JP6672877B2 - 超音波デバイス、超音波プローブ、超音波装置、及び超音波デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
この超音波プローブは、駆動層の支持部材とは反対側(背面側)に配置される封止部材としてのスルーシリコンビア基板を備えており、スルーシリコンビア基板と支持部材とが陽極接合によって接合され、ダイヤフラムの背面側に真空空間が形成されている。
ここで、上述のように、第一接続電極又は第二接続電極に圧接されて、第一接続電極と第二接続電極とを接続するバンプ電極を、接合部とは異なる位置に設ける場合、バンプ電極からの押圧力によって素子基板が歪み、超音波トランスデューサーの性能が低下したり、素子基板が破損したりするおそれがあった。
これに対して、本適用例では、補強板が、素子基板に接合される接合部にて、第一接続電極と第二接続電極とが接続されているため、バンプ電極を設ける場合のように、素子基板に応力が加わることを抑制でき、超音波トランスデューサーの性能低下や、素子基板の破損を抑制できる。
以上により、所望の特性を有する超音波トランスデューサーを含み、高い信頼性を有する超音波デバイスを提供することができる。
本適用例では、超音波トランスデューサーは圧電素子を含む。このような構成では、素子基板の歪みを抑制できるため、素子基板の歪みに応じて、圧電素子の圧電層が歪み、圧電性能が低下することを抑制することができる。したがって、超音波トランスデューサーが圧電素子を含む構成であっても、高い信頼性を有する超音波デバイスを提供することができる。
本適用例では、素子基板は、基板本体部と、基板本体部に形成された開口部を閉塞する振動膜と、を有する。そして、圧電素子は、振動膜の開口部とは反対側の、開口部と重なる位置に設けられている。このような超音波デバイスでは、圧電素子の駆動に応じて振動膜が振動し、開口部から超音波が発信される。また、開口部側から振動膜に向かって伝播する超音波によって振動膜が振動された際に、振動膜の振動を圧電素子によって検出する。
ところで、このような構成では、例えば、開口部の内部に、生体等の測定対象と超音波デバイスと中間の音響インピーダンスを有する音響整合層を形成することにより、測定対象と超音波デバイスの界面での反射を抑え、測定精度の低下を抑制できる。一方で、素子基板の厚み寸法が大きいと、開口部の深さ寸法が大きくなり、音響整合層の厚みが増大することにより、超音波の減衰量が増大して、超音波の送受信性能が低下するおそれがある。しかしながら、上述のように、従来の構成では、素子基板を薄くすると、素子基板の強度が低下し、歪が生じやすくなったり、素子基板が破損しやすくなったりするおそれがあった。
これに対して、本適用例では、素子基板に応力が加わることを抑制できるので、素子基板を薄くして開口部の深さ寸法を小さくしつつ、素子基板の歪みの発生を抑制することができる。したがって、超音波の送受信性能を向上させることができる。
本適用例では、補強板は、上記平面視で素子基板に対して突出する突出部を有し、当該突出部に第二接続電極の一部が設けられている。このような構成では、補強板の、素子基板との接合部から離れた位置(例えば突出部の端部等)まで、第二接続電極を引き出すことができる。したがって、例えば、FPC等の配線材料を用いて、回路基板等に接続する際に、配線位置を素子基板から離すことができ、素子基板の歪みをより確実に抑制することができる。
本適用例では、接合部が、超音波トランスデューサーが設けられた領域を囲むように配置され、当該接合部によって、素子基板が補強板に接合されている。このような構成では、超音波トランスデューサーが設けられた領域の周囲の一部が、補強板に接合されている構成と比べて、補強板に対して素子基板を強固に固定することができ、素子基板の歪みをより確実に抑制できる。
また、上述のように、素子基板の補強板側に圧電素子が形成されている場合では、素子基板と補強板と接合部とによって、圧電素子が形成された空間を封止することができる。したがって、圧電素子が形成された空間に水が浸入することを抑制でき、圧電素子の劣化を抑制できる。
本適用例では、素子基板と補強板とが接着剤で接合されている。このような構成では、素子基板と補強板との接合を容易に行うことができ、製造効率性を向上させることができる。
また、上述のように、第一接続電極と第二接続電極とをバンプ電極によって接続する構成と比べて、素子基板に応力が加わることを抑制でき、超音波トランスデューサーの性能低下や、素子基板の破損を抑制できる。
以上により、所望の特性を有する超音波トランスデューサーを備え、高い信頼性を有する超音波プローブを提供することができる。
また、上述のように、第一接続電極と第二接続電極とをバンプ電極によって接続する構成と比べて、素子基板に応力が加わることを抑制でき、超音波トランスデューサーの性能低下や、素子基板の破損を抑制できる。
以上により、所望の特性を有する超音波トランスデューサーを備え、高い信頼性を有する超音波装置を提供することができる。
また、上述のように、第一接続電極と第二接続電極とをバンプ電極によって接続する構成と比べて、素子基板に応力が加わることを抑制でき、超音波トランスデューサーの性能低下や、素子基板の破損を抑制できる。
以上により、所望の特性を有する超音波トランスデューサーを備え、高い信頼性を有する超音波デバイスを製造することができる。
本適用例では、素子基板形成工程において、基板本体部に形成された振動膜を除去して露出させた露出部に、第一接続電極の一部を形成する。そして、素子基板加工工程において、第一接続電極の一部が形成された露出部と、露出部に沿って形成されていた第一接続電極と、を除去する。このように露出部を除去することにより、長尺の基板から複数の素子基板を同時に形成することができる。
ここで、第一接続電極は、通常、絶縁性を有することが好ましい素子基板や補強板とは異なる材料(例えば金属等の導電性材料)で形成されている。したがって、第一接続電極を選択的に除去でき、容易であるため、生産効率性を向上させることができる。
本適用例では、露出部を第一接続電極が設けられた側とは反対側から除去した後、露出部に沿って形成されていた第一接続電極、すなわち、第一接続電極のうち、素子基板の厚み方向から見た平面視において、露出部と重なる位置に形成されていた部分を除去する。
例えば、エッチングにより露出部を除去する場合、第一接続電極のうちの露出部に沿って形成されていた部分をエッチングストッパー層として用いることができる。したがって、上述のように長尺の基板から複数の素子基板を同時に形成する場合、第一接続電極に対して露出部とは反対側に位置する部材がエッチング材料に触れて劣化することを抑制できる。
本適用例では、素子基板の厚み方向から見た平面視において、素子基板と補強板とが接合された際に、第二接続電極と重なる位置に露出部が形成されている。このような構成では、素子基板加工工程によって、露出部と、露出部に沿って形成された第一接続電極と、を除去することにより、第二接続電極を露出させることができる。
本適用例では、素子基板と補強板とを接着剤で接合し、接着剤を、補強板における、少なくとも第二接続電極を覆う位置に設ける。このような構成では、接合工程において、素子基板と補強板とを接合するとともに、接着剤で第二接続電極を覆うことができる。したがって、接合工程の後に、素子基板加工工程を実施して、露出部に沿って形成されていた第一接続電極を除去する際に、接着剤を第二接続電極の保護膜とすることができ、第二接続電極の劣化を抑制することができる。
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測定装置1(超音波装置)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装置10(制御部)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から対象物(例えば生体等)の内部に超音波を送出し、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。
超音波プローブ2は、筐体21(図1参照)と、筐体21内部に収納された超音波デバイス22と、超音波デバイス22を制御するためのドライバ回路等が設けられた回路基板23と、を備えている。
筐体21は、図1に示すように、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の内部に挿入され、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及び補強板42を音響レンズ44側から見た平面図である。また、図4は、図3におけるA−A線に対応する超音波デバイス22の断面図である。図5は、図3におけるB−B線に対応する超音波デバイス22の断面図である。また、図6は、素子基板41を補強板42側から見た平面図である。また、図7は、補強板42を素子基板41側から見た平面図である。
超音波デバイス22は、図4及び図5に示すように、素子基板41と、補強板42と、音響整合層43と、音響レンズ44と、接合部材47と、を備えている。
素子基板41は、図3乃至図5に示すように、基板本体部411と、基板本体部411の補強板42側に設けられる振動膜412と、振動膜412に積層された圧電素子413と、を備えている。なお、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の中央領域はアレイ領域Ar1となり、このアレイ領域Ar1には、複数の圧電素子413がマトリックス状に配置されている。また、素子基板41は、上記平面視において素子基板41の外周部に位置する接合領域Ar2において、接合部材47によって補強板42と接合されている。
本実施形態では、図4及び図5に示すように、振動膜412は、支持層412Aと、下地層412Bと、を備えている。
支持層412Aは、例えばSiO2により構成され、基板本体部411側に位置し、開口部411Aを閉塞する。基板本体部411をSiにより構成し、支持層412AをSiO2により構成する場合、例えば、基板本体部411を熱酸化処理することで、容易に支持層412Aを形成することが可能となる。
また、下地層412Bは、例えば、ZrO2等の遷移金属酸化物により構成され、支持層412Aの基板本体部411とは反対側に設けられる。支持層412Aの基板本体部411とは反対側に位置する。この下地層412Bは、圧電素子413が積層形成される層である。
また、圧電膜415は、鉛を含まないペロブスカイト構造(ABO3型構造)の複合酸化物を用いることもできる。これによれば、環境への負荷が少ない非鉛系材料を用いて超音波デバイス22を実現できる。
このような非鉛系の圧電材料としては、例えば、鉄酸ビスマス(BFO;BiFeO3)を含むBFO系材料が挙げられる。BFOでは、AサイトにBiが位置し、Bサイトに鉄(Fe)が位置している。BFOに、他の元素が添加されていてもよい。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN;KNaNbO3)に、鉄酸マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、ランタン(La)、バリウム(Ba)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、セリウム(Ce)、サマリウム(Sm)、クロム(Cr)、カリウム(K)、リチウム(Li)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、ユウロビウム(Eu)から選択される少なくとも1種の元素が添加されていてもよい。
また、非鉛系圧電材料の他の例として、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)を含むKNN系材料が挙げられる。KNNに、他の元素が添加されていてもよい。例えば、KNNに、マンガン(Mn)、リチウム(Li)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、ビスマス(Bi)、タンタル(Ta)、アンチモン(Sb)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銀(Ag)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、及びユーロビウム(Eu)から選択される少なくとも1種の元素が添加されていてもよい。
また、下部引出電極414Cは、アレイ領域Ar1から接合領域Ar2まで延出している。
第一下部接続電極417は、素子基板41側に位置する第一層417Aと、第一層417A上に設けられ第二層417Bと、を有する。これらのうち第一層417Aは、例えばNiCr合金等の金属材料で形成される。また、第二層424Bは、例えば、Au等の金属材料で形成される。
なお、第一下部接続電極417の構成は、上述の構成に限らず、一層又は三層以上の金属材料で形成されてもよい。また、第一下部接続電極417の形成材料として、上述の金属材料以外にも、下部電極414及び上部電極416と同様に、導電性を有する各種材料を用いることができる。
共通電極部416Bは、アレイ領域Ar1の+Y側端部及び−Y側端部にそれぞれ設けられている。+Y側の共通電極部416Bは、Y方向に沿って複数設けられた超音波トランスデューサー45のうちの+Y側端部に設けられた超音波トランスデューサー45から+Y側に延出した上部引出電極416E同士を接続する。−Y側端部の共通電極部416Bは、−Y側に延出した上部引出電極416E同士を接続する。よって、アレイ領域Ar1内の各超音波トランスデューサー45では、上部電極416は同電位となる。また、これら一対の上部引出電極416Eは、X方向に沿って設けられ、その端部がアレイ領域Ar1から接合領域Ar2まで延出している。
3に接続されている。
第一上部接続電極418は、図示を省略するが、第一下部接続電極417と同様に、素子基板41側に位置する第一層と、第一層上(−Z側)に設けられ第二層とを有する。なお、第一上部接続電極418は、一層又は三層以上の金属材料で形成されてもよい。また、第一下部接続電極417の形成材料として、上述の金属材料以外にも、下部電極414及び上部電極416と同様に、導電性を有する各種材料を用いることができる。
補強板42は、例えばSi等の半導体基板や、絶縁体基板により構成される板状部材である。この補強板42は、図3に示すように、素子基板41に対向する対向部421と、対向部421から+X方向及び−X方向に延出し、厚み方向から見た平面視において、素子基板41に対して突出している突出部422と、を有し、素子基板41よりも大きい外形寸法を有する。
なお、補強板42の材質や形状は、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、超音波トランスデューサー45にて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。
第二下部接続電極424は、素子基板41に形成された複数の第一下部接続電極417のそれぞれに対して設けられ、素子基板41の外周部と対向する接合領域Ar2において、対応する第一下部接続電極417に当接し、電気的に接続されている。この第二下部接続電極424は、接合領域Ar2から突出部422の端子領域Ar3まで延出し、端子領域Ar3において下部電極パッド424Pを構成する。下部電極パッド424Pは、FPC(Flexible printed circuits)等の配線部材(図示略)によって回路基板23に設けられた端子部231に接続されている。
接合部材47は、図3に示すように、素子基板41の厚み方向から見た平面視において、素子基板41及び補強板42の接合領域Ar2で挟まれた接合部48の少なくとも一部に配置され、素子基板41と補強板42とを接合している。すなわち、接合部48は、第一下部接続電極417、第一上部接続電極418、第二下部接続電極424、及び第二上部接続電極425の一部と、接合部材47との少なくともいずれかが配置され構成され(図3乃至図4等参照))、当該接合部48において、素子基板41と補強板42とが接合されるとともに、第一下部接続電極417と第二下部接続電極424とが接続され、かつ、第一上部接続電極418と第二上部接続電極425とが接続されている。
音響整合層43は、図4乃至図5に示すように、素子基板41の開口部411A側に設けられている。具体的には、音響整合層43は、素子基板41の開口部411A内に充填され、かつ、基板本体部411の+Z側の端面から所定の厚み寸法で形成される。
音響レンズ44は、音響整合層43上に設けられ、図1に示すように、筐体21のセンサー窓21Bから外部に露出する。
これらの音響整合層43や音響レンズ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よく伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率よ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及び音響レンズ44は、素子基板41の超音波トランスデューサー45の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。
回路基板23は、図2に示すように、素子基板41に設けられた下部電極パッド424Pや上部電極パッド425Pと接続される端子部231を有する。また、回路基板23は、超音波デバイス22を駆動させるためのドライバ回路等が設けられている。具体的には、回路基板23は、図2に示すように、選択回路232、送信回路233、受信回路234等を備える。
選択回路232は、制御装置10の制御に基づいて、超音波デバイス22と送信回路233とを接続する送信接続、及び超音波デバイス22と受信回路234とを接続する受信接続を切り替える。
送信回路233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232を介して超音波デバイス22に超音波を発信させる旨の信号を出力する。
受信回路234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232を介して超音波デバイス22から入力された検出信号を制御装置10に出力する。受信回路234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。
制御装置10は、図2に示すように、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。
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233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234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。
次に、上述した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8は、本実施形態の超音波デバイス22の製造における各工程を示すフローチャートである。図9乃至図22は、各工程での超音波デバイス22の概略を示す図である。
超音波デバイス22を製造するためには、図8に示すように、素子基板形成工程S1、補強板形成工程S2、接合工程S3、素子基板加工工程S4、補強板加工工程S5、及び分割工程S6を実施する。すなわち、本実施形態では、Si基板に対して複数の素子基板41を一体的に形成し、同様に、複数の補強板42を一体的に形成し、これらを接合する。その後、一体形成された各素子基板41を素子基板加工工程S4において分割した後、分割工程S6において補強板42を分割して、複数の超音波デバイス22を形成する。
なお、図9乃至図22は、図3に示すA−A線に沿った位置での切断面を示す。また、図14乃至図22に示す仮想線L2は、分割工程S6において補強板42を分割する際の分割位置を示す。
素子基板形成工程S1では、先ず、Siにより構成された基板本体部411に振動膜412を形成する(ステップS11:振動膜形成工程)。ステップS11では、基板本体部411を熱酸化処理して、支持層412AであるSiO2膜を形成する。さらに、SiO2膜上にZrを成膜し、熱酸化処理して、下地層412BであるZrO2層を形成する。これにより、図9に示すように、基板本体部411上に振動膜412が形成される。
その後、下部電極414上に圧電膜415を形成する。圧電膜415は、例えばPZTを溶液法により形成する。例えば、Zr:Ti=52:48の組成比のPZT溶液を振動膜412及び下部電極414上に塗布する塗布処理と、塗布されたPZT溶液を、例えばプレベーグ400℃、RTA焼成700℃の条件にて焼成処理とを複数回実施し、所望厚み寸法の圧電層を得る。そして、形成された圧電層を、エッチング処理(イオンミリング)によりパターニングして、圧電膜415を形成する。この圧電膜415の厚みは例えば1200nmである。
圧電膜415の形成後、下部電極414と同様にして、上部電極416を形成する。すなわち、電極材料を振動膜412上に成膜し、下部電極414の際と同様、レジストパターンを形成してエッチング等によりパターニングする。上部電極416として、例えば、50nmの厚みのIr層を形成する。
以上により、図10に示すように、振動膜412上に、下部電極414、圧電膜415、及び上部電極416からなる圧電素子413が形成される。
ステップS13では、先ず、基板本体部411の−Z側の面の、除去部411B以外の領域にマスクを形成し、除去部411B上に形成された下地層412Bをエッチングにより除去した後、マスクを除去する(図11参照)。その後、同様に、除去部411B以外の領域にマスクを形成し、除去部411B上に形成された支持層412Aをエッチングにより除去した後、マスクを除去する(図12参照)。このようにして、基板本体部411における除去部411Bの表面を露出させる。すなわち、基板本体部411のうち、素子基板41に相当する領域以外の領域において、基板本体部411の表面を露出させる。この除去部411Bは、ステップS13において露出される露出部に相当する。
次に、補強板形成工程S2を実施する。補強板形成工程S2では、第二下部接続電極424及び第二上部接続電極425を形成する。このステップS2では、スパッタリング等により、例えば50nmの厚みのNiCr層(第二下部接続電極424及び第二上部接続電極425の第一層に対応)と、1300nmの厚みのAu層(第二下部接続電極424及び第二上部接続電極425の第二層に対応)とを順次形成する。その後、第二下部接続電極424及び第二上部接続電極425の形成位置上にマスクを形成して、マスク形成領域以外のNiCr層及びAu層を除去した後、マスクを除去する。これにより、図15に示すように、第二下部接続電極424が形成される。この際、第二上部接続電極425(図7参照)も同時に形成される。なお、補強板42を、Si基板を用いて形成する場合、補強板42に熱酸化処理を行い、補強板42の表面にSiO2の酸化被膜を形成してもよい。
次に、接合工程S3を実施する。接合工程S3では、図16に示すように、補強板42に接合部材47を配置する。本実施形態では、接合部材47としてエポキシ系接着剤を用いる。この接合部材47は、第二下部接続電極424及び第二上部接続電極425を覆う位置と、接合領域Ar2(図7参照)とに少なくとも配置される。具体的には、例えば、フィルム上に接合部材47を塗布した後、接合部材47をフィルムから補強板42に転写することにより、補強板42上に接合部材47を配置する。
次に、素子基板加工工程S4を実施する。素子基板加工工程S4では、先ず、図18に示すように、基板本体部411を研磨して、基板本体部411の厚みを、例えば50μmとする。
次に、図19に示すように、素子基板41に開口部411Aを形成するとともに除去部411Bを除去する。具体的には、基板本体部411の振動膜412とは反対側の面における、開口部411Aの形成位置と、除去部411B上以外の位置にマスクを形成する。そして、ウェットエッチングにより、開口部411Aを形成するとともに、除去部411Bを除去する。例えば、除去部411BがSi基板の場合、KOHをエッチング液として用いるウェットエッチングにより、除去部411Bを選択的に除去するその後、マスクを除去する。この際、基板厚み方向から見た平面視において、開口部411Aと重なる位置では、SiO2で構成された支持層412Aが、また、除去部411Bと重なる位置では、金属層419が、エッチングストッパー層として機能する。
また、除去部411Bに沿って形成された支持層412Aを金属層419に置換せずに、SiO2で構成された支持層412Aをエッチングストッパー層として用いる場合、上記エッチング液による劣化を抑制できるものの、支持層412Aを除去するために、例えば支持層412Aをレーザーカットする工程等をさらに実施する必要があり、製造効率性が低下する。これに対して、本実施形態のように支持層412Aを金属層419で置換した場合、金属層419を選択的に除去することができるため、上述の支持層412A(振動膜412)や補強板42の劣化を抑制できる。また、ウェットエッチングによって金属層419の選択的に除去できるため、支持層412Aを金属層419に置換しない場合と比べて製造効率を向上させることができる。
次に、補強板加工工程S5を実施する。補強板加工工程S5では、図21に示すように、第二下部接続電極424及び第二上部接続電極425を覆っている接合部材47を除去する。具体的には、例えば酸素ガスを用いたプラズマアッシングにより、接合部材47を選択的に除去する。このように、素子基板加工工程S4及び補強板加工工程S5により、第二下部接続電極424及び第二上部接続電極425(図3等参照)が露出する。
次に、分割工程S6を実施する。分割工程S6では、図22に示すように、ステルスダイシングにより、補強板42の外周部に対応する分割ラインL2に沿って、補強板42の内部に選択的に改質部SUを形成する。具体的には、レーザー光源からパルスレーザー光線を分割ラインL2に沿って照射し、補強板42の内部に改質部SUを形成する。この改質部SUは、溶融再固化層であり、周辺部よりも強度が低い。
次に、改質部SUが形成された分割ラインL2に沿って補強板42を分割する(図23参照)。
この後、基板本体部411の開口部411A内に音響整合層43を充填し、更に、音響レンズ44を接合して、図4及び図5等に示すような超音波デバイス22が製造される。
本実施形態では、素子基板41側には、超音波トランスデューサー45に接続された第一下部接続電極417及び第一上部接続電極418(以下、第一接続電極417,418とも称する)が設けられ、補強板42側には、回路基板23に接続される第二下部接続電極424及び第二上部接続電極425(以下、第二接続電極424,425とも称する)が設けられている。そして、素子基板41と補強板42との接合部48において、第一下部接続電極417と第二下部接続電極424とが電気的に接続され、第一上部接続電極418と第二上部接続電極425とが電気的に接続されている。
このように構成された超音波デバイス22では、接合部48において素子基板41側から補強板42側に電極を引き出すことができ、補強板42に設けられた第二下部接続電極424の下部電極パッド424P及び第二上部接続電極425の上部電極パッド425Pに配線を実装することができる。したがって、配線を実装することによる応力が補強板42に作用するため、当該応力が素子基板41に作用することを抑制でき、素子基板41の歪みを抑制できる。
これに対して、本実施形態では、接合部48において、第一接続電極417,418と第二接続電極424,425とが接続されているため、バンプ電極を設ける場合のように、素子基板41に応力が加わることを抑制でき、超音波トランスデューサー45の性能低下や、素子基板41の破損を抑制できる。また、本実施形態では、接合部48は、厚み方向から見た平面視において、アレイ領域Ar1以外の領域、より具体的には、素子基板41の外周部であり、開口部411Aが形成されていない厚肉部と重なる位置に形成されている。このため、アレイ領域Ar1等の素子基板41の薄肉部(脆弱部)において、素子基板41及び補強板42間の電気的接続を行う構成と比べて、素子基板41の歪みをより確実に抑制できる。
したがって、本実施形態によれば、所望の特性を有する超音波トランスデューサー45を含み、高い信頼性を有する超音波デバイス22を提供することができる。また、この超音波デバイス22を実装することにより、高い信頼性を有する超音波プローブ2及び超音波測定装置1を提供することができる。
このような構成では、開口部411Aの内部に音響整合層43を形成することにより、測定対象と超音波デバイスの界面での反射を抑え測定精度の低下を抑制している。一方で、素子基板41の厚み寸法が大きいと、開口部411Aの深さ寸法が大きくなり、音響整合層43の厚みが増大することにより、超音波の減衰量が増大して、超音波の送受信性能が低下するおそれがある。
これに対して、本実施形態では、上述のように、配線実装に起因する応力が素子基板41に加わることを抑制できる。したがって、素子基板41を薄くして開口部の深さ寸法を小さくしつつ、素子基板41の歪みを抑制することができ、超音波デバイス22における超音波の送受信性能を向上させることができる。
また、本実施形態では、振動膜412の補強板42側に圧電素子413が形成されている場合では、素子基板41と補強板42と接合部48(接合部材47)とによって、素子基板41と補強板42とによって挟まれた空間(圧電素子413が形成された空間)を封止することができる。したがって、圧電素子413が形成された空間に水が浸入することを抑制でき、圧電素子413の劣化を抑制できる。
この除去部411Bは、基板厚み方向から見た平面視において、少なくとも第二接続電極424,425と重なっている。したがって、除去部411B及び金属層419を除去することにより、第二接続電極424,425を露出させることができる。
また、金属層419は、素子基板41の基板本体部411や振動膜412や、補強板42とは異なる金属材料で形成されている。したがって、金属層419を選択的に除去でき、容易であるため、生産効率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、上記実施形態では、補強板42は、基板厚み方向から見た平面視において、素子基板41よりも大きい外形寸法を有するとしたが、これに限定されず、素子基板41と同一の外形形状であってもよいし、素子基板41よりも小さくてもよい。
また、この場合、上記実施形態のように、補強板42の突出部422に第二接続電極424,425を引き出す代わりに、例えば、補強板42の接合領域に貫通電極を設け、第二接続電極と貫通電極とが電気的に接続する構成を採用してもよい。
また、上記実施形態では、接合部48の一部に接合部材47(例えばエポキシ系接着剤)を用い、素子基板41と補強板42とを接合していたが、これに限定されず、素子基板41と補強板42との間にプラズマ重合膜を形成し、これら素子基板41及び補強板42を接合してもよい。
また、接合工程(ステップS3)を実施した後に、素子基板加工工程(ステップS4)と、補強板加工工程(ステップS5)とを実施して、複数の超音波デバイス22を同時に形成する製造方法を例示したが、長尺の基板から1つの超音波デバイス22に対応する素子基板41と補強板42とをそれぞれ形成し、接合工程S3と同様の方法で、素子基板41と補強板42とを接合してもよい。この場合でも、接合部48において、第一接続電極417,418と、第二接続電極424,425と、を接続することにより、素子基板41の歪みを抑制することができる。
により、素子基板41と補強板42とを接合していたが、これに限定されず、第二接続電極424,425の一部のみを覆うように、接合部材47を設けてもよいし、厚み方向から見た平面視において、第二接続電極424,425上以外の位置(例えば、第二接続電極424,425の周囲)に接合部材47を形成してもよい。
例えば、基板本体部411の背面側に形成された振動膜412上で、かつ、開口部411Aの底面に圧電素子413が設けられる構成としてもよい。
また、基板本体部411の背面とは反対側に振動膜412が形成され、振動膜412の基板本体部411(開口部411A)とは反対側に圧電素子413が設けられ、振動膜412から基板本体部411とは反対側に超音波を送信する構成などとしてもよい。
また、基板本体部411の背面とは反対側に形成された振動膜412上で、かつ、開口部411Aの底面に圧電素子413が設けられる構成としてもよい。
Claims (11)
- 超音波トランスデューサー及び前記超音波トランスデューサーに接続される第一接続電極を含む素子基板と、
前記素子基板に接合され前記素子基板を補強する補強板と、
前記補強板に設けられた第二接続電極と、を備え、
前記第一接続電極と前記第二接続電極とが、前記素子基板と前記補強板との接合部において接続され、
前記接合部は、前記素子基板の前記超音波トランスデューサーが設けられた領域を囲む
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1に記載の超音波デバイスにおいて、
前記超音波トランスデューサーは、圧電素子を含む
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項2に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子基板は、開口部が形成された基板本体部、及び前記開口部を塞ぐように前記基板本体部に設けられた振動膜を有し、
前記圧電素子は、前記素子基板の厚み方向から見て、前記振動膜の前記開口部とは反対側の面の、前記開口部と重なる位置に設けられている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記補強板は、前記素子基板の厚み方向から見て、前記素子基板から突出する突出部を有し、
前記第二接続電極の一部は、前記突出部に設けられている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子基板と前記補強板とは、接着剤で接合されている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 超音波トランスデューサー及び前記超音波トランスデューサーに接続される第一接続電極を含む素子基板と、
前記素子基板に接合され前記素子基板を補強する補強板と、
前記補強板に設けられた第二接続電極と、を備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスが収納される筐体と、を備え、
前記第一接続電極と前記第二接続電極とが、前記素子基板と前記補強板との接合部において接続され、
前記接合部は、前記素子基板の前記超音波トランスデューサーが設けられた領域を囲む
ことを特徴とする超音波プローブ。 - 超音波トランスデューサー及び前記超音波トランスデューサーに接続される第一接続電極を含む素子基板と、
前記素子基板に接合され前記素子基板を補強する補強板と、
前記補強板に設けられた第二接続電極と、を備える超音波デバイスと、
前記超音波デバイスを制御する制御部と、を備え、
前記第一接続電極と前記第二接続電極とが、前記素子基板と前記補強板との接合部において接続され、
前記接合部は、前記素子基板の前記超音波トランスデューサーが設けられた領域を囲む
ことを特徴とする超音波装置。 - 超音波トランスデューサー及び前記超音波トランスデューサーに接続される第一接続電極を含む素子基板を形成する素子基板形成工程と、
前記素子基板を補強する補強板を形成する補強板形成工程と、
前記素子基板と前記補強板とを接合する接合工程と、
前記素子基板を加工する素子基板加工工程と、を備え、
前記素子基板形成工程は、
基板本体部に振動膜を形成する工程と、
前記超音波トランスデューサーを形成する工程と、
少なくとも前記素子基板と前記補強板との接合部に前記第一接続電極を形成する工程と、を備え、
前記第一接続電極を形成する工程は、前記振動膜の一部を除去して前記基板本体部を露出させ、少なくとも前記基板本体部が露出された露出部に沿って前記第一接続電極を形成し、
前記素子基板加工工程は、前記露出部と、前記露出部に沿って形成されていた前記第一接続電極と、を除去し、
前記補強板形成工程は、
少なくとも前記接合部に第二接続電極を形成する工程を備え、
前記接合工程は、前記接合部において前記第一接続電極と前記第二接続電極とを当接させつつ前記素子基板と前記補強板とを接合する
ことを特徴とする超音波デバイスの製造方法。 - 請求項8に記載の超音波デバイスの製造方法において、
前記素子基板加工工程は、前記露出部を前記第一接続電極とは反対側から除去した後、前記露出部に沿って形成されていた前記第一接続電極を除去する
ことを特徴とする超音波デバイスの製造方法。 - 請求項8又は請求項9に記載の超音波デバイスの製造方法において、
前記第一接続電極を形成する工程は、前記素子基板と前記補強板とが接合された際に、前記素子基板の厚み方向から見た平面視において、前記基板本体部の前記第二接続電極と重なる位置に前記露出部を形成する
ことを特徴とする超音波デバイスの製造方法。 - 請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の超音波デバイスの製造方法において、
前記接合工程は、前記素子基板と前記補強板とを接着剤で接合し、前記補強板における、少なくとも前記第二接続電極を覆う位置に前記接着剤を設ける
ことを特徴とする超音波デバイスの製造方法。
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