JP6829701B2 - 超音波探触子およびそれを用いた超音波計測装置 - Google Patents

超音波探触子およびそれを用いた超音波計測装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波探触子およびそれを用いた超音波計測装置に関する。
静電容量型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers））が形成された半導体チップ（ＣＭＵＴチップ）をプローブ（超音波探触子）に実装する構造として、ＣＭＵＴチップとフレキシブル基板との電気的接続をワイヤボンディングで行う構造のものが知られている。この構造では、半導体チップの表面とワイヤループの頂点との高低差が発生するため、ＣＭＵＴチップ上に配置される音響レンズにおいて、ＣＭＵＴのセル領域に対応するレンズ厚さは、セル領域以外の部分のレンズ厚さより厚くなっている。上記音響レンズでは、ＣＭＵＴのセル領域に対応する部分のレンズ厚さが厚いと、超音波の減衰が大きくなり（特に高周波成分）、音圧の向上化や高周波化の障害となる。
そこで、ＣＭＵＴチップとフレキシブル基板との接続において、ワイヤボンディング方式に代えてフリップチップボンディング方式での電気的接続を検討している。
なお、特開２０１６−１５７２３号公報（特許文献１）には、ＣＭＵＴチップとフレキシブル基板とを突起状の接続用電極で電気的に接続する構造が開示されている。
特開２０１６−１５７２３号公報
ＣＭＵＴチップとフレキシブル基板との電気的接続をフリップチップボンディングで行う場合、ＣＭＵＴチップの主面における電極パッドの設置数は、数百個にも及ぶことがあるため、電極パッドとフレキシブル基板側の接続用導体部とを位置合わせするのは困難である。この場合、ＣＭＵＴチップの電極パッドのパッド径を大きくすることで位置合わせの難易度を低くすることは可能であるが、電極パッドのパッド径を大きくすると、チップサイズが大きくなり、プローブが大型化する。すなわち、プローブの小型化を図ることができない。
また、プローブの構造において、上述のようにＣＭＵＴのセル領域上に配置されるレンズの厚さは薄い方が好ましい。
なお、上記特許文献１では、ＣＭＵＴチップの電極パッドとフレキシブル基板の電極との位置合わせ方法については特に言及されていない。また、ＣＭＵＴチップのチップ厚さについて、ＣＭＵＴのセル領域のチップ厚さやフレキシブル基板との接続部のチップ厚さについても特に言及はされていない。
本発明の目的は、半導体チップとフレキシブル基板とをフリップチップボンディングする際の位置合わせを容易にし、さらに超音波探触子と超音波計測装置における測定精度を高めることができる技術を提供することにある。
本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態における超音波探触子は、超音波トランスデューサが形成され、上記超音波トランスデューサの上部電極または下部電極と電気的に接続された電極パッドを備える半導体チップと、上記電極パッドと電気的に接続される接続用導体部を備え、平面視で上記半導体チップの一部と重なる部分に上記接続用導体部が配置されるフレキシブル基板と、を有する。さらに、超音波探触子における上記電極パッドの上記接続用導体部と接続する接続面の高さは、上記下部電極の下面の高さより低い。
また、一実施の形態における他の超音波探触子は、下部電極と平面視で上記下部電極と重なって配置された空洞部と平面視で上記空洞部と重なって配置された上部電極とを備えた超音波トランスデューサが形成され、かつ上記下部電極または上記上部電極と電気的に接続される電極パッドが形成された半導体チップを有する。さらに、他の超音波探触子は、上記電極パッドと電気的に接続される接続用導体部を備えたフレキシブル基板を有し、上記電極パッドの上記接続用導体部と接続する接続面の高さは、上記下部電極の下面の高さより低い。
また、一実施の形態における超音波計測装置は、超音波トランスデューサが形成されかつ上記超音波トランスデューサの上部電極または下部電極と接続された電極パッドを備える半導体チップと、上記電極パッドと接続される接続用導体部を備えかつ平面視で上記半導体チップの一部と重なる部分に上記接続用導体部が配置されるフレキシブル基板と、が設けられた超音波探触子を有する。さらに、超音波計測装置は、上記超音波探触子の超音波の送受信を制御する制御部を有し、上記半導体チップの上記電極パッドにおける上記フレキシブル基板の上記接続用導体部と接続する接続面の高さは、上記半導体チップの上記下部電極の下面の高さより低い。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
半導体チップとフレキシブル基板とをフリップチップボンディングする際の位置合わせを容易にすることができる。また、超音波探触子および超音波計測装置における測定精度を高めることができる。
本発明の実施の形態の超音波計測装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態の超音波探触子の外観構造の一例を示す部分側面図である。 図２に示す超音波探触子の外観構造の一例を示す平面図である。 図３に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。 図４に示す超音波探触子におけるフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み方法の一例を一部破断して示す斜視図である。 図５に示すフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み後の構造の一例を一部破断して示す斜視図である。 図６に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態のフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み後の構造の一例を示す部分平面図である。 図８に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態の変形例のフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み後の構造を示す部分平面図である。 図１０に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。 本発明者が比較検討を行った比較例の超音波探触子におけるフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み方法を一部破断して示す斜視図である。 図１２に示すフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み後の構造を一部破断して示す斜視図である。 図１３に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。
図１は本発明の実施の形態の超音波計測装置の構成の一例を示す概略図である。
本実施の形態の超音波計測装置は、例えば、プローブである超音波探触子を生体表面に当接し、超音波を放射させて、臓器や血管などから返ってくる反射波（超音波）を検出して画像化する装置である。
図１を用いて超音波探触子１３２を備えた超音波計測装置１３１の構成と各部の機能について説明する。超音波計測装置１３１は、超音波探触子１３２の他、送受分離部１３３、送信部１３４、バイアス部１３５、受信部１３６、整相加算部１３７、画像処理部１３８、表示部１３９、制御部１４０および操作部１４１から構成されている。
なお、超音波探触子１３２は、被検体１２０に接触させて被検体１２０との間で超音波を送受信する装置であり、超音波トランスデューサを用いて形成される。つまり、超音波探触子１３２から超音波が被検体１２０に送信され、被検体１２０からの反射エコー信号が超音波探触子１３２により受信される。また、超音波探触子１３２は、送受分離部１３３と電気的に接続される。
また、送信部１３４およびバイアス部１３５は、超音波探触子１３２に駆動信号を供給する装置であり、受信部１３６は、超音波探触子１３２から出力される反射エコー信号を受信する装置である。さらに、受信部１３６は、受信した反射エコー信号に対してアナログデジタル変換などの処理を行う。
なお、送受分離部１３３は、送信時には送信部１３４から超音波探触子１３２に駆動信号を渡し、受信時には超音波探触子１３２から受信部１３６に受信信号を渡すよう送信と受信とを切り換え、分離するものである。また、整相加算部１３７は、受信された反射エコー信号を整相加算する装置であり、画像処理部１３８は、整相加算された反射エコー信号に基づいて計測画像（例えば、断層像や血流像）を構成する装置である。
さらに、表示部１３９は、画像処理された計測画像を表示する表示装置である。また、制御部１４０は、上述した各構成要素を制御する装置であり、主に、超音波探触子１３２の超音波の送受信を制御する。さらに、操作部１４１は、制御部１４０に指示を与える装置であり、例えば、トラックボールやキーボードやマウスなどの入力機器である。
ここで、本実施の形態では、超音波振動子が、静電容量型超音波トランスデューサ（以降、単にＣＭＵＴ１０２とも言う）の場合について説明する。ＣＭＵＴ１０２は、半導体プロセスを用いて半導体チップ１０１に形成された超音波振動子である。
次に、本実施の形態の超音波計測装置１３１に設けられたプローブである超音波探触子１３２について説明する。図２は本発明の実施の形態の超音波探触子の外観構造の一例を示す部分側面図、図３は図２に示す超音波探触子の外観構造の一例を示す平面図、図４は図３に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。
図２に示す本実施の形態の超音波探触子１３２は、後述する図９に示すＣＭＵＴ１０２が形成され、かつＣＭＵＴ１０２の上部電極１０１ｂまたは下部電極１０１ｃと電気的に接続された電極パッド１０１ａを備える半導体チップ１０１を備えている。さらに、超音波探触子１３２は、電極パッド１０１ａと電気的に接続される接続用導体部を備え、かつ平面視で半導体チップ１０１の一部と重なる部分に上記接続用導体部が配置されるフレキシブル基板１００を有している。なお、フレキシブル基板１００は、フレキシブルプリント基板あるいはフレキシブルプリント配線基板などとも呼ばれる。
また、超音波探触子１３２は、図４に示すように、半導体チップ１０１を支持するバッキング材１０６と、半導体チップ１０１上に配置された音響レンズ１０３と、を有している。
ここで、超音波振動子であるＣＭＵＴ１０２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）静電容量型の超音波トランスデューサであり、ＣＭＵＴ１０２の上部電極１０１ｂと下部電極１０１ｃに電圧が印加されると、上部電極１０１ｂと下部電極１０１ｃの間に静電引力が発生し、空洞部１０１ｉの上部に配置される上部電極１０１ｂを含むメンブレンが振動し、超音波を発生する。一方、上記メンブレンに外部から超音波が加わると、上記メンブレンが変形することによって、上部電極１０１ｂと下部電極１０１ｃの間の静電容量が変化する。
また、フレキシブル基板１００は、可撓性を有した薄膜の基板であり、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミドもしくはポリエチレンテレフタレートなどの材料からなり、その厚さは、例えば、０．１ｍｍ程度である。
また、バッキング材１０６は、半導体チップ１０１を支持する部材であり、ＣＭＵＴ１０２の後部側（超音波発振側と反対側）に設置される。バッキング材１０６は、ＣＭＵＴ１０２の後部側に伝わる超音波を吸収するものであり、これにより、超音波のパルス幅を短くすることができ、画像における距離分解能を向上させることができる。
また、音響レンズ１０３は、半導体チップ１０１に形成されたＣＭＵＴ１０２上に配置されており、超音波の音の焦点を合わせるものである。
そして、音響レンズ１０３、ＣＭＵＴ１０２が形成された半導体チップ１０１、フレキシブル基板１００およびバッキング材１０６などの部材が樹脂製のケース１２２内に収められている。また、フレキシブル基板１００から外部に引き出された複数の配線が、図２に示すケーブル１２１に収められている。超音波探触子１３２をその先端側から眺めると、図３および図４に示すように、ケース１２２の先端側が音響レンズ１０３で覆われた構造となっている。
また、超音波探触子１３２のケース１２２内において、図４に示すように、半導体チップ１０１は、接着フィルム１０５によってバッキング材１０６に固定されている。さらに、音響レンズ１０３は、接着材１０４によってフレキシブル基板１００および半導体チップ１０１に固定されている。また、フレキシブル基板１００と半導体チップ１０１との接続部（フリップチップボンディングの接続部）であるバンプ１００ｂの周囲には、絶縁樹脂１０７が充填されている。
次に、本発明者が検討した比較例について説明する。図１２は本発明者が比較検討を行った比較例の超音波探触子におけるフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み方法を一部破断して示す斜視図、図１３は図１２に示すフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み後の構造を一部破断して示す斜視図、図１４は図１３に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。
図１２〜図１４に示すように、フレキシブル基板１００を半導体チップ２０１と接合する際には、図１３および図１４に示すように、フレキシブル基板１００の開口部１００ａに半導体チップ２０１のＣＭＵＴセル領域２０１ｂが配置されるように、フレキシブル基板１００と半導体チップ２０１とを位置合わせして接合する。
その際、フリップチップボンディングでは、フレキシブル基板１００の複数のバンプ（接続用導体部）１００ｂのそれぞれを半導体チップ２０１の複数の電極パッド２０１ａのそれぞれと位置合わせする必要がある。半導体チップ２０１には、例えば、図１２に示すようにＣＭＵＴセル領域２０１ｂの周囲に、４つの辺で合計２００個程度ほどの電極パッド２０１ａが形成されている。
したがって、半導体チップ２０１の複数の電極パッド２０１ａと、フレキシブル基板１００側の複数のバンプ１００ｂのそれぞれとを位置合わせするのは困難なことが課題である。
また、この場合、半導体チップ２０１の電極パッド２０１ａそれぞれのパッド径を大きくすることで位置合わせの難易度を低くすることは可能であるが、電極パッド２０１ａのパッド径を大きくすると、チップサイズが大きくなる。具体的には、図１４に示す半導体チップ２０１のＭ部（フリップチップボンディング部）の距離が長くなり、半導体チップ２０１の小型化が図れない。
その結果、超音波探触子（プローブ）が大型化する。すなわち、超音波探触子の小型化を図れないことが課題である。
また、超音波探触子の構造において、ＣＭＵＴセル領域２０１ｂ上に配置されるレンズ（図４に示す音響レンズ１０３のＣＭＵＴセル領域１０１ｋ上の部分）の厚さは薄い方が好ましい。これは、音響レンズ１０３は、音を吸収するため、半導体チップ２０１から発振された音が音響レンズ１０３を通過するうちに減衰してしまう。したがって、ＣＭＵＴセル領域２０１ｂ上に配置される音響レンズ１０３は、所望の焦点に超音波の音をフォーカスできる限りにおいて、減衰を少なくするために可能な限り厚さが薄い方が好ましい。
つまり、図１４に示す構造において、フレキシブル基板１００の上面１００ｃと半導体チップ２０１の表面２０１ｃとの高低差（図１４のＬ部の距離）を可能な限り小さくすることが好ましく、これにより、ＣＭＵＴセル領域２０１ｂ上に配置される上記音響レンズ１０３の厚さを可能な限り薄くする。
そこで、本実施の形態の超音波探触子１３２では、フレキシブル基板１００側のバンプ（接続用導体部）１００ｂと半導体チップ１０１の電極パッド１０１ａとの位置合わせを自動で、かつ容易に行うことを可能にするとともに、超音波探触子１３２の小型化を図ることを可能にしている。さらに、厚さが薄い音響レンズ１０３の設置を可能にするものである。
本実施の形態の超音波探触子１３２の特徴について、図４〜図７を用いて説明する。図５は図４に示す超音波探触子におけるフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み方法の一例を一部破断して示す斜視図、図６は図５に示すフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み後の構造の一例を一部破断して示す斜視図、図７は図６に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。
図７に示すように、本実施の形態の半導体チップ１０１では、ＣＭＵＴセル領域１０１ｋがその周囲の段差部１０１ｅの高さより高く凸部１０１ｄとなっている。言い換えると、半導体チップ１０１において、半導体チップ１０１の表面（主面）１０１ｑ側において、ＣＭＵＴセル領域１０１ｋに比べてその周囲の高さが低くなっている。つまり、半導体チップ１０１は、ＣＭＵＴセル領域１０１ｋに比べてその周囲の高さが低い段差部１０１ｅを有している。
そして、半導体チップ１０１のＣＭＵＴセル領域１０１ｋより高さが低い段差部（周縁部）１０１ｅに沿うようにフレキシブル基板１００が延在している（配置されている）。つまり、ＣＭＵＴセル領域１０１ｋより高さが低い段差部１０１ｅにおいて、フレキシブル基板１００と半導体チップ１０１とがフリップチップボンディングされている。その際、フレキシブル基板１００は、半導体チップ１０１の一部（段差部１０１ｅ）で重なって配置されており、このフレキシブル基板１００の半導体チップ１０１の段差部１０１ｅと重なる部分に接続用導体部であるバンプ１００ｂが配置されている。
これにより、本実施の形態の超音波探触子１３２では、後述する図９に示すように、半導体チップ１０１の電極パッド１０１ａのバンプ１００ｂと接続する接続面１０１ａａの高さは、下部電極１０１ｃの下面１０１ｃａの高さより低くなっている。
なお、本実施の形態の超音波探触子１３２において、図５、図６に示すように、フレキシブル基板１００を半導体チップ１０１と接続（フリップチップボンディング）する際には、フレキシブル基板１００の四角形の開口部１００ａに半導体チップ１０１のＣＭＵＴセル領域１０１ｋが形成された凸部１０１ｄが配置されるように接続する。すなわち、フレキシブル基板１００の開口部１００ａを半導体チップ１０１の図７に示す凸部１０１ｄに嵌め込む。この時、フレキシブル基板１００の開口部１００ａの大きさは、半導体チップ１０１の凸部１０１ｄとの間で、平面視で、図７に示す隙間１０８が４０〜５０μｍ程度となるような大きさに形成されている。
これにより、フレキシブル基板１００の開口部１００ａを半導体チップ１０１の凸部１０１ｄに嵌め込むだけで、自動的に、かつ容易にフレキシブル基板１００と半導体チップ１０１との位置合わせを行うことができる。
そして、この位置合わせによりフレキシブル基板１００と半導体チップ１０１とのフリップチップボンディングを行う。すなわち、半導体チップ１０１とフレキシブル基板１００とをバンプ（接続用導体部）１００ｂを介して電気的に接続する。その際、図７に示すように半導体チップ１０１の電極パッド１０１ａ上に予め絶縁樹脂１０７を塗布しておくことで、フリップチップボンディング後にバンプ１００ｂの周囲に絶縁樹脂１０７が配置される。つまり、フレキシブル基板１００と半導体チップ１０１との間の領域の各バンプ１００ｂの周囲に絶縁樹脂１０７が配置され、各フリップチップボンディング部を保護することができる。なお、絶縁樹脂１０７として、予め半導体チップ１０１の電極パッド１０１ａ上にフィルム状の絶縁樹脂１０７を配置しておいてもよい。また、バンプ１００ｂの代わりにＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film）などの異方性導電フィルムを用いて電気接続をしてもよい。この場合、上記ＡＣＦが絶縁樹脂１０７の役割を兼ねるため、絶縁樹脂１０７を塗布する工程を省略できる。
このように本実施の形態の超音波探触子１３２では、半導体チップ１０１の主面（表面１０１ｑ）に、その４つの辺に沿って２００個程度の電極パッド１０１ａが形成されている場合であっても、半導体チップ１０１のフリップチップボンディングにおいて、フレキシブル基板１００の開口部１００ａを半導体チップ１０１の凸部１０１ｄに嵌め込むだけである。これにより、フレキシブル基板１００と半導体チップ１０１との位置合わせを、自動的に、かつ容易に行うことができる。
次に、図８および図９を用いて本実施の形態の超音波探触子１３２における半導体チップ１０１とフレキシブル基板１００の詳細の接続構造について説明する。図８は本発明の実施の形態のフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み後の構造の一例を示す部分平面図、図９は図８に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。
図８に示すように、半導体チップ１０１とフレキシブル基板１００との接続構造において、フレキシブル基板１００の延在する方向は、半導体チップ１０１の主面の４辺のうちの何れか２辺以上のそれぞれの辺に沿った方向である。本実施の形態では、フレキシブル基板１００は、半導体チップ１０１の主面の４辺のそれぞれに沿って延在している。ただし、フレキシブル基板１００は、半導体チップ１０１の主面の４辺のうちの少なくとも２辺それぞれに沿って延在していればよい。
また、フレキシブル基板１００は、その表裏面に開口した開口部１００ａを備えており、図９に示すように、フレキシブル基板１００の開口部１００ａに、半導体チップ１０１のＣＭＵＴ１０２が形成された凸部１０１ｄが配置されている。言い換えると、半導体チップ１０１の凸部１０１ｄに形成されたＣＭＵＴセル領域１０１ｋは、平面視において、その４方向がフレキシブル基板１００によって囲まれている。そして、図４に示すように、凸部１０１ｄのＣＭＵＴセル領域１０１ｋ上には、音響レンズ１０３が配置されている。
なお、半導体チップ１０１の凸部１０１ｄには、図８、図９に示すように、下部電極１０１ｃと、下部電極１０１ｃを覆う第１絶縁膜１０１ｆと、平面視で下部電極１０１ｃと重なって配置された空洞部１０１ｉと、空洞部１０１ｉを覆う第２絶縁膜１０１ｇと、平面視で空洞部１０１ｉと重なって配置された上部電極１０１ｂと、上部電極１０１ｂを覆う第３絶縁膜１０１ｈと、が形成されている。そして、凸部１０１ｄには、下部電極１０１ｃと上部電極１０１ｂと空洞部１０１ｉとをそれぞれに備えた複数のＣＭＵＴ１０２が形成されており、ＣＭＵＴセル領域１０１ｋとなっている。
また、半導体チップ１０１の凸部１０１ｄの外側の領域である段差部１０１ｅには、下部電極１０１ｃまたは上部電極１０１ｂと電気的に接続される複数の電極パッド１０１ａが形成されている。図９には、下部電極１０１ｃと電極パッド１０１ａとが配線１０１ｍを介して電気的に接続された構造が示されている。なお、電極パッド１０１ａは、半導体チップ１０１の表面（主面）１０１ｑの少なくとも１つの辺に沿った段差部（周縁部）１０１ｅに設けられていればよく、図８に示す構造では、電極パッド１０１ａは、半導体チップ１０１の表面（主面）１０１ｑの４辺のうちの対向する２つの長辺に沿って、かつ図９に示す段差部１０１ｅに設けられている。
そして、電極パッド１０１ａのバンプ１００ｂと接続する接続面１０１ａａの高さは、下部電極１０１ｃの下面１０１ｃａの高さより低い位置となっている（図９に示すＨ部）。言い換えると、半導体チップ１０１において、複数の電極パッド１０１ａが形成されたチップ周縁部であるチップ外周の段差部（パッド領域）１０１ｅのチップ厚さが、ＣＭＵＴセル領域１０１ｋが形成された凸部１０１ｄのチップ厚さより薄くなっている。
また、フレキシブル基板１００の上面１００ｃと反対側の下面１００ｄは、半導体チップ１０１の厚さ方向（図９に示すＴ方向）において、半導体チップ１０１における上部電極１０１ｂの上面１０１ｂａと、電極パッド１０１ａの接続面（上面）１０１ａａと、の間に位置している。
さらに、半導体チップ１０１の電極パッド１０１ａの外側の位置には外周絶縁膜１０１ｊが形成されており、外周絶縁膜１０１ｊの表面は、電極パッド１０１ａの接続面１０１ａａと同じ高さ、もしくは電極パッド１０１ａの接続面１０１ａａより低い高さである。図９に示す構造では、外周絶縁膜１０１ｊの表面は、電極パッド１０１ａの接続面１０１ａａより低い高さの場合を図示している。
これにより、フリップチップボンディング時に、バンプ接続不良を引き起こすような障害の発生を低減することができる。例えば、バンプ１００ｂが電極パッド１０１ａに接続する前にフレキシブル基板１００が半導体チップ１０１のエッジ部に接触することなどによる接続不良の発生を抑制することができる。
なお、半導体チップ１０１における凸部１０１ｄ（配線１０１ｍより上部）の高さは、例えば、数μｍ程度である。また、フレキシブル基板１００側の電極パッド１０１ａ上の高さ、すなわち、バンプ１００ｂの高さにフレキシブル基板１００の厚さを加えた高さは、例えば、１０数μｍ〜５０μｍ程度である。したがって、フレキシブル基板１００の上面１００ｃの高さと、半導体チップ１０１の凸部１０１ｄの表面１０１ｑの高さとの差（図７の距離Ｇ）を、フレキシブル基板１００の厚さと比べて遥かに小さくすることができる。
また、図８に示す構造では、半導体チップ１０１の主面の対向する２つの辺（長辺）において、電極パッド１０１ａがそれぞれ複数個配線１０１ｍ（図９参照）によって引き出されて配置されている。その際、引き出し用の配線１０１ｍが多いとチャンネル数が多くなり、超音波のフォーカスを細かくすることができる。
ここで、配線１０１ｍおよび電極パッド１０１ａは、シリコン基板１０１ｎ上に絶縁膜１０１ｐを介して形成されている。
さらに、図８に示す構造のように、半導体チップ１０１の主面の対向する２つの辺において（半導体チップ１０１の主面の両側において）電極パッド１０１ａを引き出して配置することで、配線１０１ｍが両側に配置されることで電圧降下が均等化され、その結果、音質のバランスを良くすることができる。
本実施の形態の超音波探触子１３２によれば、半導体チップ１０１においてその周縁部であるチップ外周の段差部（パッド領域）１０１ｅのチップ厚さを、ＣＭＵＴセル領域１０１ｋが形成された凸部１０１ｄを含むチップ厚さより薄くすることで、段差部１０１ｅにフレキシブル基板１００を延在させて配置することができる。
これにより、フレキシブル基板１００と半導体チップ１０１とをバンプ１００ｂを介してフリップチップボンディングする際に、フレキシブル基板１００の開口部１００ａを半導体チップ１０１の凸部１０１ｄに嵌め込むことで、半導体チップ１０１とフレキシブル基板１００との位置合わせを、自動的に、かつ容易に行うことができる。
また、半導体チップ１０１とフレキシブル基板１００の位置合わせを容易に行うことができるため、複数の電極パッド１０１ａのそれぞれの大きさを小さくすることができ、半導体チップ１０１の周縁部の段差部１０１ｅ（迫り出し部分）を狭隘化することができる。これにより、超音波探触子１３２の小型化を図ることができる。
また、フレキシブル基板１００の上面１００ｃの高さと、半導体チップ１０１の凸部１０１ｄの表面１０１ｑの高さとの差（図７の距離Ｇ）を小さくすることができるため、凸部１０１ｄ上に配置される音響レンズ１０３の一部分を薄くすることができる。
これにより、超音波の音圧を向上させることができるとともに、超音波を高周波化することができる。すなわち、音響レンズ１０３の超音波が通過する部分の厚さを薄くすることができるため、音圧を向上させることができ、取得する反射エコー信号の大きさも増大することができる。その結果、超音波探触子１３２および超音波計測装置１３１において、被検体１２０の小さな病変を早く発見することができる。
また、音響レンズ１０３の超音波が通過する部分の厚さが薄くなると、超音波を高周波化することができ、取得する反射エコー信号の分解能を向上させることができる。これにより、超音波探触子１３２および超音波計測装置１３１における測定精度（検査精度）を高めることができる。
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
図１０は本発明の実施の形態の変形例のフレキシブル基板と半導体チップの嵌め込み後の構造を示す部分平面図、図１１は図１０に示すＡ−Ａ線に沿って切断した構造を示す部分拡大断面図である。
図１０および図１１に示す変形例は、フレキシブル基板１００の開口部１００ａの周囲に複数の貫通孔１００ｅが形成され、かつ半導体チップ１０１の外周絶縁膜１０１ｊに複数の突起部１０１ｊａが形成されている（本変形例では、突起部１０１ｊａの設置数は４箇所であるが、突起部１０１ｊａの設置数は２つ以上であればよい）ものである。そして、半導体チップ１０１の複数の突起部１０１ｊａのそれぞれが、フレキシブル基板１００の複数の貫通孔１００ｅのそれぞれに嵌め込まれている構造となっている。
これにより、半導体チップ１０１をフレキシブル基板１００に対してフリップチップボンディングする際に、半導体チップ１０１の突起部１０１ｊａとフレキシブル基板１００の貫通孔１００ｅとで位置合わせを自動的に、かつ容易に行うことができる。
図１０および図１１に示す構造の場合、半導体チップ１０１において突起部１０１ｊａを形成する領域を必要とする分、実施の形態の図５〜図９に示す構造に比べて超音波探触子１３２を小型化する効果の度合いは減るものの、図１２〜図１４に示す比較例の構造と比べると、各電極パッド１０１ａの大きさを小さくすることが可能なため、超音波探触子１３２の小型化を図ることができる。
なお、図１１に示す半導体チップ１０１の突起部１０１ｊａが嵌め込まれるフレキシブル基板１００の貫通孔１００ｅは、突起部１０１ｊａを嵌め込むことが可能であれば、貫通孔１００ｅに限らず凹部などであってもよい。
以上、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、さらに、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
例えば、上記実施の形態では、図５に示す半導体チップ１０１において、その主面の４辺に沿ってそれぞれ複数の電極パッド１０１ａが形成されている場合を説明した。あるいは、図８に示すように、半導体チップ１０１の主面の対向する２つの辺に沿ってそれぞれ複数の電極パッド１０１ａが形成されている場合を説明した。しかしながら、半導体チップ１０１は、その主面の何れか３つの辺のそれぞれに沿って複数の電極パッド１０１ａが形成されているものであってもよい。
１００ フレキシブル基板
１００ａ 開口部
１００ｂ バンプ（接続用導体部）
１００ｃ 上面
１００ｄ 下面
１００ｅ 貫通孔
１０１ 半導体チップ
１０１ａ 電極パッド
１０１ａａ 接続面（上面）
１０１ｂ 上部電極
１０１ｂａ 上面
１０１ｃ 下部電極
１０１ｃａ 下面
１０１ｄ 凸部
１０１ｅ 段差部
１０１ｆ 第１絶縁膜
１０１ｇ 第２絶縁膜
１０１ｈ 第３絶縁膜
１０１ｉ 空洞部
１０１ｊ 外周絶縁膜
１０１ｊａ 突起部
１０１ｋ ＣＭＵＴセル領域
１０１ｍ 配線
１０１ｎ シリコン基板
１０１ｐ 絶縁膜
１０１ｑ 表面
１０２ ＣＭＵＴ（静電容量型超音波トランスデューサ）
１０３ 音響レンズ
１０４ 接着材
１０５ 接着フィルム
１０６ バッキング材
１０７ 絶縁樹脂
１０８ 隙間
１２０ 被検体
１２１ ケーブル
１２２ ケース
１３１ 超音波計測装置
１３２ 超音波探触子
１３３ 送受分離部
１３４ 送信部
１３５ バイアス部
１３６ 受信部
１３７ 整相加算部
１３８ 画像処理部
１３９ 表示部
１４０ 制御部
１４１ 操作部
２０１ 半導体チップ
２０１ａ 電極パッド
２０１ｂ ＣＭＵＴセル領域
２０１ｃ 表面

Claims (11)

  1. 超音波トランスデューサが形成され、前記超音波トランスデューサの上部電極または下部電極と電気的に接続された電極パッドを備える半導体チップと、
    前記電極パッドと電気的に接続される接続用導体部を備え、平面視で前記半導体チップの一部と重なる部分に前記接続用導体部が配置されるフレキシブル基板と、
    を有し、
    前記電極パッドの前記接続用導体部と接続する接続面の高さは、前記下部電極の下面の高さより低く、
    前記電極パッドの上面は、前記上部電極の上面より低い位置に配置されて段差部となっており、
    前記段差部に沿うように前記フレキシブル基板が延在している、超音波探触子。
  2. 請求項１に記載の超音波探触子において、
    前記フレキシブル基板の前記延在する方向は、前記半導体チップの主面の４辺のうちの何れか２辺以上のそれぞれの辺に沿った方向である、超音波探触子。
  3. 超音波トランスデューサが形成され、前記超音波トランスデューサの上部電極または下部電極と電気的に接続された電極パッドを備える半導体チップと、
    前記電極パッドと電気的に接続される接続用導体部を備え、平面視で前記半導体チップの一部と重なる部分に前記接続用導体部が配置されるフレキシブル基板と、
    を有し、
    前記電極パッドの前記接続用導体部と接続する接続面の高さは、前記下部電極の下面の高さより低く、
    前記フレキシブル基板は、その表裏面に開口した開口部を備えており、
    前記開口部に、前記半導体チップの前記超音波トランスデューサが形成された凸部が配置されている、超音波探触子。
  4. 請求項３に記載の超音波探触子において、
    前記凸部上に音響レンズが配置されている、超音波探触子。
  5. 下部電極と、前記下部電極を覆う第１絶縁膜と、平面視で前記下部電極と重なって配置された空洞部と、前記空洞部を覆う第２絶縁膜と、平面視で前記空洞部と重なって配置された上部電極と、を備えた超音波トランスデューサが形成され、かつ、前記下部電極または前記上部電極と電気的に接続される電極パッドが形成された半導体チップと、
    前記電極パッドと電気的に接続される接続用導体部を備えたフレキシブル基板と、
    を有し、
    前記電極パッドの前記接続用導体部と接続する接続面の高さは、前記下部電極の下面の高さより低く、
    前記フレキシブル基板の下面は、前記半導体チップの厚さ方向において、前記半導体チップにおける前記上部電極の上面と、前記電極パッドの上面と、の間に位置している、超音波探触子。
  6. 下部電極と、前記下部電極を覆う第１絶縁膜と、平面視で前記下部電極と重なって配置された空洞部と、前記空洞部を覆う第２絶縁膜と、平面視で前記空洞部と重なって配置された上部電極と、を備えた超音波トランスデューサが形成され、かつ、前記下部電極または前記上部電極と電気的に接続される電極パッドが形成された半導体チップと、
    前記電極パッドと電気的に接続される接続用導体部を備えたフレキシブル基板と、
    を有し、
    前記電極パッドの前記接続用導体部と接続する接続面の高さは、前記下部電極の下面の高さより低く、
    前記電極パッドは、前記半導体チップの上面の少なくとも１つの辺に沿った周縁部に設けられている、超音波探触子。
  7. 下部電極と、前記下部電極を覆う第１絶縁膜と、平面視で前記下部電極と重なって配置された空洞部と、前記空洞部を覆う第２絶縁膜と、平面視で前記空洞部と重なって配置された上部電極と、を備えた超音波トランスデューサが形成され、かつ、前記下部電極または前記上部電極と電気的に接続される電極パッドが形成された半導体チップと、
    前記電極パッドと電気的に接続される接続用導体部を備えたフレキシブル基板と、
    を有し、
    前記電極パッドの前記接続用導体部と接続する接続面の高さは、前記下部電極の下面の高さより低く、
    前記半導体チップの前記電極パッドの外側に外周絶縁膜が形成されており、
    前記外周絶縁膜の表面は、前記電極パッドの上面と同じ高さ、もしくは前記電極パッドの上面より低い高さである、超音波探触子。
  8. 請求項７に記載の超音波探触子において、
    前記フレキシブル基板に複数の貫通孔が形成され、
    前記外周絶縁膜に複数の突起部が形成され、
    前記複数の突起部のそれぞれが前記複数の貫通孔のそれぞれに嵌め込まれている、超音波探触子。
  9. 超音波トランスデューサが形成されかつ前記超音波トランスデューサの上部電極または下部電極と電気的に接続された電極パッドを備える半導体チップと、前記電極パッドと電気的に接続される接続用導体部を備えかつ平面視で前記半導体チップの一部と重なる部分に前記接続用導体部が配置されるフレキシブル基板と、が設けられた超音波探触子と、
    前記超音波探触子の超音波の送受信を制御する制御部と、
    を有し、
    前記半導体チップの前記電極パッドにおける前記フレキシブル基板の前記接続用導体部と接続する接続面の高さは、前記半導体チップの前記下部電極の下面の高さより低く、
    前記電極パッドの上面は、前記上部電極の上面より低い位置に配置されて段差部となっており、
    前記段差部に沿うように前記フレキシブル基板が延在している、超音波計測装置。
  10. 請求項９に記載の超音波計測装置において、
    前記フレキシブル基板の前記延在する方向は、前記半導体チップの主面の４辺のうちの何れか２辺以上のそれぞれの辺に沿った方向である、超音波計測装置。
  11. 超音波トランスデューサが形成されかつ前記超音波トランスデューサの上部電極または下部電極と電気的に接続された電極パッドを備える半導体チップと、前記電極パッドと電気的に接続される接続用導体部を備えかつ平面視で前記半導体チップの一部と重なる部分に前記接続用導体部が配置されるフレキシブル基板と、が設けられた超音波探触子と、
    前記超音波探触子の超音波の送受信を制御する制御部と、
    を有し、
    前記半導体チップの前記電極パッドにおける前記フレキシブル基板の前記接続用導体部と接続する接続面の高さは、前記半導体チップの前記下部電極の下面の高さより低く、
    前記フレキシブル基板は、その表裏面に開口した開口部を備えており、
    前記開口部に、前記半導体チップの前記超音波トランスデューサが形成された凸部が配置されている、超音波計測装置。
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