基板間の位置ずれを許容でき、接続不良の発生を抑制できる。つまり、本適用例では、上記平面視において配線部及び導通部が交差していない場合(平行な場合や略点接続の場合等)と比べて、位置ずれに対する許容量を大きくできる。このため、第一基板及び第二基板の位置合わせを容易に行うことができ、ひいては配線接続を容易に行うことができる。また、接続信頼性を向上させることができる。
本適用例の実装構造体において、前記配線部及び前記導通部の少なくとも一方は、樹脂部と、前記樹脂部の少なくとも一部を覆う導電部と、を有することが好ましい。
本適用例では、導通部及び配線部の少なくとも一方が、樹脂部と、当該樹脂部を覆う導電部とを有する。このような構成では、導通部と配線部とを当接させた際に、樹脂部を弾性変形させることができ、ひいては配線部及び導通部の一方を他方に沿って変形させることができる。したがって、導通部と配線部との間の密着性を向上させることができ、接続信頼性を向上させることができる。
本適用例の実装構造体において、前記配線部及び前記導通部のうちの前記一方は、前記第一面に平行な第二方向を長手方向とし、前記配線部及び前記導通部のうちの他方は、前記第一面に平行かつ前記第二方向に交差する第三方向を長手方向とし、前記第二方向において、前記導電部の寸法は、前記他方の寸法よりも大きいことが好ましい。
本適用例では、配線部及び導通部のうち、樹脂部と、当該樹脂部を覆う導電部とを有する方は第二方向を長手方向とし、他方は第三方向を長手方向とする。そして、第二方向において、導電部の寸法は、他方の寸法よりも大きい。これにより、第二方向において、配線接続の際に、第二方向において、第一基板及び第二基板間の位置ずれを許容しつつ、上述の弾性力による接続信頼性を維持できる。
本適用例の実装構造体において、前記配線部は、金属材料で形成されるとき、前記第一面の面方向における幅に対する前記第一面の法線方向における高さの比が、0.1以上5以下であることが好ましい。
本適用例では、配線部は、第一面の面方向における幅に対する、第一面の法線方向における高さの比(つまりアスペクト比)は、0.1以上5以下である。これにより、導通部からの力が作用した際に配線部が変形することを抑制することができ、電気的接続の信頼性を向上させることができる。
本適用例の実装構造体において、前記機能素子は、第一機能素子及び第二機能素子を備え、前記配線部は、前記第一機能素子及び前記第二機能素子に接続され、前記第一基板から前記第二基板に向かう第一方向の平面視において、前記第一機能素子と前記第二機能素子との間に設けられることを特徴とする。
本適用例では、第一基板の第一面に機能素子が設けられ、機能素子は第一機能素子及び第二機能素子を備えている。そして、配線部は第一機能素子及び第二機能素子に接続されている。第一基板から第二基板に向かう第一方向の平面視において、第一機能素子と第二機能素子との間に配線部が設けられる。つまり、1つの配線部が第一機能素子と第二機能素子とに接続されている。従って、第一機能素子専用の配線部と第二機能素子専用の配線部とを設置するときに比べて、配線部が占める面積を小さくすることができる。その結果、第一基板に第一機能素子、第二機能素子及び配線部をより高密度に配置することができる。
本適用例の実装構造体において、前記機能素子は、前記第一基板から前記第二基板に向かう第一方向に沿って振動する振動子を有することが好ましい。
本適用例では、機能素子が振動子を含み構成されている。このような構成でも、上述のように導通部と機能素子との干渉を抑制することができる。つまり、導通部によって振動子の振動が妨げられることを抑制でき、振動子を適切に駆動させることができる。
本適用例の実装構造体において、前記配線部と前記導通部とは、前記振動子の前記第一方向における振動範囲よりも前記第二基板側で接続されていることが好ましい。
本適用例では、第一基板に設けられる振動子の振動範囲よりも第二基板側で、配線部と導通部とが接続されている。このような構成では、振動子の駆動範囲外に導通部を配置することができる。これにより、導通部によって振動子の振動が妨げられることをさらに抑制でき、振動子を適切に駆動させることができる。
本適用例の実装構造体において、前記機能素子は、前記第一基板に形成された可撓膜と、前記可撓膜に設けられた前記振動子と、を有する超音波トランスデューサーであることが好ましい。
本適用例では、機能素子が可撓膜と振動子とを含み構成される超音波トランスデューサーである。このような構成では、上述のように、導通部によって振動子の振動が妨げられることを抑制でき、超音波トランスデューサーを適切に駆動させることができる。
本適用例の実装構造体において、前記第一基板と前記第二基板とを接合する接合部を備え、前記第一基板は、複数の前記機能素子が形成された機能領域を有し、前記接合部は、前記機能領域内で前記第一基板及び前記第二基板を接合することが好ましい。
本適用例では、接合部は、機能素子が形成された機能領域において、第一基板と第二基板とを接合している。これにより、例えば、機能領域内に複数の導通部と配線部とが設けられ、つまり複数の接続位置が存在する場合でも、機能領域内での第一基板及び第二基板間の距離の均一性を向上させることができ、各接続位置での接続信頼性を向上させることができる。
一適用例に係る超音波デバイスは、振動子が設けられる第一面を有する第一基板と、前記第一面の前記振動子とは異なる位置に設けられ、前記振動子に接続される配線部と、前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記振動子に接続される導通部と、を備え、前記振動子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長いことを特徴とする。
本適用例では、第一基板の第一面には、振動子と、当該振動子に接続される配線部と、が設けられている。また、第二基板の第二面には、配線部に接続する導通部が設けられている。そして、振動子と第二基板との最短距離は、配線部と導通部とが接続される位置と第二基板との距離より長くなるように構成されている。このような構成では、上記適用例と同様に、導通部と振動子とが干渉することを抑制でき、第一基板及び第二基板間での配線接続を容易に行うことができ、ひいては、超音波デバイスを容易に製造することができる。
一適用例に係る超音波探触子は、振動子が設けられる第一面を有する第一基板と、前記第一面の前記振動子とは異なる位置に設けられ、前記振動子に接続される配線部と、前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記振動子に接続される導通部と、前記第一基板、前記配線部、前記第二基板、及び前記導通部を収納する筐体と、を備え、前記振動子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長いことを特徴とする。
本適用例では、第一基板の第一面には、振動子と、当該振動子に接続される配線部と、が設けられている。また、第二基板の第二面には、配線部に接続する導通部が設けられている。そして、振動子と第二基板との最短距離は、配線部と導通部とが接続される位置と第二基板との距離より長くなるように構成されている。このような構成では、上記適用例と同様に、導通部と振動子とが干渉することを抑制でき、第一基板及び第二基板間での配線接続を容易に行うことができ、ひいては、超音波探触子を容易に製造することができる。
一適用例に係る超音波装置は、振動子が設けられる第一面を有する第一基板と、前記第一面の前記振動子とは異なる位置に設けられ、前記振動子に接続される配線部と、前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記振動子に接続される導通部と、前記振動子を制御する制御部と、を備え、前記振動子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長いことを特徴とする。
本適用例では、第一基板の第一面には、振動子と、当該振動子に接続される配線部と、が設けられている。また、第二基板の第二面には、配線部に接続する導通部が設けられている。そして、振動子と第二基板との最短距離は、配線部と導通部とが接続される位置と第二基板との距離より長くなるように構成されている。このような構成では、上記適用例と同様に、導通部と振動子とが干渉することを抑制でき、第一基板及び第二基板間での配線接続を容易に行うことができ、ひいては、超音波装置を容易に製造することができる。
一適用例に係る電子機器は、機能素子が設けられる第一面を有する第一基板と、前記第一面の前記機能素子とは異なる位置に設けられ、前記機能素子に接続される配線部と、前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記機能素子に接続される導通部と、前記機能素子を制御する制御部と、を備え、前記機能素子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長いことを特徴とする。
本適用例では、第一基板の第一面には、機能素子と、当該機能素子に接続される配線部と、が設けられている。また、第二基板の第二面には、配線部に接続する導通部が設けられている。そして、機能素子と第二基板との最短距離は、配線部と導通部とが接続される位置と第二基板との距離より長くなるように構成されている。このような構成では、上記適用例と同様に、導通部と機能素子とが干渉することを抑制でき、第一基板及び第二基板間での配線接続を容易に行うことができ、ひいては、電子機器を容易に製造することができる。
以下、超音波装置の第一実施形態に係る超音波測定装置について、図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態の超音波測定装置1の概略構成を示す斜視図である。図2は、超音波測定装置1の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の超音波装置及び電子機器としての超音波測定装置1は、図1に示すように、超音波プローブ2と、超音波プローブ2にケーブル3を介して電気的に接続された制御部としての制御装置10と、を備えている。
この超音波測定装置1は、超音波プローブ2を生体(例えば人体)の表面に当接させ、超音波プローブ2から生体内に超音波を送出する。また、生体内の器官にて反射された超音波を超音波プローブ2にて受信し、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態(例えば血流等)を測定したりする。
図1に示すように、超音波プローブ2は、超音波探触子に相当し、筐体21と、筐体21内部に収納する超音波デバイス22と、超音波デバイス22を制御するためのドライバー回路等が設けられた回路基板23(図2参照)と、を備えている。なお、超音波デバイス22と、回路基板23とにより超音波センサー24が構成され、当該超音波センサー24は、超音波モジュールを構成する。
筐体21は、例えば平面視矩形状の箱状に形成され、厚み方向に直交する一面(センサー面21A)には、センサー窓21Bが設けられており、超音波デバイス22の一部が露出している。また、筐体21の一部(図1に示す例では側面)には、ケーブル3の通過孔21Cが設けられ、ケーブル3は、通過孔21Cから筐体21の内部の回路基板23に接続されている。また、ケーブル3と通過孔21Cとの隙間は、例えば樹脂材等が充填されることで、防水性が確保されている。
なお、本実施形態では、ケーブル3を用いて、超音波プローブ2と制御装置10とが接続される構成例を示すが、これに限定されず、例えば超音波プローブ2と制御装置10とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ2内に制御装置10の各種構成が設けられていてもよい。
図3は、超音波デバイス22における素子基板41を、保護膜44側から見た平面図である。図4は、図3におけるA−A線で切断した超音波デバイス22の断面図である。図5は、超音波デバイス22における、後述する導通部421の周辺の概略構成を示す断面図である。図6は、保護膜44側から見た超音波トランスデューサー45を模式的に示す平面図である。
図4に示すように、超音波デバイス22は素子基板41と、封止板42と、音響整合層43と、保護膜44と、を含み構成されている。これらのうち素子基板41及び封止板42は、封止板42側に設けられた導通部421及び図示しない導通配線を介して電気的に接続されている。
図3に示すように、この素子基板41には超音波を送受信する機能素子としての超音波トランスデューサー45が設置され、複数の超音波トランスデューサー45が、X方向及びX方向に交差(本実施形態では直交)するY方向に沿ってマトリックス状に配置されている。これら複数の超音波トランスデューサー45により超音波アレイALが構成されている。
図4に戻って、素子基板41は、第一基板に相当し、基板本体部411と、基板本体部411に積層された振動膜412と、を備えている。また、振動膜412の封止板42側には、振動子としての圧電素子413と、下部電極連結線414と、配線部415と、上部電極引出線416(図3参照)と、接合部417とが設けられている。これらのうち、振動膜412の振動領域である可撓膜412Aと圧電素子413とにより、超音波を送受信する超音波トランスデューサー45が構成されている。また、図3に戻って、素子基板41を基板厚み方向から見た平面視において、素子基板41の中央領域は、複数の超音波トランスデューサー45によって構成される超音波アレイALが設けられるアレイ領域Ar1である。このアレイ領域Ar1は機能領域に相当する。このアレイ領域Ar1には、複数の超音波トランスデューサー45がマトリックス状に配置されている。
ここで、以降の説明にあたり、図4に示す素子基板41の封止板42に対向する面を第一面に相当する背面41A、背面41Aとは反対側の面を作動面41Bと称する。そして、素子基板41の背面41Aには超音波トランスデューサー45が設けられている。なお、作動面41Bの法線方向は、Z方向に略一致し、素子基板41から封止板42に向かう方向(第一方向39A)は、Z方向に略平行である。
下部電極413Aや上部電極413Cは、1又は2以上の導電性材料による層を含み構成されている。このような導電性材料としては、例えば、Au,Al,Cu,Ir,Pt,IrOx,Ti,TiW,TiOx等の電極材料を用いることができる。本実施形態では、例えば、下部電極413Aは、振動膜412上にTiW層(50nm)と、Cu層(100nm)とが順に積層されて構成されている。
また、圧電膜413Bは、例えば、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物、より具体的には、Pb、Ti及びZrを含むチタン酸ジルコン酸鉛を用いて形成される。
このように構成された下部電極連結線414上に配線部415が設けられている。
なお、被覆部415Bは、Ni層(50nm)と、Au層(100nm)とが積層された構成に限定されず、各種導電性材料を用いて形成されてもよい。
なお、Z方向から見た平面視における配線部415の平面形状は、矩形状に限定されず、円形、楕円形、各種多角形状等であってもよい。配線部415のXY断面の方向は背面41Aの面方向に相当する。
引出部416Aは、例えば、X方向に沿って数えた際の奇数番目と偶数番目の超音波トランスデューサー群45Aの間に配置され、これら超音波トランスデューサー群45Aの各上部電極413Cが連結部416Bによって連結されている。
接合部417は、素子基板41と封止板42とを接合可能な材料、例えば各種接着剤や感光性樹脂材料(フォトレジスト)等の樹脂材料を用いて形成される。本実施形態では、接合部417は、感光性樹脂材料を用いて形成されている。これにより、接合部417を所望の位置に、所望の形状で形成することができる。
また、第二接合部417Bは上部電極引出線416の引出部416Aの間に配置されている。そして、第二接合部417BはY方向に各配線部415を挟む位置に配置されている。このような構成では、各配線部415から第二接合部417Bまでの距離が等しくなるように、第二接合部417Bを配置することができる。したがって、第二接合部417Bからの応力が、各配線部415の接続位置に略均等に作用させることができる。
少なくともアレイ領域Ar1に第二接合部417Bを形成することにより、第一接合部417Aのみを設ける場合と比べて、配線部415と導通部421との間の接続信頼性を向上させることができる。
図4乃至図6に示す封止板42は、第二基板に相当し、素子基板41の強度を補強するために設けられている。封止板42は、例えば半導体基板等により構成され、接合部417により素子基板41に接合されている。封止板42の材質や厚みは、超音波トランスデューサー45の周波数特性に影響を及ぼすため、送受信する超音波の中心周波数に基づいて設定することが好ましい。
この封止板42は、導通部421と、貫通電極連結線420と、貫通電極422と、下部電極配線423とが設けられている。尚、封止板42において素子基板41の背面41Aと対向する面、つまり、素子基板41側の面を第二面に相当する内面42Aとする。
図4乃至図6に示す導通部421は、導通部に相当する。導通部421は、封止板42の内面42Aに設けられ、素子基板41に設けられた配線部415に圧接されて密着し、配線部415と電気的に接続される。そして、導通部421は配線部415を介して超音波トランスデューサー45に接続される。この導通部421は、樹脂部に相当する樹脂部421Aと、樹脂部421Aを覆う導電部としての導電膜421Bと、を備える。貫通電極連結線420は導電膜421Bと貫通電極422とを電気的に接続する。導電膜421Bと貫通電極連結線420とは連続する導電膜でもよい。
なお、実際には、封止板42と素子基板41とを接合した後で導通部421が配線部415上に接触する。導通部421は配線部415に押圧されて弾性変形しているため、封止板42から導通部421の+Z側の先端までの距離がL1/2よりも短い。したがって、振動範囲の−Z側端部Rzの位置が端部415Cより素子基板41側にあるときには、駆動停止時の圧電素子413の端部413Dと封止板42との間の距離d2が下記式(2)を満たすことによっても、超音波トランスデューサー45と導通部421との干渉を抑制できる。つまり、接合前に導通部421が超音波トランスデューサー45に接触しないようにしても良い。
d1>L1/2 ・・・(1)
d2>L1/2 ・・・(2)
貫通電極422は、図4乃至図6に示すように、樹脂部421AをY方向に沿って挟む位置に一対設けられており、例えばSi貫通電極(TSV;Through−Silicon Via)や、貫通孔に導電性材料が充填された構成を採用することができる。また、封止板42の−Z側の面(以下、外面42Bとも称す)には、各貫通電極422に対して個別に下部電極配線423が形成されている。下部電極配線423は、貫通電極422に接続し、外面42Bに沿って形成された配線(図示略)を介して回路基板23に接続されている。
なお、貫通電極422は少なくとも一つ形成されていればよく、三つ以上であってもよい。また、貫通電極422の形成位置も上述の位置に限らず、例えば、Z方向から見た平面視において、樹脂部421Aの+X側や−X側に形成されていてもよい。
音響整合層43は超音波トランスデューサー45の作動面41B側に配置される。本実施形態では、音響整合層43は作動面41B側に形成された開口部411A内に充填されている。
保護膜44は、素子基板41及び音響整合層43上に設けられ、これら素子基板41及び音響整合層43を保護する。この保護膜44は、図1に示すように、筐体21のセンサー窓21Bから外部に露出し、超音波測定時に生体表面に当接される。
これらの音響整合層43や保護膜44は、超音波トランスデューサー45から送信された超音波を測定対象である生体に効率良く伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率良く超音波トランスデューサー45に伝搬させる。このため、音響整合層43及び保護膜44の音響インピーダンスは、生体の音響インピーダンスに近い値に設定されている。上述の素子基板41、配線部415、封止板42及び導通部421は筐体21に収納されている。
図2に示すように、回路基板23は、超音波デバイス22が接合され、超音波トランスデューサー45を制御するためのドライバー回路等が設けられる。この回路基板23は、選択回路231、送信回路232、及び受信回路233を備えている。
なお、本実施形態では、超音波トランスデューサー45の共通電極である上部電極413Cに接続する配線は、回路基板23において、例えばグラウンド回路等に接続されている。これにより上部電極413Cが、所定の共通電位(例えば0電位)に設定される。
送信回路232は、制御装置10の制御により送信接続に切り替えられた際に、選択回路231を介して超音波デバイス22に超音波を発信させる旨の送信信号を出力する。
受信回路233は、制御装置10の制御により受信接続に切り替えられた際に、選択回路231を介して超音波デバイス22から入力された受信信号を制御装置10に出力する。受信回路233は、例えば低雑音増幅回路、電圧制御アッテネーター、プログラマブルゲインアンプ、ローパスフィルター、A/Dコンバーター等を含んで構成されており、受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を制御装置10に出力する。
図2に示すように、制御装置10は、制御部に相当し、例えば、操作部11と、表示部12と、記憶部13と、演算部14と、を備えて構成されている。この制御装置10は、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いてもよく、超音波プローブ2を操作するための専用端末装置であってもよい。制御装置10は超音波トランスデューサー45や圧電素子413等も制御する。
操作部11は、ユーザーが超音波測定装置1を操作するためのUI(user interface)であり、例えば表示部12上に設けられたタッチパネルや、操作ボタン、キーボード、マウス等により構成することができる。
表示部12は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
記憶部13は、超音波測定装置1を制御するための各種プログラムや各種データを記憶する。
演算部14は、例えばCPU(Central Processing Unit)等の演算回路や、メモリー等の記憶回路により構成されている。そして、演算部14は、記憶部13に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、送信回路232に対して送信信号の生成及び出力処理の制御を行い、受信回路233に対して受信信号の周波数設定やゲイン設定などの制御を行う。
以下、上述のような超音波デバイス22の製造方法について説明する。
図7は、超音波デバイス22の製造方法の一例を示すフローチャートである。また、図8乃至図23は、超音波デバイス22の製造工程を模式的に示す図である。
超音波デバイス22を製造するためには、図7に示すように、素子基板形成工程S1、封止板形成工程S2、接合工程S3及び加工工程S4を実施する。
なお、図8乃至図23は、図4に示す超音波トランスデューサー群45Aの近傍における断面を模式的に示す。
図8に示すように、素子基板形成工程S1では、先ず、例えばSiにより構成された基板本体部411に振動膜412、圧電素子413、下部電極連結線414、及び上部電極引出線416(図示略)を形成する(ステップS11:素子部形成工程)。ステップS11では、基板本体部411を熱酸化処理して形成したSiO2膜上にZrを成膜し、さらに熱酸化処理してZrO2層を形成して振動膜412を形成する。この振動膜412上に、下部電極413A、圧電膜413B、及び上部電極413Cを形成して、圧電素子413を形成する。なお、下部電極413Aを形成する際に下部電極連結線414を形成し、上部電極413Cを形成する際に上部電極引出線416を形成する。具体的には、先ず、振動膜412上に例えばスパッタリング等により成膜した電極材料をパターニングして下部電極413A及び下部電極連結線414を形成する。その後、下部電極413A上に圧電膜413Bを形成する。圧電膜413Bの形成後、下部電極413A及び下部電極連結線414と同様にして、上部電極413C及び上部電極引出線416を形成する。
次に、図7に示すように封止板形成工程S2を実施する。ステップS2では、先ず、図16に示すように貫通電極422を備える封止板42を形成する(ステップS21:基板形成工程(図7参照))。
次に、封止板42の内面42A側に導通部421を形成する(ステップS22:導通部形成工程(図7参照))。図17に示すように、ステップS22では、先ず、封止板42の内面42Aに樹脂部421Aを形成するための樹脂層53を形成する。その後、図18に示すように、樹脂部421Aの形成位置以外に形成された樹脂層53をエッチングにより除去する。その後、図19に示すように、樹脂層53を加熱して溶融させて再び固化させることにより、略半球状の樹脂部421Aを形成する。本実施形態では、樹脂部421Aは、例えば幅寸法(すなわち内面42A側の面の直径L1)が24μmであり、高さ寸法(高さ)が12μmとなるように形成されている。樹脂部421Aの形状は、溶融前の樹脂層53の体積や、内面42Aの濡れ性等によって調整することができる。そして、図20に示すように、貫通電極連結線420及び導電膜421Bとして、例えば、TiW層(50nm)と、Au層(100nm)とを順に積層形成する。
次に、図7に示すように、上述のように形成された素子基板41と封止板42とを接合する接合工程を実施する(ステップS3)。ステップS3では、図21に示すように、素子基板41上に封止板42を配置する。この際、素子基板41と封止板42との相対位置を調整する。つまり、導通部421が対応する配線部415に重なるように位置調整を行う。
図22に示すように、位置調整を行った後、素子基板41及び封止板42が近づく方向に、素子基板41及び封止板42の少なくとも一方を押圧する。これにより、導通部421が弾性変形して配線部415に密着する。この状態で素子基板41及び封止板42を加熱する(例えば200℃で1時間)。これにより、接合部417を溶融させた後、再び固化させることにより、素子基板41及び封止板42が接合される。
次に、図7に示すように、素子基板41及び封止板42を加工する加工工程を実施する(ステップS4)。ステップS4では、図23に示すように、素子基板41の基板本体部411の厚みを調整した後、開口部411Aを形成する。また、封止板42の外面42Bに下部電極配線423を含む配線を形成する。なお、封止板42の外面42B側の配線は、予め形成されていてもよい。その後、図4に示すように開口部411Aに音響整合層43を充填した後、保護膜44を形成する。このようにして超音波デバイス22が製造される。
本実施形態では、配線部415の端部415Cは、圧電素子413の端部413Dよりも封止板42側に位置する。つまり、導通部421と配線部415との接続位置は圧電素子413の端部413Dよりも封止板42側に位置する。また、本実施形態では、上記接続位置は、超音波トランスデューサー45の振動範囲の−Z側端部Rzよりも封止板42側に位置する。このような構成では、導通部421の位置ずれが生じたとしても、導通部421の位置が、圧電素子413よりも封止板42側に位置するため、超音波トランスデューサー45と、導通部421との干渉を抑制できる。
また、位置ずれによる超音波トランスデューサー45と、導通部421との干渉を抑制でき、配線部415が形成されない場合と比べて位置決め精度が低くても、素子基板41と封止板42との間での配線接続を適切に行うことができる。
なお、配線部415のアスペクト比は、0.1以上5以下であることが好ましく、本実施形態では略1である。ここで、アスペクト比を5以下とすることにより、導通部421からの押圧力によって、配線部415が傾いたり屈曲したりすることを抑制でき、電気的接続の信頼性を向上させることができる。また、アスペクト比を0.1以上とすることにより、導通部421からの押圧力によって配線部415が+Z側に変形して、導通部421が超音波トランスデューサー45に近づくことを抑制できる。
また、導電膜421Bは、樹脂部421Aよりも薄いため、樹脂部421Aの弾性変形を妨げない。これにより、導通部421と端部415Cとの密着性をより向上させることができる。さらに、圧接時に、素子基板41に作用する応力を緩和させることができ、素子基板41の歪みや破損を抑制することができる。
このような導電膜421Bを有する導通部421は、樹脂層53を加熱溶融させた後に、固化させることにより樹脂部421Aを形成し、当該樹脂部421Aを導電膜421Bで被覆することにより容易に形成することができる。
以下、第二実施形態について説明する。
第一実施形態では、導通部421は、配線部415との導通部分が略半球状であり、Z方向の平面視において互いに配線部415と重なるように設けられていた。これに対して、第二実施形態では、配線部及び導通部は、Z方向の平面視において互いに交差するように設けられている点において、第一実施形態と主に相違する。
なお、以降の説明にあたり、第一実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
図24は、第二実施形態の超音波デバイスの要部の概略構成を示す断面図である。また、図25は、図24の第二実施形態の超音波デバイスの要部の概略構成を示す断面図である。また、図26は、第二実施形態の超音波デバイスの配線部及び導通部を模式的に示す斜視図である。なお、図24は、図25のB−B線で切断した超音波デバイス60の断面図である。
図24及び図25に示すように、第二実施形態の超音波デバイス60では、素子基板41には配線部61が設けられる。また、封止板42には導通部62が設けられる。これら配線部61と導通部62とが当接して電気的に接続される。これにより、超音波トランスデューサー45の圧電素子413の下部電極413Aは、配線部61、導通部62、貫通電極422、及び下部電極配線423等を介して、回路基板23に電気的に接続される。
なお、第二実施形態では、図25に示すように、一つの導通部62に対して一つの貫通電極422が設けられる構成を例示するが、貫通電極422の数や配置位置は第二実施形態の構成に制限されない。
配線部61は、本体部611と、被覆部612と、を備え、導電性を有する。この配線部61は、X方向を長手方向とすること以外は、第一実施形態の配線部415と略同様に構成される。配線部61の長手方向であるX方向を第三方向39Cとする。
これらのうち被覆部612は、導電性を有する金属材料を用いて形成され、第一実施形態の被覆部415Bと略同様に構成され、本体部611の表面を覆うように形成される。
導通部62は、Y方向が長手方向となり、第一方向39AであるZ方向の平面視にて配線部61と交差するように、封止板42の内面42Aに設けられる(図26参照)。導通部62は、樹脂部としての樹脂部621と、樹脂部621の少なくとも一部を覆い、かつ、貫通電極422に電気的に接続される導電部としての導電膜622と、を備える。この導通部62は、素子基板41に設けられた配線部61に圧接されて密着し、配線部61と電気的に接続される。
配線部61及び導通部62は、Z方向の平面視にて互いに交差している。これにより、超音波デバイス60では、配線接続の際に、素子基板41及び封止板42の間の位置ずれを許容でき、接続不良の発生を抑制できる。つまり、上記平面視において配線部61及び導通部62が交差していない場合(例えば、配線部61及び導通部62が平行な場合や、配線部61及び導通部62の接続面が略矩形や円形の場合等)、素子基板41及び封止板42の間の位置ずれにより、接続部分の面積が小さくなって接触抵抗が増大する場合がある。また、位置ずれにより、適切に電気的接続を行うことができない場合がある。これに対して、配線部61及び導通部62は、互いに交差するように配置されているため、位置合わせ時におけるX方向及びY方向の位置ずれに対する許容量を大きくできる(図26参照)。このため、素子基板41及び封止板42の位置合わせを容易に行うことができ、ひいては配線接続を容易に行うことができる。また、接続信頼性を向上させることができる。
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
例えば、上記第一実施形態では、一例として、素子基板41に設けられた配線部415と、封止板42に設けられた導通部421と、によって素子基板41と封止板42との間の配線接続を行う構成を例示した。しかしながら、本発明は上記各実施形態の構成に限定されず、例えば、後述するような各変形例の構成を採用することができる。なお、後述する各変形例として、第一実施形態に対する変形例を例示するが、第二実施形態についても同様の変形を適用することができる。
図27は、超音波デバイス22Aの第一変形例の概略構成を示す断面図である。
図27に示すように、第一変形例では、素子基板41には、上記第一実施形態の導通部421と同様に構成される配線部47が設けられる。また、封止板42には、上記第一実施形態の配線部415と同様に構成される導通部48が設けられる。これら配線部47と導通部48とが当接し電気的に接続されている。
また、配線部47が弾性変形することにより、導通部48との密着性を向上させることができるうえ、接続時に素子基板41及び封止板42に作用する応力を緩和することができる。
図28は、超音波デバイス22Bの第二変形例の概略構成を示す断面図である。
図28に示すように、第二変形例では、素子基板41には、上記第一変形例の配線部47が設けられ、この配線部47と、封止板42に設けられた導通部421とが当接し電気的に接続されている。つまり、配線部47は樹脂部471と、樹脂部471を覆う導電膜472と、を有する。さらに、導通部421は樹脂部421Aと、樹脂部421Aを覆う導電膜421Bと、を有する。
また、配線部47と導通部421との両方が弾性変形するため、配線部47と導通部421との密着性を一層向上させることができる。
図29は、超音波デバイス22Cの第三変形例の概略構成を示す断面図である。
図29に示すように、第三変形例では、封止板42には、上記第一変形例の導通部48が設けられ、この導通部48と、素子基板41に設けられた配線部415とが当接し電気的に接続されている。
このような構成では、上記第一実施形態と同様に、導通部48と超音波トランスデューサー45との干渉を抑制でき、配線接続を容易とすることができる。
また、配線部415と導通部48との高さ寸法(高さ)によって素子基板41と封止板42との距離を調整することができる。さらに、配線部415と導通部48との表面を上述のように拡散接合で接合することにより、アレイ領域Ar1内の複数位置で素子基板41と封止板42とを接合でき、素子基板41及び封止板42間の距離の面内均一性を向上させることができる。
図30は、超音波デバイス22Dの第四変形例の概略構成を示す断面図である。
図30に示すように、第四変形例では、素子基板41には、配線部として上記第一実施形態の本体部415Aが設けられ、この本体部415Aと、封止板42に設けられた導通部421とが当接し電気的に接続されている。
このような構成では、上記第一実施形態と同様に、導通部421と超音波トランスデューサー45との干渉を抑制でき、配線接続を容易とすることができる。また、被覆部415Bを形成しないため、製造工程を簡略化することができる。
なお、本体部415Aと導通部421との間の拡散接合による接合が実施できない場合でも、各第二接合部417Bが接合位置を挟むように配置されているため、配線接続の信頼性を向上させることができる。
図31乃至図32は、超音波デバイスの第五変形例の概略構成を示す断面図である。
図31に示すように、第五変形例の超音波デバイス22Eでは、素子基板41は、上記第一実施形態の配線部415の代りに配線部49を備え、この配線部49と封止板42に設けられた導通部421とが当接し電気的に接続されている。このような構成でも、上記第一実施形態と同様に、導通部421と超音波トランスデューサー45との干渉を抑制でき、配線接続を容易とすることができる。
また、導通部421に代えて第一変形例の導通部48を設ける構成としてもよい。このような第二突出部419とすることで、基板本体部411と封止板42との接合高さを容易に決定することができる。
図33乃至図37は超音波デバイスの他の変形例の概略構成を示す断面図である。
上記各実施形態及び各変形例では、アレイ領域Ar1の各配線部を一方向に挟むように第二接合部417Bが配置されるように構成されていたが、これに限定されない。
図33は上記第一実施形態に対する一変形例を示し、図34乃至図37は、それぞれ第一乃至第四変形例に対する一変形例を示す。これら図33乃至図37に示すように、例えば、超音波デバイス22G乃至超音波デバイス22Lにおいて、アレイ領域Ar1に第二接合部417Bを設けない構成としてもよい。この場合、第一接合部417Aによって素子基板41及び封止板42が接合されている。このような構成であっても、素子基板41と封止板42とが十分な剛性を有することにより配線部及び導通部の接続信頼性を確保することができる。なお、配線部及び導通部の間の拡散接合が可能な場合では、接続信頼性を向上させるとともに、第二接合部417Bを設けないことによる構成の簡略化を図ることができる。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
Claims (18)
- 機能素子が設けられる第一面を有する第一基板と、
前記第一面の前記機能素子とは異なる位置に設けられ、前記機能素子に接続される配線部と、
前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、
前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記機能素子に接続される導通部と、を備え、
前記機能素子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長い
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項1に記載の実装構造体において、
前記導通部と前記第二基板とが接合する領域の面積は、前記配線部と前記導通部とが接続する領域の面積より大きい
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項1又は請求項2に記載の実装構造体において、
前記配線部及び前記導通部の少なくとも一方は、樹脂部と、前記樹脂部を覆う導電部と、を有する
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項3に記載の実装構造体において、
前記第一基板から前記第二基板に向かう第一方向において、前記導通部及び前記配線部の接続領域と重なる位置の前記樹脂部の厚さは、前記導電部の厚さよりも大きい
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項3又は請求項4に記載の実装構造体において、
前記樹脂部は、前記導通部が弾性変形していない場合、前記第二面から突となる略半球状であり、
前記樹脂部の前記第二基板側の端面の最大径をLとして、前記第二基板から前記機能素子までの距離dは、d>L/2の関係を満たす
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項1又は請求項2に記載の実装構造体において、
前記配線部及び前記導通部は、前記第一基板から前記第二基板に向かう第一方向の平面視において、互いに交差する
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項6に記載の実装構造体において、
前記配線部及び前記導通部の少なくとも一方は、樹脂部と、前記樹脂部の少なくとも一部を覆う導電部と、を有する
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項7に記載の実装構造体において、
前記配線部及び前記導通部のうちの前記一方は、前記第一面に平行な第二方向を長手方向とし、
前記配線部及び前記導通部のうちの他方は、前記第一面に平行かつ前記第二方向に交差する第三方向を長手方向とし、
前記第二方向において、前記導電部の寸法は、前記他方の寸法よりも大きい
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の実装構造体において、
前記配線部は、金属材料で形成されるとき、前記第一面の面方向における幅に対する前記第一面の法線方向における高さの比が、0.1以上5以下である
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の実装構造体において、
前記機能素子は、第一機能素子及び第二機能素子を備え、
前記配線部は、前記第一機能素子及び前記第二機能素子に接続され、前記第一基板から前記第二基板に向かう第一方向の平面視において、前記第一機能素子と前記第二機能素子との間に設けられることを特徴とする実装構造体。 - 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の実装構造体において、
前記機能素子は、前記第一基板から前記第二基板に向かう第一方向に沿って振動する振動子を有する
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項11に記載の実装構造体において、
前記配線部と前記導通部とは、前記振動子の前記第一方向における振動範囲よりも前記第二基板側で接続されている
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項11又は請求項12に記載の実装構造体において、
前記機能素子は、前記第一基板に形成された可撓膜と、前記可撓膜に設けられた前記振動子と、を有する超音波トランスデューサーである
ことを特徴とする実装構造体。 - 請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の実装構造体において、
前記第一基板と前記第二基板とを接合する接合部を備え、
前記第一基板は、複数の前記機能素子が形成された機能領域を有し、
前記接合部は、前記機能領域内で前記第一基板及び前記第二基板を接合する
ことを特徴とする実装構造体。 - 振動子が設けられる第一面を有する第一基板と、
前記第一面の前記振動子とは異なる位置に設けられ、前記振動子に接続される配線部と、
前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、
前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記振動子に接続される導通部と、を備え、
前記振動子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長い
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 振動子が設けられる第一面を有する第一基板と、
前記第一面の前記振動子とは異なる位置に設けられ、前記振動子に接続される配線部と、
前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、
前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記振動子に接続される導通部と、
前記第一基板、前記配線部、前記第二基板、及び前記導通部を収納する筐体と、を備え、
前記振動子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長い
ことを特徴とする超音波探触子。 - 振動子が設けられる第一面を有する第一基板と、
前記第一面の前記振動子とは異なる位置に設けられ、前記振動子に接続される配線部と、
前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、
前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記振動子に接続される導通部と、
前記振動子を制御する制御部と、を備え、
前記振動子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長い
ことを特徴とする超音波装置。 - 機能素子が設けられる第一面を有する第一基板と、
前記第一面の前記機能素子とは異なる位置に設けられ、前記機能素子に接続される配線部と、
前記第一面に対向する第二面を有する第二基板と、
前記第二面に設けられ、前記配線部に接続し、前記機能素子に接続される導通部と、
前記機能素子を制御する制御部と、を備え、
前記機能素子と前記第二基板との最短距離は、前記配線部と前記導通部とが接続される位置と前記第二基板との距離より長い
ことを特徴とする電子機器。
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