JP2022073503A - 超音波プローブ用の中継基板、及び、超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】振動子の背面側に伝搬する振動を減衰させることで超音波画像の画像ノイズを低減させること。
【解決手段】実施形態に係る超音波プローブ用の中継基板は、超音波を送受信する振動子と、送受信の制御及びデータ処理を行う集積回路との間に設けられ、振動子と集積回路とを接続する。超音波プローブ用の中継基板は、多層配線部と、超音波減衰部と、断熱部とを備える。多層配線部は、集積回路の基板材料と熱伝導率が同等以上であり、集積回路が設けられる側に設けられる。超音波減衰部は、超音波の減衰性能を有し、振動子が設けられる側に設けられる。断熱部は、断熱性能を有し、多層配線部と超音波減衰部との間に設けられる。
【選択図】 図２

Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、超音波プローブ用の中継基板、及び、超音波プローブに関する。

医用分野では、超音波プローブの複数の振動子（圧電振動子）を用いて発生させた超音波を利用して、被検体内部を画像化する超音波診断装置が使用されている。超音波診断装置は、超音波診断装置に接続された超音波プローブから被検体内に超音波を送信させ、反射波に基づくエコー信号を生成し、画像処理によって所望の超音波画像を得る。

近年、超音波診断装置によって取得される超音波画像は、２次元（２Ｄ）から３次元（３Ｄ）へと進歩し、また、心臓内部の動きをリアルタイムで３Ｄ動画像として観察されるようになっている。これを可能にしたのは、複数の振動子が２Ｄ配置された２Ｄアレイプローブである。一般に、２Ｄアレイプローブのヘッド部には、超音波の送受信部（ＡＭ：アコースティックモジュール）と、信号処理部（ＥＭ：エレクトリックモジュール）とが高密度に設けられる。

送受信部は、振動子と、音響整合層と、背面材等によって構成される。一方で、信号処理部は、送受信部による超音波の送受信を制御したり、信号を処理したりするＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の集積回路と、送受信部と集積回路とを電気的に接続する中継基板とが実装された構造をもつ。特に、高密度な実装が必要なプローブヘッド部では、集積回路は、ベアチップ状態で中継基板にフリップチップ実装技術等のバンプ接続技術により実装される。送受信部も、Ａｇペーストや低融点ハンダにより中継基板に接続される。

特開２０１８－５６８７８号公報 特開２０１６－９２４３９号公報

本明細書及び図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、振動子の背面側に伝搬する振動を減衰させることで超音波画像の画像ノイズを低減させることである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。

実施形態に係る超音波プローブ用の中継基板は、超音波を送受信する振動子と、送受信の制御及びデータ処理を行う集積回路との間に設けられ、振動子と集積回路とを接続する。超音波プローブ用の中継基板は、多層配線部と、超音波減衰部と、断熱部とを備える。多層配線部は、集積回路の基板材料と熱伝導率が同等以上であり、集積回路が設けられる側に設けられる。超音波減衰部は、超音波の減衰性能を有し、振動子が設けられる側に設けられる。断熱部は、断熱性能を有し、多層配線部と超音波減衰部との間に設けられる。

図１は、実施形態に係る超音波プローブのヘッド部の構成例を示す断面図。 図２は、図１に示す実施形態に係る超音波プローブの一部を拡大した断面図。 図３は、変形例に係る超音波プローブのヘッド部の構成例を示す断面図。

以下、図面を参照しながら、超音波プローブ用の中継基板、及び、超音波プローブの実施形態について詳細に説明する。

実施形態に係る超音波プローブは、超音波を送受信する振動子と、超音波の送受信の制御及びデータ処理を行う集積回路と、振動子と集積回路との間に設けられ、振動子と集積回路とを接続する中継基板を備える。また、実施形態に係る超音波プローブは、振動子の背面側に、振動子の背面側に伝搬する振動（以下、「不要振動」という）を吸収して減衰させる背面材（「バッキング材」とも呼ばれる）を備える。

一般的な超音波プローブの背面材として、不要振動を吸収する比較的大きいサイズのものが用いられる。特に２Ｄアレイを搭載する超音波プローブにおいて、集積回路の実装やその発熱対策により大きなサイズの背面材を設置することが困難である。そのため、吸収しきれず背面材から漏れる不要振動に基づく画像ノイズが、超音波画像の画質に悪影響を与えるという問題がある。

この問題を解決するために、超音波プローブに、振動子を設置する基板と、背面方向に送信される振動を減衰させるための基板を設け、２つの基板間に圧電スイッチを形成することができる。その場合、振動子の送受信のタイミングにより２枚の基板を接触状態／非接触状態で切り替えることで不要振動を低減させることができる。しかしながら、この超音波プローブでは、振動子と同じ材料で切替スイッチを構成し、さらに振動子の送信とほぼ同タイミングで接触状態／非接触状態の切り替えを行うことになるので、振動子の材料の発熱が２倍になってしまう。元々振動子の発熱が問題になるところ、さらに発熱量が増す超音波プローブは実用的ではない。

また、超音波プローブの中継基板を構成する層として超音波減衰部を形成することもできる。その場合、中継基板の形状を変えることで不要振動を減衰させることもできる。しかしながら、この超音波プローブでは、特に振動子数が多い２Ｄアレイプローブにおいては、振動子の他、中継基板や集積回路も高密度に実装されるので、中継基板を構成する各層で配線を引き回せなくなるという問題がある。さらには、２Ｄアレイプローブの場合や、経食道（ＴＥＥ：Transesophageal Echocardiography）プローブの場合には、振動子と、中継基板と、集積回路とをより高密度に実装するため、不要振動を低減させるための部品の設置は困難である。さらには、超音波プローブに、集積回路の放熱機構をも設置しなければならない。

そこで、実施形態に係る超音波プローブは、背面側（つまり、集積回路が設けられる側）に多層配線部を備え、正面側（つまり、振動子が設けられる側）に超音波減衰部を備え、多層配線部と超音波減衰部との間に断熱部を備える中継基板を備えるものとする。この構成によれば、中継基板は、正面側から順に、超音波減衰部と、断熱部と、多層配線部とが積層された構造を備えることになる（図１～図３参照）。

具体的には、多層配線部と断熱部との間と、断熱部と超音波減衰部との間とは、それぞれ接触して接続され、多層配線部と断熱部と超音波減衰部とは一体的に設けられる（図１及び図２参照）。又は、多層配線部と前記断熱部との間は、接触して接続され、超音波減衰部は、断熱部に接続部を介して接続される（図３参照）。

図１は、実施形態に係る超音波プローブのヘッド部の構成例を示す断面図である。

図１は、実施形態に係る超音波プローブ１を示す。超音波プローブ１は、複数個の微小な振動子（圧電素子）２２を備え、スキャン対象を含む領域、例えば管腔体を含む領域に対して超音波の送受波を行う。各振動子は電気音響変換素子であり、送信時には電気パルスを超音波パルスに変換し、また、受信時には反射波を電気信号（受信信号）に変換する機能を有する。超音波プローブ１は、小型、軽量に構成されており、ケーブル（又は無線通信）を介して外部の超音波診断装置（図示省略）に接続される。超音波診断装置は、超音波プローブ１の動作を制御するととともに、超音波プローブ１によって受信された超音波に基づく受信信号に基づいて、Ｂモード画像やドプラ画像等の超音波画像を生成することができる。

一般的に、超音波プローブは、スキャン方式の違いにより、リニア型と、コンベックス型と、セクタ型などの種類に分けられる。実施形態に係る超音波プローブ１では、いずれのスキャン方式のプローブでも採用することができる。また、超音波プローブは、アレイ配列次元の違いにより、アレイ方向（「アジマス方向」とも呼ばれる）に１次元（１Ｄ）的に複数個の振動子が配列された１Ｄアレイプローブと、アレイ方向かつ列方向（「エレベーション方向」とも呼ばれる）に２次元（２Ｄ）的に複数個の振動子が配列された２Ｄアレイプローブとの種類に分けられる。なお、１Ｄアレイプローブは、列方向に少数の振動子が配列されたプローブを含む。実施形態に係る超音波プローブ１では、いずれのアレイ配列次元のプローブでも採用することができる。さらに、超音波プローブは、超音波の照射位置の違いにより、体表プローブ（「体外式プローブ」とも呼ばれる）と、ＴＥＥプローブ等の種類に分けられる。実施形態に係る超音波プローブ１では、いずれの超音波の照射位置に係るプローブでも採用することができる。

また、３Ｄスキャン、つまり、ボリュームスキャンが実行される場合、超音波プローブ１として、リニア型、コンベックス型、セクタ型等のスキャン方式を備えた２Ｄアレイプローブが利用されてもよい。又は、ボリュームスキャンが実行される場合、超音波プローブ１として、リニア型、コンベックス型、セクタ型等のスキャン方式を備え、列方向に機械的に揺動する機構を備えた１Ｄアレイプローブが利用されてもよい。後者のプローブは、メカ４Ｄプローブとも呼ばれる。

超音波プローブ１は、筐体１０を設け、その筐体１０内に、音響レンズ５０と、送受信部（ＡＭ：アコースティックモジュール）２０と、信号処理部（ＥＭ：エレクトリックモジュール）３０とを高密度に設ける。また、超音波プローブ１は、筐体１０内の送受信部２０の正面側に、共通電極４０と、音響レンズ５０とを設ける。

送受信部２０は、音響整合層２１と、振動子２２と、背面材２３とを備える。

音響整合層２１は、振動子２２の正面側に設けられ、振動子２２と生体との間の音響インピーダンスの差を小さくするために設けられる中間的物質である。

振動子２２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Lead Titanate Zirconate）を代表とする圧電セラミックから成る。振動子２２は、正面方向において、超音波の送受信を行う。振動子２２は、アレイ方向に沿って１次元的に配列され、振動子群を形成する。この場合、超音波プローブ１は、１Ｄアレイプローブである。又は、振動子２２は、アレイ方向及び列方向（図１の断面の奥行方向）に沿って２次元的に配列され、振動子群を形成する。この場合、超音波プローブ１は、２Ｄアレイプローブ（列方向に少数の振動子を配列する１．５Ｄアレイプローブを含む）である。

背面材２３は、振動子２２の背面側に設けられ、振動子２２の共振を抑制することで短いパルス波を発生させるとともに、振動子２２の背面側に発生する不要な超音波（振動）を吸収し減衰させる。

信号処理部３０は、中継基板３１と、集積回路３２とが実装された構造をもつ。集積回路３２は、送受信部２０による超音波の送受信を制御したり、信号を処理したりするＡＳＩＣ等からなる。中継基板３１は、送受信部２０と集積回路３２とを電気的に接続する。また、信号処理部３０は、中継基板３１と、外部の超音波診断装置（図示省略）との制御信号及び画像データの通信のために、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）３３を実装する。

中継基板３１は、正面側から順に、超音波減衰部３１２と、断熱部３１３と、多層配線部３１１とを備える。中継基板３１の構成の詳細は、図２を用いて後述する。

共通電極４０は、送受信部２０の音響整合層２１の正面側で、音響整合層２１に接着される。共通電極４０は、中継基板３１の多層配線部３１１に接着される。音響レンズ５０は、共通電極４０の正面側で、共通電極４０に接着される。音響レンズ５０は、振動子２２で発生し、正面方向に照射された超音波を列方向において収束する。また、音響レンズ５０は、振動子２２の正面側の大半又は全体を被覆する。

ここで、送受信部２０は、耐温度性が低い。そのため、送受信部２０を保持する保持基板の中継基板３１への接続には、低融点ハンダやＡｇペーストが用いられ、送受信部２０の保持基板と中継基板３１とはバンプＢ１で接続される。また、集積回路３２はＰｂフリーハンダの工程に耐えるため、ＳｎＡｇＣｕハンダバンプＢ２によりインターポーザに接続される。

図２は、図１に示す超音波プローブ１の一部を拡大した断面図である。

図２は、超音波プローブ１の部分断面図である。超音波プローブ１の中継基板３１は、多層配線部３１１と、超音波減衰部３１２と、断熱部３１３とを備える。

中継基板３１は、背面側（つまり、集積回路３２が設けられる側）に多層配線部３１１を中継基板３１の層として備え、正面側に超音波減衰部３１２を中継基板３１の層として備え、多層配線部３１１と超音波減衰部３１２との間に断熱部３１３を中継基板３１の層として備えるものである。この構成によれば、中継基板３１は、正面側から順に、超音波減衰部３１２と、断熱部３１３と、多層配線部３１１とが積層された構造を備えることになる。なお、多層配線部３１１と断熱部３１３との間と、断熱部３１３と超音波減衰部３１２との間とは、それぞれ接触して接続され、多層配線部３１１と断熱部３１３と超音波減衰部３１２とは一体的に設けられる。

多層配線部３１１は、集積回路３２の基板材料と熱伝導率が同等以上であることが好適であり、中継基板３１の中の背面側に設けられる。多層配線部３１１の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が望ましい。多層配線部３１１は、筐体１０等に熱的に接続され、集積回路３２で発生した熱を効率よく放熱することができる。

超音波減衰部３１２は、超音波の減衰性能を有し、中継基板３１の中の正面側に設けられる。超音波減衰部３１２は、貫通電極を備える。超音波減衰部３１２は、金属又はゴムからなるフィラーを含有することが好適である。

断熱部３１３は、断熱性能を有し、中継基板３１の中の、多層配線部３１１と超音波減衰部３１２との間に設けられる。断熱部３１３は、貫通電極を備える。断熱部３１３の材料は、有機高分子、例えばポリイミド樹脂であることが好適である。

振動子２２で発生した超音波は、正面方向には音響整合層２１を伝搬しさらに体内に伝わる。一方で、振動は背面方向にも伝わり、背面材２３で減衰する。しかし、通常、背面材２３では完全に振動を除去することはできず、背面材２３から漏れた振動が不要振動となって多層配線部３１１に伝わってしまう。不要振動は、多層配線部３１１の内部では様々なモードの不要振動として作用し、超音波画像に画像ノイズを発生させる。そこで、中継基板３１の中の正面側に超音波減衰部３１２を形成することで、背面側の多層配線部３１１への不要振動を大幅に低減することができる。

一方で、一般的に、超音波減衰部３１２は耐熱性が悪く、できるだけ温度上昇を抑えたいが、集積回路３２の発熱が多層配線部３１１を介して超音波減衰部３１２に伝わってしまう。そこで、中継基板３１は、高熱伝導率をもつ材料で作製された多層配線部３１１の正面側に、断熱部３１３を形成する。例えば、多層配線部３１１の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が望ましく、断熱部３１３の材料としては、例えばポリイミド樹脂が望ましい。多層配線部３１１は、筐体１０等に熱的に接続され、集積回路３２で発生した熱を効率よく放熱することができる。

以上のように、中継基板３１（及び、それを備えた超音波プローブ１）によれば、多層配線部３１１への不要振動を大幅に削減できるので、不要振動に基づく超音波画像の画像ノイズを低減することができる。また、超音波プローブ１及び中継基板３１によれば、集積回路３２の発熱を断熱部３１３に伝えないことで断熱部３１３の長期信頼性を上げるとともに、振動子２２にも熱を伝えない構造をとることができ、振動子２２の性能や信頼性を向上させることができる。超音波プローブ１が、２Ｄアレイプローブとして構成される場合、及び／又は、ＴＥＥプローブとして構成される場合、振動子と、中継基板と、集積回路とをより高密度に実装する必要があるため、効果が顕著である。

（変形例）
前述では、超音波減衰部３１２が、多層配線部３１１及び断熱部３１３と一体的な構造を有する場合について説明したが、その場合に限定されるものではない。超音波減衰部は、断熱部３１３と、ペーストやハンダ等の接続部を介して接続される構造をとってもよい。

図３は、変形例に係る超音波プローブのヘッド部の構成例を示す断面図を示す。

図３は、変形例に係る超音波プローブ１Ａを示す。超音波プローブ１Ａは、前述した超音波プローブ１と同様に、複数個の微小な振動子２２を備え、スキャン対象を含む領域に対して超音波の送受波を行う。超音波プローブ１Ａは、小型、軽量に構成されており、ケーブル（又は無線通信）を介して外部の超音波診断装置（図示省略）に接続される。超音波診断装置は、超音波プローブ１Ａの動作を制御するととともに、超音波プローブ１Ａによって受信された超音波に基づく受信信号に基づいて、Ｂモード画像やドプラ画像等の超音波画像を生成することができる。

変形例に係る超音波プローブ１Ａにおいても、前述した超音波プローブ１と同様に、いずれのスキャン方式のプローブでも採用することができる。また、変形例に係る超音波プローブ１Ａにおいても、前述した超音波プローブ１と同様に、いずれのアレイ配列次元のプローブでも採用することができる。さらに、変形例に係る超音波プローブ１Ａにおいても、前述した超音波プローブ１と同様に、いずれの超音波の照射位置に係るプローブでも採用することができる。

また、３Ｄスキャン、つまり、ボリュームスキャンが実行される場合、超音波プローブ１Ａとして、リニア型、コンベックス型、セクタ型等のスキャン方式を備えた２Ｄアレイプローブが利用されてもよいし、列方向に機械的に揺動する機構を備えた１Ｄアレイプローブが利用されてもよい。

超音波プローブ１Ａは、筐体１０を設け、その筐体１０内に、音響レンズ５０と、送受信部２０と、信号処理部３０Ａと、共通電極４０と、音響レンズ５０とを設ける。なお、図３において、図１に示す部材と同一部材には、同一符号を付して説明を省略する。

信号処理部３０Ａは、中継基板３１Ａと、集積回路３２とが実装された構造をもつ。中継基板３１Ａは、多層配線部３１１と、超音波減衰部３１２と、断熱部３１３とを備える。多層配線部３１１は、送受信部２０と集積回路３２とを電気的に接続する。また、信号処理部３０Ａは、多層配線部３１１と、外部の超音波診断装置（図示省略）との制御信号や画像データの通信のために、フレキシブルプリント基板３３を実装する。

中継基板３１Ａは、背面側に多層配線部３１１を備え、正面側に超音波減衰部３１２を単体の中継基板として備え、多層配線部３１１と超音波減衰部３１２との間に断熱部３１３を備える。この構成によれば、中継基板３１Ａは、正面側から順に、超音波減衰部３１２と、断熱部３１３と、多層配線部３１１とを備えた構造を備えることになる。多層配線部３１１と断熱部３１３との間は、接触して接続され、超音波減衰部３１２は、断熱部３１３に接続部を介して接続される。

以上のように、超音波プローブ１Ａによれば、前述した超音波プローブ１と同等の効果が得られる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、振動子の背面側に伝搬する振動を減衰させることで超音波画像の画像ノイズを低減させることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１Ａ 超音波プローブ
２０ 送受信部
２２ 振動子
２３ 背面材
３０，３０Ａ 信号処理部
３１，３１Ａ 中継基板
３２ 集積回路
３１１ 多層配線部
３１２ 超音波減衰部
３１３ 断熱部

Claims (9)

1. 超音波を送受信する振動子と、前記送受信の制御及びデータ処理を行う集積回路との間に設けられ、前記振動子と前記集積回路とを接続する超音波プローブ用の中継基板であって、
   前記集積回路の基板材料と熱伝導率が同等以上であり、前記集積回路が設けられる側に設けられる多層配線部と、
   前記超音波の減衰性能を有し、前記振動子が設けられる側に設けられる超音波減衰部と、
   断熱性能を有し、前記多層配線部と前記超音波減衰部との間に設けられる断熱部と、
   を備えた超音波プローブ用の中継基板。
2. 前記多層配線部と前記断熱部との間と、前記断熱部と前記超音波減衰部との間とは、それぞれ接触して接続され、前記多層配線部と前記断熱部と前記超音波減衰部とは一体的に設けられる、
   請求項１に記載の超音波プローブ用の中継基板。
3. 前記多層配線部と前記断熱部との間は、接触して接続され、前記超音波減衰部は、前記断熱部に接続部を介して接続される、
   請求項１に記載の超音波プローブ用の中継基板。
4. 前記超音波減衰部は、金属又はゴムからなるフィラーを含有する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波プローブ用の中継基板。
5. 前記断熱部の材料は、ポリイミド樹脂である、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波プローブ用の中継基板。
6. 前記前記多層配線部の材料は、窒化アルミニウムである、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超音波プローブ用の中継基板。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の前記超音波プローブ用の中継基板と、
   超音波を送受信する振動子と、
   前記送受信の制御及びデータ処理を行う集積回路と、
   を備えた超音波プローブ。
8. ２次元アレイプローブとして構成された、
   請求項７に記載の超音波プローブ。
9. 経食道プローブとして構成された、
   請求項７又は８に記載の超音波プローブ。

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