JP6266106B2 - 保護された集積回路相互接続を有するロバストな超音波トランスデューサプローブ - Google Patents

Description

本発明は、医療診断超音波システムに関する。特定的には、超音波トランスデューサアレイスタックにおける相互接続の取り付けに関する。

２次元アレイトランスデューサは、３次元で電子的にスキャンするために超音波画像化において使用されている。２次元アレイは、方位（ａｚｉｍｕｔｈ）および高さ方向の両方において多数のトランスデューサの行と列（ｒｏｗｓ ａｎｄ ｃｏｌｕｍｎｓ）を有しており、プローブの多くのエレメントとメインフレームの超音波システムとの間で信号を接続するために大量の心線（ｃａｂｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を要するであろう。プローブケーブルにおける信号線（ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の数量を最小化するための望ましい技術は、マイクロビームフォーマ（ｍｉｃｒｏｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ）ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）におけるプローブの中で少なくともいくつかのビームフォーミング（ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）を行うことである。この技術は、メインフレームの超音波システムに接続されるために、比較的に少ない数量の部分的にビームフォームされた信号を要するだけであり、それにより、ケーブルにおいて必要とされる信号線の数量を低減している。しかしながら、２次元アレイとマイクロビームフォーマＡＳＩＣとの間で大量の信号接続がなされる必要がある。アレイのエレメントそれぞれに対して一つである。これらの接続を行う効率的な方法は、フリップチップ（ｆｌｉｐ−ｃｈｉｐ）相互接続（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を有するようにトランスデューサアレイとＡＳＩＣを設計することであり、これによって、トランスデューサアレイの電極パッドは、ＡＳＩＣの対応する導電性パッドに対して直接的にバンプボンド（ｂｕｍｐ ｂｏｎｄ）される。２次元超音波トランスデューサ設計の一つのタイプにおいては、アレイの全てのトランスデューサエレメントが、導電性バンプ（ｂｕｍｐ）を使用して「フリップチップ」技術を介して、集積回路（ＩＣ）の表面に対して取り付けられ、かつ、個々に電気的に接続されている。このマイクロビームフォーマＩＣは、ビーム形成（ｆｏｒｍｉｎｇ）、信号増幅（ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）等のためといった、エレメントの電気的なコントロールを提供し、かつ、幾千のアレイエレメントを超音波システムのメインフレームビームフォーマに対してインターフェイスする手段を提供する。

超音波トランスデューサの既知のデザインの一つの実施例が図１に示されている。超音波トランスデューサ１０は、音響（ａｃｏｕｓｔｉｃ）エレメントの平坦なアレイ１２を含んでいる。音響エレメントは、フリップチップの導電性バンプ１６を介して集積回路１４の表面に接続されている。フリップチップのアンダーフィル（ｕｎｄｅｒｆｉｌｌ）材料１８が、集積回路１４と音響エレメントの平坦なアレイ１２との間の領域の中に含まれており、フリップチップ導電性バンプ１６を取り囲んでいる。トランスデューサ１０は、さらに、トランスデューサベース２０と相互接続ケーブル２２を含んでいる。相互接続ケーブル２２は、集積回路１４と外部ケーブル（図示なし）を接続する。集積回路１４は、ワイヤボンド（ｗｉｒｅ ｂｏｎｄ）２４といった相互接続を使用して相互接続ケーブル２２に対して電気的に接続されている。

相互接続、ワイヤボンド２４といったものは、集積回路に対して、および、集積回路から、電力と信号を伝送するために使用されるものである。不運にも、相互接続は、トランスデューサのレンズに対して近く、それによって、ダメージ、断続性、及び/又は、切断に対してトランスデューサを敏感なものにしている。これらの問題を低減するために、いくつかのアプローチが使用されてきた。相互接続の上で硬化される接着剤ドロップを使用して集積回路に対してワイヤボンドをステーキング（ｓｔａｋｉｎｇ）することを含むものである。しかしながら、ステーキングは、製造プロセスの複雑性を増してしまう。ステーキングを使用しない他の技術は、音響スタックの上面から相互接続の上に延びるカバー構造体を配置することを含む。問題であるように、カバー構造体は、曲がり、そして、時間を経て弱くなり得るものである。

改善された構造体に対する必要性、および、超音波トランスデューサの製造および使用の最中に信頼性よく相互接続を保護する方法の必要性が存在している。

本発明の原理に従って、保護された相互接続を伴う超音波プローブが提供される。相互接続は、トランスデューサエレメントのアレイとトランスデューサエレメントのための集積回路との間に取り付けられており、接続ポイントの上方に音響スタックのオーバーハング（ｏｖｅｒｈａｎｇ）を用いて、相互接続を保護している。アンダーフィル材料は、相互接続を集積回路に関してしっかりと位置決めしている。これらの特徴は、結果として、よりロバスト（ｒｏｂｕｓｔ）なプローブ構造体を生じている

図１は、従来の超音波センサの斜視図である。 図２は、本発明の原理に従って構築された、一つの音響スタックを示している。 図３は、図２の音響スタックにおける音響エレメントの断面を示している。 図４は、レンズカバーを伴うトランスデューサプローブの中に組み込まれた図２の音響スタックを示している。 図５は、本発明の原理に従って、相互接続をカバーしている一つの音響レイヤを有している一つの音響スタックを示している。 図６は、本発明の原理に従って、ワイヤボンドおよび減算的（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅｌｙ）に作成されたバンプを含んでいる一つの音響スタックを示している。 図７は、本発明の原理に従って、フレキシブル回路および減算的に作成されたバンプを含んでいる一つの音響スタックを示している。 図８は、本発明の原理に従って、トランスデューサアセンブリにおいて保護された相互接続を作成する方法を示している。

本発明の実施は、トランスデューサエレメントのアレイを有している超音波トランスデューサアレイアセンブリを含んでいる。トランスデューサエレメントは、複数のレイヤを含んでいる。レイヤは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）といった、圧電レイヤ、および、圧電レイヤの音響インピーダンス（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）をプローブレンズと画像化されている身体（ｂｏｄｙ）の音響インピーダンスに一致させるマッチングレイヤを含んでいる。金属化レイヤは、圧電レイヤをアセンブリにおいて集積回路に対して電気的に接続するために含まれている。他のレイヤも、また、トランスデューサアレイに対して要求される特性に従って、含まれてよい。集積回路は、トランスデューサエレメントのアレイに対して接続されている。集積回路に係る接続は、フリップチップ技術を使用して実行され得る。もしくは、集積回路とトランスデューサエレメントとの間に必要な電気的接続を提供するあらゆる他の適切な技術が使用される。以下に更に説明されるように、相互接続は、集積回路に接触して配置されており、かつ、集積回路とアレイにおけるトランスデューサエレメントの中のレイヤのうち少なくとも一つのレイヤとの間にしっかりと位置決めされている。集積回路とレイヤとの間のスペースは、相互接続の寸法に応じて調整され得る。例えば、ワイヤボンドが集積回路に対して接続される場合には、追加の空間が使用されてよい。ワイヤボンドは、曲げ高さ（ｂｅｎｄ ｈｅｉｇｈｔ）を含んでおり、集積回路の表面と相互接続ポイントの上方の音響スタックにおけるレイヤとの間の増加された高さに対する必要性を提供することができる。ワイヤボンドと比較して、フレキシブル回路は、より低い高さを有するプロフィールを提供する。そして、従って、集積回路の表面の上に横たえられる場合には、より少ないスペーシング（ｓｐａｃｉｎｇ）を使用するものである。さらに、トランスデューサエレメントと集積回路との間のスペースの中に配置された相互接続を有することは、よりロバストなトランスデューサを提供する。集積回路に対する相互接続の接続が、ダメージ及び/又は切断から保護されるからである。

図２は、本発明の原理に従って構築された、保護された相互接続を伴う一つの音響スタック３０を模式的に示している。音響スタックは、複数のレイヤ３２を含んでいる。金属化レイヤ３２ａ、ＰＺＴといった圧電レイヤ３２ｂ、および、圧電レイヤ３２ｂに対して固着された２つの音響マッチングレイヤ３２ｃと３２ｄ、といったものである。マッチングレイヤは、圧電材料の音響インピーダンスを検査される身体の音響インピーダンスと一致させる。一般的には、それぞれのマッチングレイヤの音響インピーダンスにおける進行性の変化のステップにおけるものである。集積回路４０、背面ブロック（ｂａｃｋｉｎｇ ｂｌｏｃｋ）４２に対して固着されたものは、スタッドバンプ（ｓｔｕｄ ｂｕｍｐ）３４によって金属化レイヤ３２ａに対して接続されている。相互接続３８、フレキシブル回路として示されているものは、集積回路の一つまたはそれ以上の導体に接触しており、かつ、アンダーフィルレイヤ３６を用いてその位置にしっかり保持されている。アンダーフィルレイヤは、エポキシレジンといった、電気絶縁材料を含んでよい。

集積回路と音響スタックとの間の相互接続の構成は、いくつかの利点を提供する。例えば、相互接続（例えば、フレキシブル回路またはワイヤボンド）は、より小さなダメージとより少ない断線がプローブの使用から結果として生じるように、しっかり所定の位置に保持されている。加えて、フレキシブル回路は、アンダーフィル材料によって所定の位置に保持されて、集積回路に対して接続され得る。そして、次に、プローブにおける適切な電気的接続のために必要とされるあらゆる特定の角度で曲げられる。上述の「ステーキング」ソリューションを用いると、フレキシブル回路の曲げは、しばしば、接着剤の移動、そして、従って、相互接続の断線を導いてしまう。本発明は、曲げの最中に相互接続をしっかりと保持することによって、この問題を克服している。加えて、スペース節約も、また、具現化される。相互接続は、集積回路の中心に向かってさらに延び得るものであり、それによって、トランスデューサプローブの横方向の寸法においては、より少ないスペースを占めるからである。より効率的なスペーシングが、また、垂直方向の寸法においても具現化され、それによって、音響スタックの上面とプローブレンズとの間により多くの余裕を残している。

集積回路の上に相互接続をしっかり保持することに加えて、アンダーフィルは、種々の他の機能を提供する。バンプの接続だけではアセンブリの強度として十分でないこともあり得るため、アンダーフィルは、集積回路と音響スタックを一緒に保持するように動作する。いくつかの実施例において、フリップチップのバリエーション（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）は、アンダーフィルが提供し得る接合の良好な密封シールを必要とする。加えて、フリップチップ接続が完成した後で、音響スタックを個々のエレメントに分離するためにダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）プロセスが行われる。分離する切断は、音響レイヤの最後のレイヤより深い必要があるが、ＩＣ（集積回路）に到達するようなあまりに深いものではない。アンダーフィルは、個々の音響エレメントそれぞれを支持している。

図３に示されるように、図２の音響スタック３０は、ダイシング切断によって切り分けられて、個々のトランスデューサエレメント４４ａのアレイ４４を形成する。この実施例においては、８個のエレメントが示されている。アレイ４４は、トランスデューサエレメントの一つの列（ｒｏｗ）を含んでよく（１−Ｄアレイ）、もしくは、トランスデューサエレメントの２次元（２Ｄ）マトリクスを形成するように２つの直交した方向において切り分けられてよい。集積回路４０、ＡＳＩＣ、は、トランスデューサエレメント４４ａに対して送信信号を提供し、かつ、エレメントからの信号を受信して処理する。集積回路４０の上面の上の導電性パッドは、スタッドバンプ３４によってトランスデューサエレメントの底面上の導電性パッドに対して電気的に接続されている。スタッドバンプは、半田または導電性エポキシで形成されてよい。信号は、フレキシブル回路３８に対する接続によって、集積回路へ、および、集積回路から提供される。集積回路４０の下には背面ブロック４２が存在し、トランスデューサスタックの底から発している音響エネルギを減衰し、かつ、集積回路とトランスデューサスタックから離れ及びトランスデューサプローブの患者に接触する端から離れて、集積回路によって生成された熱を伝導する。種々の背面ブロックが使用されてよく、国際公開第２０１２／１２３９０８号において開示されているように、レジン（ｒｅｓｉｎ）で満たされた多孔性フォーム材料を含む背面ブロックを含んでいる。国際公開第２０１２／１２３９０８号は、Ｓｕｄｏｌ氏等の共著であり、ここにおいて、参照として包含されている。図２と図３においては、終端エレメント４４ｈは、この実施例において、音響的に機能しているトランスデューサエレメントではなく、かつ、スタッドバンプにより集積回路に対して接続されていないことがわかる。それは、このダミー終端エレメントが、本発明に係る保護機能を果たすからである。集積回路に対して相互接続３８の取り付けポイントをオーバーハングしており（ｏｖｅｒｈａｎｇｉｎｇ）、かつ、ダミー終端エレメント４４ｈと集積回路との間でアンダーフィル材料を用いて接続を強固にしていることによるものである。

図４は、トランスデューサプローブの中に組み込まれた場合の図３のトランスデューサスタックを示している。プローブにおいては、音響スタック３０におけるマッチングレイヤ３２ｄが、音響レンズ４８に対して接合される。超音波が、画像化の最中にレンズ４８を通じて、患者の身体の中へ伝送され、そして、これらの超音波に応じて受信されたエコー（ｅｃｈｏ）が、レンズ４８を通じてトランスデューサスタックによって受信される。代替的な実施例において、音響レンズ４８は、ウィンドウと置き換えられる。つまり、フォーカス音響パワー（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）の無いエレメントである。ウィンドウは、例えば、ウィンドウ材料ＰＥＢＡＸで作成されてよい。この実施例において、第３のマッチングレイヤ４６（例えば、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）フィルム）は、また、スタックの周りに巻き付けられ、かつ、エポキシ接着剤５２によってプローブハウジング５４に対して接合される際に、トランスデューサスタックを包み込むように機能する。グラウンドプレーン（ｐｌａｎｅ）５０は、第２のマッチングレイヤ３２ｄの上面に接合されており、かつ、第３のマッチングレイヤ４６のフィルムの上で導電性レイヤとして形成されている。グラウンドプレーンは、電気的に導電性のマッチングレイヤを通じてトランスデューサエレメントに対して電気的に接続されており、かつ、フレキシブル回路３８のグラウンド線に接続されている。このタイプの構成の更なる詳細は、米国特許出願公開第２０１０／０１６８５８１号（Ｋｎｏｗｌｅｓ氏、等の共著）において見い出され、ここにおいて参照として包含されている。

本発明に係るトランスデューサアセンブリの別の実施例が、図５に示されている。この実施例においては、音響スタックにおけるレイヤのうちの一つまたは数個だけが、活性音響領域の上方で集積回路に対する相互接続の接続を越えて延びる必要がある。例えば、よりコストが高い所定のレイヤ、圧電レイヤといったものは、活性音響領域までに制限されてよく、それによって、図４において使用されるような、完全なダミーエレメントの材料コストを節約している。図５に示すように、複数のレイヤ３２は、集積回路の上で異なる場所に拡張して配置され得る。ボトムレイヤ３２ａは、例えば、集積回路の端に、または、ほぼ端に在るプレーンまで拡張している。対照的に、他のレイヤ３２ｂ、３２ｃ、および３２ｄは、集積回路の端から内側に離れて引っ込んでいる。いくつかの実施例において、レイヤ３２ａと３２ｂは、集積回路の端までずっと拡張され得る。代替的に、集積回路の一部分は、音響スタックの端が、集積回路の中心に向かって、より内側に配置されるように、音響スタックのレイヤによってカバーされなくてよい。いくつかの実施例において、集積回路の外側端は、複数のレイヤのうち少なくとも一つの外側端とおおよそ同一のプレーンに配置される。

図２から図５における説明図は、相互接続３８としてのフレキシブル回路を示している。他のタイプの相互接続が、代わりに使用され得る。図６は、ワイヤボンド５６を使用する一つの実施例を示している。背面ブロック４２の側面上でフレキシブル回路６０に対して接続されているものである。ここにおいて、ワイヤボンド５６は、集積回路４０の表面上の導電性パッドに対して接続されており、かつ、アンダーフィル材料３６を使用して所定の位置にしっかりと保持されている。

図６と図７は、集積回路４０を音響スタック３２に対して接続するための減算的バンプ（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ ｂｕｍｐ）の使用を説明している。減算的バンプを用いてトランスデューサアセンブリを作成する方法は、例えば、国際公開第２０１２／０８５７２４号において、説明されている。ここにおいて、参照として包含されているものである。減算的プロセスは、バンプ５８の高さを決定し、従って、集積回路と音響スタックとの間のスペーシングを定める。図６と図７に示されるように、集積回路と音響スタックとの間のスペーシングの高さは、特定の相互接続のために調整され得る。例えば、図６におけるワイヤボンド５６は、ワイヤボンド５６を収容することができる高さの使用を必要とする曲率半径を含んでいる。フレキシブル回路３８は、集積回路に対する接着領域の近傍においては曲線を有していない。そのように、集積回路と音響スタックとの間には、より少ないスペースが必要とされている。

図８は、本発明に従って、保護された相互接続を有する超音波トランスデューサアセンブリを作成する方法を説明している。方法７０は、相互接続（または複数の相互接続）を集積回路に対して接続する最初のステップ７２を含んでいる。相互接続は、集積回路の表面上で導電性パッドに接触するように位置決めされ得る。相互接続を所定の位置に保持することを援助するために、少量の接着剤または粘着材料が相互接続に対して適用され得る。さらなるプロセスのために、相互接続を集積回路に対して固定するものである。ステップ７４は、集積回路を相互接続の上方にある音響スタックに対して結合することを含んでいる。このステップは、集積回路を相互接続に対して接続した後で行われ得る。代替的に、音響スタックが集積回路に対して結合された後で、相互接続が、集積回路と音響スタックとの間に挿入されてよい。ステップ７６において、アンダーフィル材料が提供される。アンダーフィル材料が相互接続をカバーし、かつ、相互接続を所定の位置にしっかりと保持して、集積回路との接触を保持するようにである。保護され、かつ、音響スタックと集積回路との間にしっかりと保持された相互接続を用いて、トランスデューサエレメントのアレイを形成するためのダイシング、および、トランスデューサアセンブリを生産するための追加の製造ステップが実行され（ステップ７８）、保護された相互接続の改善されたロバスト性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）を提供している。

Claims (15)

1. 複数のレイヤを含むトランスデューサエレメントのアレイと、
   前記トランスデューサエレメントのアレイに対して構造的に結合された集積回路と、
   前記トランスデューサエレメントのアレイとは反対側の前記集積回路上に配置された背面ブロックと、
   相互接続と、
   を含む、超音波トランスデューサアレイアセンブリであって、
   前記相互接続は、アンダーフィル材料によって固定的に保持されるように配置されており、かつ、前記集積回路と前記複数のレイヤのうち少なくとも一つのレイヤとの間に位置決めされおり、
   前記トランスデューサエレメントのアレイは、さらに、終端エレメントを含み、
   前記終端エレメントは、前記少なくとも一つのレイヤまで延びているか、または、前記少なくとも一つのレイヤの中に形成されており、かつ、前記相互接続をオーバーハングしており、前記終端エレメントは、ダミーエレメントである、
   超音波トランスデューサアレイアセンブリ。
2. 前記相互接続は、フレキシブル回路を含む、
   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. 前記相互接続は、フレキシブル回路に対して接続されたワイヤボンドを含む、
   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. 前記相互接続は、前記集積回路と前記複数のレイヤ全体との間に配置されている、
   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. 前記相互接続は、前記集積回路と前記複数のレイヤのうち一つとの間に配置されている、
   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。
6. 前記集積回路は、スタッドバンプを使用して、前記トランスデューサエレメントのアレイに対して構造的に結合されている、
   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。
7. 前記集積回路は、減算的に作成されたバンプを使用して、前記トランスデューサエレメントのアレイに対して構造的に結合されている、
   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。
8. 前記背面ブロックは、レジンで満たされた多孔性フォーム材料を含む、
   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。
9. 前記集積回路の外側端は、前記複数のレイヤのうち少なくとも一つの外側端とおおよそ同一のプレーンに配置される、
   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。
10. 超音波トランスデューサアレイアセンブリを作成するための方法であって、
    相互接続を集積回路に対して接続するステップと、
    前記集積回路を複数のレイヤを含むトランスデューサエレメントのアレイに対して結合するステップと、を含み、
    前記相互接続は、前記集積回路と前記トランスデューサエレメントのアレイの前記複数のレイヤのうち少なくとも一つのレイヤとの間に配置されており、
    前記トランスデューサエレメントのアレイは、さらに、終端エレメントを含み、
    前記終端エレメントは、前記少なくとも一つのレイヤまで延びているか、または、前記少なくとも一つのレイヤの中に形成されており、かつ、前記相互接続をオーバーハングしており、前記終端エレメントは、ダミーエレメントであり、
    前記方法は、さらに、
    前記相互接続と前記複数のレイヤのうち少なくとも一つとの間にアンダーフィル材料を提供するステップであり、それにより、前記相互接続を前記相互接続と前記複数のレイヤのうち少なくとも一つとの間で固定的に位置決めするステップ、
    を含む、方法。
11. 前記方法は、
    前記複数のレイヤとは反対側の前記集積回路上に配置された背面ブロックを備えるステップ、を含む、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記方法は、さらに、
    前記トランスデューサエレメントのアレイを形成するように、前記複数のレイヤをダイシング切断するステップ、を含む、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記相互接続は、フレキシブル回路を含む、
    請求項１０に記載の方法。
14. 前記相互接続は、フレキシブル回路に対して接続されたワイヤボンドを含む、
    請求項１０に記載の方法。
15. 前記方法は、
    前記集積回路の外側端を、前記複数のレイヤのうち少なくとも一つの外側端とおおよそ同一のプレーンに配置するステップ、を含む、
    請求項１０に記載の方法。

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