JP4429012B2 - 超音波プローブ配線方法及び装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、電気リード（ワイヤ、トレース等）をデバイスへ接続する装置及び方法、特に、例えば経食道イメージングプローブ用の筐体中のＩＣチップといった比較的小さい領域に収容されるデバイスに多数のリードを接続する装置及び方法に関する。

非侵襲的、半侵襲的、及び侵襲的な超音波プローブは、心臓、腹部器官、胎児、及び脈管系といった組織構造を見るために広く使用されてきた。半侵襲的システムは経食道イメージングシステムを含み、一方、侵襲的システムは血管内イメージングシステムを含む。組織の種類及び位置により、様々なシステムが内部生物学的組織に対してよりよいアクセス又は改善された視野を与える。

超音波プローブは、通常は、一般的にはＰＺＴ材料から形成される少なくとも１つのトランスデューサ素子を含み、また、かかる素子の１次元又は２次元アレイを含みうる。一般的に、各素子は、別々のリード及び共通の接地面に接続されねばならない。提案される２次元アレイの多くはかなりの数の素子を有する（例えば比較的小さい５６×５６アレイでも３１３６個の素子を有する）ため、必要とされる接続の数はかなり大きい。駆動回路とかかる素子アレイの間に接続を作ることは難しいことがわかっている。

超音波プローブのより特殊化された種類のうちの１つに、その機械的及び電気的設計に厳しい制限を与える細長い本体上に形成される経食道プローブ（ＴＥＥプローブ）がある。特に、ＴＥＥプローブは、プローブを設計する際に注意されねばならないかなりの空間的な制約条件を有する。これは、素子（従ってアレイ）の寸法に影響を与えるだけでなく、リードをアレイに接続するのに利用可能な体積に影響を与える。公知の１次元アレイは一般的には粗い垂直方向のピッチと細かい水平方向のピッチを有し、多くの提案される２次元アレイはいずれの方向にも細かいピッチを有し水平方向及び垂直方向の測定値が５ｍｍよりも小さい。非侵襲的プローブでは、かかる接続のための適切な空間が形成されるが、ＴＥＥプローブといった侵襲的プローブでは、空間は厳しく制限され、各平方ナノメートルが貴重である。プローブの全体設計によって可能な空間内にかなりの数の別々のリードを設けるＴＥＥプローブを設計することは極めて困難であり、さらに重要なことには、（例えば２Ｄトランスデューサ組立体に必要とされるような）任意のかなりの数のリードをアレイ中の夫々の素子に接続することは困難であることがわかっている。従来の接続は、あまりにも多くの空間を必要とするか、組み立て工程の一部として行うには困難すぎるものであった。

本願発明の発明者は、比較的小さい領域内で多数のリードがデバイスへされねばならないときに多数のリードをデバイスへ接続することを可能とする方法及び装置を発明した。かかる方法及び装置は、ＴＥＥプローブ及び他の超音波プローブとの使用に適している。

本発明についての理解は、添付の図面を共に、本発明の以下の詳細な説明を読むことにより得ることができる。

本発明について以下詳述する。本発明の例は添付の図面に図示されており、全ての図面を通じて同様の参照符号は同様の要素を示す。

本願に示す装置は特に超音波イメージング用に構築されるものとして説明されるが、本願に記載の方法及び装置は他の分野で様々な同様の問題（制限された体積内に多数の接続部）を解決するために使用されうる。本願に示す方法及び装置は、いかなる特定の超音波システム、コンピュータ、又は他の装置に本質的に関連するものではない。本発明によって利益を受けうる装置は、ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ社製のものを含む。

図１は、経食道イメージングプローブ１２を含む超音波システム１０を示す。超音波イメージングシステム１０は、ケーブル１６、ひずみ逃がし部１７、及びコネクタ１８によって電子機器ボックス２０に接続されるプローブハンドル１４を有する経食道プローブ１２（本願では「ＴＥＥプローブ」と称する）を含む。電子機器ボックス２０は、キーボード２２及びビデオディスプレイ２４とインタフェース接続される。電子機器ボックス２０は、一般的には、送信ビーム形成器、受信ビーム形成器、及び画像発生器を含む。ＴＥＥプローブ１２は、細長いセミフレキシブルな本体３６に接続される遠位部３０を有する。細長い部分３６の近端は、プローブハンドル１４の遠端に接続される。プローブ１２の遠位部３０は、硬い領域３２と、細長い本体３６の遠端に接続される柔軟な領域３４とを含む。プローブハンドル１４は、柔軟な領域３４を関節式とし、従って硬い領域３２を関心となる組織に対して方向付ける位置決め制御部１５を含む。細長いセミフレキシブルな本体３６は、食道への挿入のために構築され配置される。ＴＥＥプローブ１２全体は、長さ約１１０ｃｍであり、直径約９ｍｍである。

図２乃至図４は、本発明の望ましい実施例によるフレキシブル回路１００（本願では「フレックス回路１００」とも称する）を示す。図２は、本発明の望ましい実施例によるフレックス回路１００の平面図であり、特にフレックス回路１００を「折り畳まれていない」状態で示す図である。フレックス回路１００は、一般的には小径の同軸ケーブルであるリードを、細長いセミフレキシブルな本体３６（図１参照）からトランスデューサ素子へ接続する役割を果たし、例えば、本発明の譲受人によって所有されここに参照として組み入れられる米国特許第５，２９６，６５１号明細書に教示されるものに従って構成されうる。かかる教示によれば、フレックス回路１００は、接地面（図示せず）を具備してもよいが、必ずしも必要ではない。

フレックス回路１００は、ＩＣチップといった構造への電気接続用のリード１１０ａ−１１０ｎを含む第１の端１１０を有する。概して、数字のみの要素符号は要素の１つの全体又は要素の集合を指し、一方、数字と文字の要素符号は、集合のうちの個々の要素（一般的には個々のリード）を指す。第１の端１１０上のリード１１０ａ−１１０ｎは、望ましくは１１０マイクロメートルのピッチを有するよう離間される。この密度は、要求される接続を物理的に構築するために、望ましくはサーモソニック溶接を用いて、テープ・オートメーテッド・ボンディング（ＴＡＢ）を用いることを可能とする。ＴＡＢボンディングを容易とするため、フレックス回路１００のリード１１０ａ−１１０ｎは、上に突き出るよう即ち片持ち式に形成されてもよい。

第１の端１１０とは反対側で、フレックス回路１００中のリードは３つの分岐、即ち第１の外側分岐１１２、第２の外側分岐１１３、及び中央分岐１１４へ分けられる。図２に示す例は、外側分岐１１２に２０本の信号線１１２ａ−１１２ｔ、外側分岐１１３に２０本の信号線１１３ａ−１１３ｔ、及び中央分岐１１４に４０本の信号線１１４ａ−１１４ｎｎを有する。線の本数は、対称性及び説明を容易とするために、より多いものとして選択されたが、必要に応じて及び／又は設計上の制限に基づいて容易に変更されうる。各分岐１１２、１１３、及び１１４のリードは、複数の小径の同軸ケーブル１１６ａ乃至１１６ｎへの接続を容易とするよう間隔を置いて配置される（説明を容易とするため、以下の説明は一般的にはケーブル１１６といった複数の同軸ケーブルを指すものとする）。図２に示すように、個々の電気リードのピッチの増加は、２つの９０°の曲げを用いて達成される。３つの分岐１１２、１１３、及び１１４のリードは、望ましくは、同軸ケーブル１１６への接続を容易とする２００マイクロメートルのピッチを有する。

このようにして、単一のフレックス回路１００は、図２に示すように少なくとも８０本のケーブル１１６への接続を与えうる。更に、前述の’６５１号特許の教示によれば、フレックス回路１００は接地面を具備してもよい。当業者は、本例のためのフレックスの選択の正確な形態が多数のフレキシブル回路１００の使用を例示するものであることを認識するであろう。２つのフレキシブル回路は、１００ａ及び１００ｂとして示されている。経食道（ＴＥＥ）プローブ３００は、イメージングがそれを通して行われる付属レンズ３４０を有する筐体３３２によって形成される。筐体３３２は、トランスデューサ組立体をレンズ３４０の後ろ側にしっかりと保持する。従来の経食道イメージングプローブの場合のように、プローブは細長いセミフレキシブルな本体（図示しないが、図１を参照して説明されたようなものでありうる）に接続される。細長いセミフレキシブルな本体は、次に、プローブハンドル（図示しないが、図１を参照して説明されたようなものでありうる）に接続される。

トランスデューサ組立体は、第１のランドの組及び第２のランドの組を有するＩＣ３２４に固定される第１のランドの組及び第２のランドの組を有する回路基板３２２を含む。ＩＣ３２４は、ケーブル１１６によって搬送される信号をトランスデューサ素子のマトリックス３２２へ分配する。空間的な制約、ＩＣ３２４の達成可能な接続のピッチ、及び必要とされる接続の数により、接続（ランド）はＩＣ３２４の２つの縁に亘って広がる。回路基板３２２の中及びＩＣ３２４上の第１の組。望ましくは、回路基板３２２は、ＩＣ３２４よりも大きい横領域（横とは、プローブ３００の広がりに沿った方向である）を有する。しかしながら、当業者は、かならずしもそうである必要はなく、実際には回路基板３２２及びＩＣ３２４は（千鳥状の関係で）同じ横領域を有しうること、又はＩＣ３２４がより大きい横領域を有しうることを認識するであろう。

上述のように、ＩＣ３２４は、望ましくはその少なくとも２つの縁に、更に望ましくはその両端に、少なくとも２組のランドを具備する。第１のランドの組は、フレックス回路１００（２）の第１の端１１０（２）上のリード１１０（２）ａ−１１０（２）ｎのピッチに等しいピッチを有し、それへの接続を容易とするようプローブ３００内に位置決めされる。同様に、回路基板３２２は、望ましくはその少なくとも２つの縁に、更に望ましくはその両端に、少なくとも２組のランドを具備する。第１のランドの組は、フレックス回路１００（１）の第１の端１１０（１）上のリード１１０（１）ａ−１１０（１）ｎのピッチに等しいピッチを有し、それへの接続を容易とするようプローブ３００内に位置決めされる。ＩＣ３２４及び回路基板３２２の第２のランドの組のピッチは、接続を形成するのに用いられる技術によって決まる。

例えば、ＩＣ３２４及び回路基板３２２は、ＩＣ３２４上の第２のランドの組と回路基板３２２上の第２のランドの組の間に延びる複数のワイヤ３２６（図５中、そのうちの１本である３２６ａのみが示される）によって電気的に接続されうる。１００マイクロメートルのピッチをサポートするＴＡＢボンディングは、この接続を形成するための１つの望ましい方法である。

当業者は、必要とされるリードの数に依存して回路基板３２２が多数の回路基板で置き換えられ得ることを認識するであろう。各追加的な回路基板は、接続の形成のために必要なランド空間を与えるよう、両方の横端上に更に少し突出しうる。

回路基板３２２及びＩＣ３２４は、トランスデューサ積層体とも称される層の積層体として考えられうるトランスデューサ組立体の一部である。望ましくは熱放散材料からなる第１のブロック３２８はＩＣ３２４の上に配置されてもよく、望ましくは熱放散材料からなる第２のブロック３３６は回路基板３２２の下に配置されてもよい。ブロック３２８及び３３６を形成する材料はまた、当業者によって知られているように所望の音響特性に基づいて選択される。例えば、振動を吸収することが望ましい場合が多いため、当業者は音響的に吸収性のある材料のブロック３２８及び３３６を形成する。

ＩＣ３２４とトランスデューサ素子のマトリックスの間の接続は、本発明の範囲を越えるものである。かかる接続の詳細は、本願の譲受人に譲渡されここに参照として組み入れられる「Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ａｔｔａｃｈｉｎｇ ａｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｏ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ」なる名称の継続中の米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号に見つけることができる。かかる接続の他の方法は、米国特許第５，２６７，２２１号明細書に見つけることができる。従って、本願では最も簡単な説明のみを示す。

接続３３４は、例えば複数のリードを用いてトランスデューサ素子のマトリックス３３２への電気的な接続性を与える。再配線系３３０は、接続３３４のリードをトランスデューサ素子のマトリックス３３２の個々の素子に接続する。再配線層はまた、トランスデューサ素子のマトリックス３３２のための支持及び幾らかの防音を与えるよう構成されうる。接続３３４及び特に再配線系の物理的な構造は、ＩＣをトランスデューサ素子のマトリックスに接続するための様々な公知の構造の内の任意のものでありうる。本願の譲受人に譲渡される「Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ａｔｔａｃｈｉｎｇ ａｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｏ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ」なる名称の継続中の米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号は、ＩＣ３２４のピッチをトランスデューサ素子のマトリックス３３２のピッチと一致させるために再配線層を用いることを含む、かかる接続を形成する方法及び装置を記載する。上述の継続中の特許出願に示されるように、回路基板３２２及びＩＣ３２４は、ブロック３２８によって離されるのではなく、トランスデューサ素子のマトリックス３３２に隣り合って配置されうる。トランスデューサ積層体中の種々のコンポーネントの順序及び配置は、設計及び製品の目標に基づいて変化しうる。現在、トランスデューサの設計の最も重要な目標のうちの１つは熱の管理である。従って、継続中の特許出願に示される形態は、実際に優れた熱の接続性と管理を与えうる。本願では、回路基板３２２及びＩＣ３２４は説明を容易とするためだけにＩＣ３２４から離されて示されている。

図５に示す構造は、実際にはＩＣ３２４上の第１のランドの組の近傍の他のランドの組を与えるよう回路基板３２２を用いることによって、比較的制限された領域中で多数の（＞１００）リードを要素のマトリックス１３０に接続することを可能とする。図５に開示される形態の更なる利点は、ＴＥＥプローブ全体のより効果的な組立体を与えるモジュール化である。図示する形態はまた、効率的な熱放散と音吸収を促進する。

図６及び図７は、ＴＥＥプローブ３００の他のビューを示す図である。図６は、本発明の望ましい実施例による図５に示すＴＥＥプローブ３００の上から下へ見た断面図である。図７は、図６中に示す線Ｂ−Ｂに沿って見た図５のＴＥＥプローブ３００の断面図である。

図８は、図５に示すフレキシブル回路１００（１）及び１００（２）と、やはり図５に示す回路基板３２２及びＩＣ３２４との間の接続を示す図である。回路基板３２２は、ブロック３３６によって支持され、境界の領域を越えて延びるが回路基板３２２でフレックス回路１００（１）の接続を妨害するほどは延びない薄いエポキシボンド３３８を介してＩＣ３２４に接続される。上述のように、フレックス回路１００（１）の第１の端１１０（１）は、回路基板３２２上のランド３４２でＴＡＢボンドを形成することを可能とするよう上に突き出た又は片持ち式のリード１４０を具備する。同様に、フレックス回路１００（２）の端１１０（２）は、ＩＣ３２４上のランド３４６でＴＡＢボンドを形成することを可能とするよう上に突き出た又は片持ち式のリード１４４を具備する。フレックス回路１００（２）が接地面を含む場合、接地面は、更なるワイヤを使用すること又はフレックス回路１００（２）中のワイヤを接地面に専用にすることを含む様々な手段を用いてＩＣ３２４に接続されうる。同様の配置は、フレックス回路１００（１）にそれのための接地面を与えるためになされうる。

図９は、図５に示す回路基板３２２と、やはり図５に示すＩＣ３２４との間の接続を示す図である。ＩＣ３２４に接続されるべき各リードに対して、ワイヤ３２６ｎは回路基板３２２上のランド３４２ｗ及びＩＣ３２４上の対応するランド３４４ｎに（例えばワイヤボンド、超音波ボンド、サーモソニックボンド、又はボールボンドを用いて）ボンディングされる。図９は、単一のワイヤ３２６ａのみを示すが、当業者は、望ましくはフレックス回路１００（１）上の１つのリード当たりに少なくとも１本、例えば８０本である、複数のワイヤが用いられることを認識するであろう。当業者は、例えばフレックス回路又はリボンケーブルを含むワイヤ３２６に対する同等の構造を認識するであろう。更に、フレックス回路が上述のように接地面を具備する場合、回路基板３２２の底部上の更なる電気リードは信号経路をその反対の端にするために与えられうる。このような接地電気リードは、追加的なワイヤ、パススルー等を含む様々な公知の方法で、ＩＣ３２４への接続のために回路基板３２２の上部にすることができる。

本発明の望ましい実施例について図示し説明したが、当業者によれば、請求の範囲にその定義が示される本発明の原理及び趣旨並びにその均等物から逸脱することなくかかる実施例に対して変更がなされうることが認められるであろう。

経食道イメージングプローブを含む超音波システムを示す図である。 本発明の望ましい実施例によるフレキシブル回路を示す平面図である。 図２に示すフレキシブル回路を示す部分拡大図である。 図２のフレキシブル回路を示す断面図である。 本発明の望ましい実施例による経食道イメージングプローブを示す断面図である。 本発明の望ましい実施例による図５に示す経食道イメージングプローブを示す上から下へ見たときの断面図である。 図６に示す線Ｂ−Ｂに沿った図５に示す経食道イメージングプローブを示す断面図である。 図２に示すフレキシブル回路と図５に示す回路基板及びＩＣとの間の接続を示す図である。 図５に示す回路基板とやはり図５に示すＩＣとの間の接続を示す図である。

Claims (13)

1. 夫々第１及び第２の異なる領域上に第１のランドの組及び第２のランドの組を有するＩＣを配線する方法であって：
   回路基板上の電気リードの第２の端を前記第２の領域における前記ＩＣ上の前記第２のランドの組に電気的に接続する段階と；
   第１のフレックス回路を前記第１の領域における前記回路基板上の電気リードの第１の端に接続する段階と；
   第２のフレックス回路を前記第１の領域における前記ＩＣ上の前記第１のランドの組に接続する段階と、
   を有し、
   前記第１のフレックス回路は、前記回路基板上の前記電気リードを介して前記第２の領域における前記ＩＣ上の前記第２のランドの組に対して結合される、
   方法。
2. 前記回路基板を前記ＩＣの表面にボンディングする段階、
   を更に有する請求項１記載の方法。
3. 前記ＩＣをトランスデューサ素子のマトリックスに接続する段階、
   を更に有する請求項１記載の方法。
4. 前記第１のフレックス回路及び前記第２のフレックス回路を複数のワイヤに接続する段階、
   を更に有する請求項１記載の方法。
5. 前記複数のワイヤに接続された前記第１のフレックス回路の端を折り曲げ、前記第１のフレックス回路の前記端及び前記複数のワイヤの近傍にある接続領域の幅を減少させる段階、
   を更に有する請求項４記載の方法。
6. 前記第１のフレックス回路は、前記回路基板上の前記電気リードの前記第１の端に対して結合されるよう、第１の密度のリードを有する第１の端を有し、前記第１のフレックス回路は、分岐へと分けられる第２の端を更に有し、各分岐は、前記第１の密度よりも低い密度のリードを有する、
   請求項４記載の方法。
7. 前記第１のフレックス回路の前記第２の端は、前記複数のワイヤの第１の部分に接続する、
   請求項６記載の方法。
8. 前記第１のフレックス回路の前記第２の端は、第１の外側分岐と、第２の外側分岐と、中央分岐とを有し、
   前記第１の外側分岐及び前記第２の外側分岐を前記中央分岐の上に折り曲げる段階、
   を更に有する請求項７記載の方法。
9. 前記第１のフレックス回路を前記回路基板上の前記電気リードの第１の端に接続する段階は、ＴＡＢボンディングを有する、
   請求項１記載の方法。
10. 前記第２のフレックス回路は、前記ＩＣ上の前記第１のランドの組に結合されるよう第１の密度のリードを有する第１の端を有し、前記第２のフレックス回路は、分岐へと分けられる第２の端を更に有し、
    前記各分岐は、第１の密度より低い密度のリードを有する、
    請求項４記載の方法。
11. 前記第２のフレックス回路の前記第２の端は、第１の外側分岐と、第２の外側分岐と、中央分岐とを有し、
    前記第１の外側分岐及び前記第２の外側分岐を前記中央分岐の上に折り曲げる段階、
    を更に有する請求項１０記載の方法。
12. 前記第２のフレックス回路を前記ＩＣ上の前記第１のランドの組に接続する段階は、ＴＡＢボンディングを有する、
    請求項１記載の方法。
13. 前記ＩＣは、エポキシボンドを使用して前記回路基板にボンディングされる、
    請求項１記載の方法。

Images