JP6063289B2 - 超音波振動子ユニットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探触子に用いられるアレイ振動子を有する超音波振動子ユニットに関し、特にその製造方法に関する。

医療の分野において超音波診断装置が活用されている。超音波診断装置は、生体に対して超音波を送受波し、これにより得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する装置である。生体に対する超音波の送受波は超音波探触子（プローブ）によって実行される。プローブは、圧電素子を含む振動子を備え、振動子を駆動することで超音波が送受される。多数の個振動子から構成されるアレイ振動子を備えたプローブが知られている。このプローブにおいては、それぞれの個振動子を駆動する位相を制御することにより超音波ビームの送受信方向、焦点を変更することができる。また、連続的な送受信方向の変更により、ビームの走査も可能となる。

取得画像の解像度を改善する目的で、また三次元空間の情報を得るなどの目的で、アレイ振動子をより多数の個振動子から構成することが要請されている。個々の個振動子は、送受信回路を含む電子回路に確実に接続される必要があるが、個振動子が多数になると個々の個振動子を確実に電子回路と接続することは難しくなる。下記特許文献１には、基板と、この基板に実装されるベアチップの電気的な接続に関する技術が示されている。基板には複数の接続端子が形成され、一方ベアチップには、基板の接続端子に対応する位置にそれぞれ電極が設けられている。

特開２００３−１３３７１１号公報

接合対象となる二つの部品の対向する面が傾いていると、それらの間隔が均一とならなかったり、接合のための圧力が均等に掛からなかったりする。このため、対向する面にそれぞれ設けられている端子同士の接触が一部において不完全となる場合がある。上記特許文献１の場合であれば、基板とベアチップの対向する面が傾くと、一部の接続端子と電極の距離が広くなり、接続が不完全となる場合がある。

本発明は、接合対象となる二つの部品の対向する面の傾きを防止することを目的とする。

本発明は、アレイ振動子を有する超音波振動子ユニットの製造方法に関連する。まず、電子回路基板と中継基板とが接合される。電子回路基板は、アレイ振動子を構成する個振動子を駆動する送受信回路等の電子回路を備えている。中継基板は、アレイ振動子の個振動子と電子回路基板の電子回路を接続する中継回路を備えている。電子回路基板と中継基板の接合により、電子回路と中継回路の所定の接続が確立される。

次に、電子回路基板の、中継基板が接合された面の反対側の面（以下、電子回路基板背面と記す。）の平面度および平行度を測定する。具体的には、中継基板の、電子回路基板が接合された面の反対側の面（以下、測定基準面と記す。）を基準として、電子回路基板背面の複数点における高さを測定する。

さらに、測定された高さに基づき、電子回路基板背面を切削加工する際の加工量を決定する。加工量は、当該加工量で加工することにより、電子回路基板背面が測定基準面に対して平行な平面となるように決定される。

そして、決定された加工量で電子回路基板背面を切削加工する。この加工によって、電子回路基板背面が測定基準面に対し平行な平面となるようにする。

電子回路基板と中継基板が接合された回路基板に、後に切断されたアレイ振動子となる振動子ブランクを接合する際、回路基板と振動子ブランクに均一な圧力を作用させることができる。

後続の工程は、以下に示すものとできる。回路基板は、電子回路基板背面を下にして加圧機のテーブル上に置かれる。この回路基板の上に、つまり測定基準面に振動子ブランクが載置される。振動子ブランクの上方に加圧ヘッドを当接させ、テーブルと加圧ヘッドの間で、回路基板と振動子ブランクに圧力を加える。電子回路基板背面と、振動子ブランクが載置されている回路基板の面（測定基準面）が平行であることにより、均一に圧力を作用させることができる。

接合された電子回路基板と中継基板を振動子ブランクと接合する際、中継基板の、振動子ブランクが載置される面の傾きを抑制することができる。これにより、中継基板と振動子ブランクの接合面に均一に圧力を作用させることができる。

本実施形態の超音波振動子ユニットの概略構成を示す斜視図である。 本実施形態の超音波振動子ユニットの概略構成を示す断面図である。 電子回路基板と中継基板を接合し、回路基板を形成した状態を示す斜視図である。 回路基板と振動子ブランクを接合した状態を示す斜視図である。 回路基板と振動子ブランクの接合工程の説明図である。 振動子ブランクを切断して、アレイ振動子を形成した状態を示す斜視図である。 電子回路基板と中継基板を接合した状態の一例を示す図である。 電子回路基板と中継基板を接合した状態の他の一例を示す図である。 電子回路基板背面の高さ測定に関する説明図である。 電子回路基板背面を切削した状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の超音波振動子ユニット１０の完成状態を示す斜視図である。超音波振動子ユニット１０は、超音波診断装置のプローブに内蔵され、プローブが接触する生体に対して超音波の送受を行う。図１における超音波の送信方向は上方である。なお、以下の説明において、「上方」や「下面」などの上下の関係を示す語句は、図における上下を示すのに限定したものであり、使用態様等における上下関係を示すものではない。

超音波振動子ユニット１０は、個振動子１２が縦横に配置された二次元のアレイ振動子１４を含む。図示するアレイ振動子１４は、縦横に同数の個振動子１２が配列され、全体として略正方形に構成される。また、図においては、説明のために、個振動子１２の数を５×５配置の２５個としているが、実際のアレイ振動子１４は、格段に多くの、例えば数千個の個振動子１２を備えている。この構成においては、超音波ビームを交差する２方向に走査することができる。２方向の走査によって取り込まれた三次元空間内のデータから、三次元空間を表す三次元超音波画像を形成することができる。このデータから任意の断面における超音波画像を形成することもできる。アレイ振動子は、個振動子１２が一列に直線状に配列された一次元アレイであってもよい。また、縦方向と横方向において異なる個数の個振動子１２を配列した、略長方形のアレイであってもよい。

超音波振動子ユニット１０は、アレイ振動子１４を駆動する電子回路を備えた回路基板１６と、アレイ振動子１４を覆って保護する保護層１８を有する。このユニット１０の場合、回路基板１６は、電子回路が形成された電子回路基板２０と、この電子回路と個振動子１２を接続する配線または回路を有する中継基板２２を有する。中継基板２２は、電子回路上の端子と個振動子１２の接続を切り換える機能を有していてもよい。

個振動子１２は、圧電素子２４を含む振動素子２６と音響整合層２８とを含む。振動素子２６は圧電素子２４のみで構成されてよく、また圧電素子２４と共振層３０を組み合わせて構成されてもよい。共振層３０は、圧電素子２４の背面側、つまり超音波を送受する向きの反対側に配置される。また、共振層３０は、圧電素子２４より音響インピーダンスが高くされており、ハード背面層を形成し、圧電素子２４と共振層３０が一体となって超音波の送波および受波を行っている。圧電素子２４と共振層３０の音響インピーダンスはそれぞれ、例えば３０ＭRayls程度、７０〜１００ＭRaylsである。共振層３０の材料は、カーボンやタングステンの導電性のフィラーを含む樹脂材料である。共振層３０は、圧電素子２４と共振して生体に向けて効率よく超音波を発信するのに役立つ。この場合、圧電素子２４は、使用する周波数の超音波の波長λに対し、おおよそ四分の１（λ／４）の厚さに調整されている。

音響整合層２８は、圧電素子２４から生体へ音響インピーダンスを段階的に減少させ、圧電素子２４と生体を音響的に整合させるための層である。音響整合層２８は、１層のみにより構成されてもよいが、音響インピーダンスを生体に向けてできるだけ滑らかに減少させるために複数の層を有してもよい。図示する例では、第１音響整合層２８Ａ、第２音響整合層２８Ｂの２層から構成されている。

個振動子１２の保護層１８に対向する面には、各個振動子１２に共通のグランド電極３２が接合されている。音響整合層２８は、導電性を有しており、グランド電極３２と振動素子２６を電気的に接続している。音響整合層２８は、導電性を持たせるために、カーボン、炭素、グラファイト材または導電性フィラーが混入された樹脂を用いることができる。この樹脂は、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。一方、個振動子１２の回路基板１６に対向する面には、回路基板１６の表面３６に形成された上面電極パッド３４（図２参照）が接続している。この表面３６は、アレイ振動子１４が接合される面であり、以降振動子接合面３６と記す。振動素子２６が圧電素子２４のみにより構成される態様においては上面電極パッド３４が直接接続される。振動素子２６が共振層３０を含む場合、共振層３０が導電性とされて、圧電素子２４と上面電極パッド３４が電気的に接続される。

図２は、超音波振動子ユニットの断面図である。図２には、個振動子１２と回路基板１６の接続態様、および回路基板１６を構成する電子回路基板２０と中継基板２２の接続態様が示されている。なお、個振動子１２の各層同士を接着する接着剤、個振動子１２の間に充填される目詰め剤、および個振動子１２と中継基板２２を接着する接着剤については、図示を省略している。前述のように、中継基板２２の上面には上面電極パッド３４が形成され、上面電極パッド３４が対応する個振動子１２の下面に接合している。中継基板２２は下面にも下面電極パッド３８を有している。上面および下面電極パッド３４，３８は、貫通ビア４０内の導電材料により接続されている。図２では、中継基板２２内には貫通ビア４０のみが示されているが、上面電極パッド３４と下面電極パッド３８の接続関係を切り換えるための回路が備えられてもよい。

電子回路基板２０にも電極パッド４２が形成されている。この電極パッド４２を前出の上面および下面電極パッド３４，３８と区別するために、基板電極パッド４２と記す。基板電極パッド４２と下面電極パッド３８がはんだリフロー等により接合されて中継基板２２の中継回路と電子回路基板２０の電子回路が接続される。この結果、個振動子１２が電子回路基板２０の電子回路と接続される。電子回路基板２０と中継基板２２の隙間にはアンダーフィル材４４が充填されており、電極パッド３８，４２の接合部の補強と防湿を行っている。

この超音波振動子ユニット１０の製造過程の概略を説明する。

まず、図３に示すように、電子回路基板２０と中継基板２２が接合される。このとき、外部の回路または装置との電気的な接続を行うフレキシブルプリント基板（不図示）を電子回路基板２０または中継基板２２に接合することができる。フレキシブルプリント基板は、例えば、中継基板２２の所定位置に接合され、中継基板２２内の回路を介して電子回路基板２０内の電子回路を外部の回路等に接続する。また、超音波振動子ユニット１０が完成したときに、フレキシブルプリント基板は、その一部の配線が、中継基板２２内の回路および個振動子１２の一部を介してグランド電極３２に接続されるようにしてもよい。

次に、図４のように、中継基板２２の振動子接合面３６に振動子ブランク４６が接合される。振動子ブランク４６は、後に分割されて振動素子２６となる振動素子素材４８と、同様に分割されて音響整合層２８となる音響整合層素材５０を含む。振動素子素材４８は、圧電素子２４となる圧電素子素材５２を含む。また、振動素子２６が圧電素子２４と共振層３０を含む場合には、振動素子素材４８は共振層３０となる共振層素材５４を更に含む。音響整合層素材５０の層数は、音響整合層２８の層数と同じである。各々の素材は層をなし、振動子ブランク４６は多層に構成されている。振動子ブランク４６の各層は、振動子接合面３６上に順次積層されてもよく、または、まず各層同士を積層して一体の振動子ブランク４６を形成した後、これを回路基板１６に接合してもよい。

振動子ブランク４６の各層を構成する素材同士、および回路基板１６と振動子ブランク４６の接合は、粘度が低く非導電性の接着剤を用いて行われる。接着剤は、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いることができる。接着剤を塗布し、各層、または各層と回路基板１６を積層後、加圧加熱して接着剤を硬化させる。加圧加熱により、接着剤の層の厚さを薄くすることができる。

図５は、回路基板１６と振動子ブランク４６を接合する工程を示す図である。回路基板１６は、電子回路基板２０を下にして加圧機５６の加圧テーブル５８上に置かれる。回路基板１６の上を向いた振動子接合面３６上に振動子ブランク４６を載置する。振動子ブランク４６の上面に加圧ヘッド６０を当接させ、加圧する。所定の圧力を掛けた状態で加熱し、所定温度に所定時間維持して接着剤を硬化させる。この接合によって、上面電極パッド３４が、振動子ブランク４６の所定位置に接続される。後述するように振動子ブランク４６を切断して個振動子１２を切り出したとき、上面電極パッド３４のそれぞれが、対応する個振動子１２と接続されたものとなる。

次に、図６に示されるように、振動子ブランク４６を切断して分割し、アレイ状に配置された複数の個振動子１２を形成する。振動子ブランク４６は、ダイシングソーなどの切削工具により縦横に切断される。切断により、振動素子２６と音響整合層２８が積層された個振動子１２が切り出される。個振動子１２は、２次元配列されて振動子アレイを形成する。その後、個振動子１２間の隙間に目詰め剤が充填され、さらにグランド電極３２及び保護層１８が積層されて、図１および図２の状態となる。

電子回路基板２０と中継基板２２を接合したときに、これらが相対的に傾いたり、反りを生じたりすると、後工程の振動子ブランク４６の接合の際に、適正に接合されない可能性がある。電子回路基板２０と中継基板２２をはんだリフローにより接合する場合、一旦２００〜３００℃に加熱される。このとき、接合の範囲において温度分布にむらがあると、はんだの溶け方が不均一になり、図７のように電子回路基板が傾く場合がある。なお、図７において、電子回路基板２０と中継基板２２の配置が図２とは上下逆さまに描かれている。また、加熱後、常温まで冷却する過程で、電子回路基板２０と中継基板２２の熱収縮の差があると、例えば図８のように電子回路基板２０に反りが生じる場合がある。図８においても、電子回路基板２０と中継基板２２の配置は、図２と逆に示されている。傾きと反りが複合して現れることもある。

電子回路基板２０が中継基板２２に対して傾いたり、反ったりすると、振動子ブランク４６との接合時に、圧力が均一に掛からない場合が生じ得る。図５に示したように、回路基板１６は、振動子ブランク４６との接合時に、電子回路基板２０を下にして、加圧テーブル５８上に置かれる。このとき、図７に示すように電子回路基板２０が傾いていると、これにならって振動子接合面３６も傾き、加圧ヘッド４６の力が均一に掛からない。また、図８のように電子回路基板２０が反っている場合には、電子回路基板２０と加圧テーブル５８の一部分が離れた状態となって、この部分に圧力が十分に掛からない。このため、上面電極パッド３４との接続が不完全な個振動子１２が発生する場合がある。

本実施形態においては、回路基板１６と振動子ブランク４６を確実に接合するために、電子回路基板２０と中継基板２２を接合して回路基板１６を形成した後、回路基板１６の表裏の面が平行な平面となるように、電子回路基板２０の表面を切削加工している。以下、この工程について説明する。

図９には、電子回路基板２０と中継基板２２が接合された状態の一例が示されている。この例では、電子回路基板２０は、傾いており、かつ反っている。電子回路基板２０と中継基板２２が接合された回路基板１６は、中継基板２２の、電子回路基板２０と対向する面とは反対側の面を下にして、定盤６２上に置かれている。この状態における、回路基板１６の下面を以降「測定基準面６４」と記す。一方、回路基板１６の上側の面、つまり電子回路基板２０の、中継基板２２と対向する面とは反対側の面を、以降「電子回路基板背面６６」と記す。前述の説明から分かるように、回路基板１６と振動子ブランク４６を接合する際には、回路基板１６は、この電子回路基板背面６６を下にして加圧テーブル５８上に置かれる。

電子回路基板２０と中継基板２２を接合した後、電子回路基板背面６６の平面度、測定基準面に対する平行度を測定する。具体的には、測定基準面６４を下にして回路基板１６を定盤６２上に置き、電子回路基板背面６６の複数点の定盤６２からの高さｈを測定する。測定点は、縦横に並んだ複数の点とすることができる。例えば、縦方向３箇所、横方向３箇所の９点を測定点とすることができる。測定点は更に多くすることも可能である。測定された各測定点の高さについて最大値と最小値の差、つまり最大の高低差ｄを算出する。電気回路基板背面６６の平面度、平行度は、この最大の高低差ｄを用いれば実用上十分である。

算出された高低差ｄまたは高低差ｄに所定の値を加算した値を加工量ｃとし、図１０に示されるように電子回路基板背面６６を切削する。測定点は有限の個数であるので、実際の高さの最大値および最小値の位置を測定していない可能性がある。これを考慮して、前記のように、測定値に基づく高低差ｄに所定値を加えている。切削は、刃幅が大きめのダイシングソーにより行うことができるが、他の平面加工方法を用いることも可能である。ここで、切削加工は、刃物により工作物の表面を削る加工、および砥粒を含む研磨剤により表面を削る加工も含む。

電子回路基板の厚さは、例えば７５０μｍであり、そのうち電子回路が形成されているのは１００μｍ以内である。電子回路は、中継基板２２に対向する側に形成されており、電子回路基板背面６６側を切削しても電子回路に影響はない。

加工後に、再度高さの測定を行い、平面度、平行度の確認を行うことが望ましい。もし、既定された範囲にないときには、再度加工量を決定し、この加工量に基づき加工を行う。平面加工が終了したら、回路基板１６と振動子ブランク４６の接合を行う。このとき、電子回路基板背面６６の反りがなくなっているので、加圧テーブル５８との間に、部分的に隙間が形成されることがない。また、電子回路基板背面６６が、測定基準面６４すなわち振動子接合面３６に対し平行となっている。これらから、加圧機５６によって加圧する際、回路基板６６の上面電極パッド３４のそれぞれが振動子ブランク４６と確実に接続される。

電子回路基板背面６６の反り、傾きが安定しており、高低差の個体差が少ないときには、高低差の測定を行わず、予め定められた加工量により切削を行うようにしてもよい。

１０ 超音波振動子ユニット、１２ 個振動子、１４ アレイ振動子、１６ 回路基板、２０ 電子回路基板、２２ 中継基板、３４ 上面電極パッド、３６ 振動子接合面、４６ 振動子ブランク、５６ 加圧機、５８ 加圧テーブル、６０ 加圧ヘッド、６２ 定盤、６４ 測定基準面、６６ 電子回路基板背面。

Claims (2)

1. アレイ振動子を有する超音波振動子ユニットの製造方法であって、
   電子回路を備えた電子回路基板と、アレイ振動子を構成する複数の個振動子と電子回路基板の電子回路とを接続する中継回路を備えた中継基板とを接合するステップと、
   中継基板の、電子回路基板が接合された面の反対側の面である測定基準面を基準として、電子回路基板の、中継基板が接合された面の反対側の面である電子回路基板背面の複数点における高さを測定するステップと、
   測定された高さに基づき加工量を決定するステップと、
   決定された加工量で電子回路基板背面を切削して、測定基準面に対し平行な平面に加工するステップと、
   を含む超音波振動子ユニットの製造方法。
2. 請求項１に記載の超音波振動子ユニットの製造方法であって、さらに
   平面加工するステップの後、平面加工された面を下にして接合された電子回路基板と中継基板を置き、その上に圧電素子素材の層を有する振動子ブランクを載せて接合するステップと、
   振動子ブランクを切断してアレイ振動子を形成するステップと、
   を含む超音波振動子ユニットの製造方法。

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