JP7227318B2

JP7227318B2 - Ｉｃダイ、プローブ、及び超音波システム

Info

Publication number: JP7227318B2
Application number: JP2021122857A
Authority: JP
Inventors: スドル，ヴォイテク
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2036-08-19
Also published as: US11161146B2; US20220048071A1; EP3344401A1; CN108136440A; JP2021176565A; US20180264519A1; JP2018527083A; CN108136440B; JP6949829B2; EP3344401B1; WO2017036827A1

Description

本発明は、複数の回路要素を画成する基板と、該基板上の複数のＣＭＵＴ（capacitive micromachined ultrasound transducer；容量性マイクロマシン（微細加工）超音波トランスデューサ）セルとを有するＩＣダイに関する。

本発明は更に、そのようなＩＣダイを含むプローブに関する。

本発明はより更には、そのようなプローブを含む超音波システムに関する。

例えば超音波トランスデューサチップといった、超音波センシング能力を含むＩＣダイが、例えば超音波カテーテルなどの超音波プローブのセンシング先端としてますます使用されるようになっている。例えば、前方視型又は側方視型の超音波プローブを提供するため、超音波センシング能力は、例えば、超音波トランスデューサチップの主表面内の複数のトランスデューサ素子によって提供され得る。トランスデューサ素子を実装するための一般的な技術は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）又はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの材料で形成される圧電トランスデューサ素子、及び容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）素子を含む。このようなＣＭＵＴ素子に基づく超音波トランスデューサチップは、ＣＭＵＴデバイスとして参照されることがある。

ＣＭＵＴデバイスは優れた帯域幅及び音響インピーダンス特性を提供することができ、そのことがＣＭＵＴデバイスを例えば圧電トランスデューサよりも好ましいものにするので、ＣＭＵＴデバイスは、ますます好まれるものになっている。圧力を印加する（例えば、超音波を用いて）ことによって、ＣＭＵＴメンブレン（膜）の振動をトリガーすることができ、あるいは、電気的にＣＭＵＴメンブレンの振動を誘起することができる。例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの集積回路（ＩＣ）によることが多いＣＭＵＴデバイスへの電気接続が、デバイスの送信モード及び受信モードの双方を支援する。受信モードでは、メンブレン位置の変化が電気容量の変化を引き起こし、それを電子的に検知することができる。送信モードでは、電気信号を与えることでメンブレンの振動が発生する。圧力がメンブレンの振れ（デフレクション）を生じさせ、それがキャパシタンスの変化として電子的に検知される。そして、圧力読み取りを導出することができる。

小型化は、超音波プローブを開発するときの際立った難題である。特に、そのようなプローブが、例えば、心臓検査及び手術といった先端的な診断目的で使用される場合、そのようなプローブは、関心身体部分にプローブが入ることを可能にするために可能な限り小さくなければならない。同時に、超音波プローブは、例えばカテーテルの先端として使用されるとき、制御された方法でプローブを関心身体部分内に案内することを可能にするために、剛性であるべきである。これらの要件は、重要な信号処理能力をプローブに含めるという要望と折り合いを付けることが困難である。

具体的には、超音波トランスデューサセルに制御信号を提供するとともに応答信号を処理するために、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などのＩＣダイといった能動コンポーネントをプローブ先端に含めるとともに、例えば、特にはＡＳＩＣであるコンポーネントの電力消費挙動によって生じ得る供給電圧の変動（例えば、電源バウンス）から様々な回路を保護するデカップリングキャパシタなどの、受動コンポーネントをプローブ先端に含めることが望ましいことがある。例えばディスクリートのキャパシタ又は抵抗器といった、そのような受動コンポーネントは、典型的に、プリント回路基板又はインターポーザ上にマウントされる。そのような構成の一例を図１に模式的に示す。図１は、ＣＭＵＴセルを有するＩＣダイ１が上にマウントされた本体（ボディ）２００を有する前方視型超音波プローブ１００（ここでは、カテーテル）を示している。本体２００は、超音波プローブ１００のフレキシブルな先端を画成し得る。本体２００の環状部２０２がＩＣダイ１を収容し、本体２００の円弧部２０４が、例えばボンドワイヤといった相互接続２４０によって本体２００の導電トラックに導通結合される基板コンタクト３１０を有したＰＣＢ３００の一部を収容する。導電トラックは典型的に、ＰＣＢコンタクト３１０との相互接続を形成するための導電コンタクト表面として作用する部分を有する。

ＰＣＢ３００は典型的に、本体２００とは反対側のセクションで、例えば同軸ケーブルといった導電ワイヤ４１０に接続され、導電ワイヤ４１０は、例えば、ＰＣＢ３００を外部データプロセッサ及び／又は制御ユニット（図示せず）に接続し得る。例えば同軸ケーブルといった導電ワイヤ４１０は、超音波プローブ１００の先端がマウントされる例えばファイバ又はそれに類するものといった主本体（メインボディ）４００に収容され得る。ＰＣＢ３００は、例えば先述の受動コンポーネント及び例えばマイクロビームフォーマなどの何らかの信号処理回路といった、回路３２０を有し得る。超音波プローブ１００の先端は、超音波プローブ１００の内部使用中に例えば（腐食性の）体液といった外部環境への曝露に対してＰＣＢ３００及び当該先端の導電部を保護するために、例えば好適な樹脂といった電気絶縁性の保護材料に覆われ得る。この構成は、比較的かさばるものである。

本発明は、より小型の超音波トランスデューサプローブを容易にする集積回路ダイを提供しようとするものである。

本発明は更に、そのような集積回路ダイを有するプローブを提供しようとするものである。

本発明は更に、そのようなプローブを含む超音波システムを提供しようとするものである。

一態様によれば、集積回路ダイが提供され、当該集積回路ダイは、複数の回路要素を画成する基板と、上記基板上のセンサ領域であり、複数の超音波トランスデューサセルを画成するレイヤスタックを有するセンサ領域と、センサ領域に隣接した、上記基板上のインターポーザ領域であり、当該インターポーザ領域は、上記回路要素及び超音波トランスデューサセルへの導電接続を含む更なるレイヤスタックを有し、該導電接続は、当該インターポーザ領域の上面上の複数の導電コンタクト領域に接続されており、該導電コンタクト領域は、当該集積回路ダイを接続ケーブルに接触させるための外部コンタクトと、上記上面上に受動コンポーネントをマウントするためのマウントパッドとを含む、インターポーザ領域と、を有する。

本発明は、例えばＡＳＩＣなどのＩＣダイは、当該ＩＣダイの上部領域を、例えばＣＭＵＴセル又は圧電トランスデューサ素子といった超音波トランスデューサセルを有するセンサ領域と、当該ＩＣダイへの相互接続、並びに当該ＩＣダイ上の例えば抵抗器及びデカップリングキャパシタなどの受動コンポーネントをマウントするためのマウントパッドを提供するインターポーザ領域とに分割することによって、インターポーザ機能を含むように拡張され得るという洞察に基づいている。斯くして、別個のインターポーザの必要性が回避されるので、特にコンパクトな構成が提供される。

集積回路ダイは更に、センサ領域及びインターポーザ領域がメタライゼーションスタックの頂部に形成されるようにして、基板とセンサ領域及びインターポーザ領域との間のメタライゼーションスタックを有し得る。

上記上面上のマウントパッドに、少なくとも１つの受動コンポーネントがマウントされ得る。該少なくとも１つの受動コンポーネントは、デカップリングキャパシタ又はバイパスキャパシタを有することができ、これは、デカップリングキャパシタ又はバイパスキャパシタが、ＩＣダイの回路コンポーネントの近傍に位置し、それにより、寄生抵抗及び寄生キャパシタンスが最小化されるという利点を有する。

一実施形態において、インターポーザ領域は、センサ領域に対してリセス（凹所）化される。小さくされた厚さでインターポーザ領域を設けることは、インターポーザ領域の上面から、基板内の回路要素への、又はこれらの回路要素の頂部上のメタライゼーションスタックへの、導通路のアスペクト比を低下させ、それにより、これらの導通路の信頼性及び／又は品質を向上させ得る。

外部コンタクトは、コンパクトなやり方でコンタクト密度を高めるために、センサ領域とインターポーザ領域との間の境界とは反対側の上記上面のエッジに沿った第１の外部コンタクト領域と、第１の外部コンタクト領域と上記境界との間の第２の外部コンタクト領域とを有し得る。第１の外部コンタクト領域は、集積回路ダイを接地するための少なくとも１つの外部コンタクトを有することができ、第２の外部コンタクト領域は、集積回路ダイを外部ケーブルに接触させるための外部コンタクトのアレイを有し得る。

一実施形態において、第２の外部コンタクト領域は、集積回路ダイを外部ケーブルに接触させるための外部コンタクトの更なるアレイを有することができ、該更なるアレイは、第１のアレイと上記境界との間に位置付けられる。斯くして、例えば、異なる層をＩＣダイの異なる外部コンタクトアレイに接続して、ＩＣダイを、複数の接続ワイヤ層を有する接続ケーブルと接触させることによって、多数のコンタクトがＩＣダイとともに形成されることができ、故に、特にコンパクトな接続スキームが提供される。

一実施形態において、外部コンタクトは、アレイ状の外部コンタクトを有し、上記上面は更に、アレイ状の外部コンタクトと上記境界との間のアレイ状のアライメント部材を有し、アレイ状の外部コンタクトの各外部コンタクトが、アレイ状のアライメント部材内の一対の隣接するアライメント部材の間に位置付けられる。これは、アライメント部材によって接続ワイヤが外部コンタクト上に案内され得るので、接続ワイヤを有する接続ケーブルにＩＣダイを接続することを容易にする。この目的のため、アライメント部材は好ましくは、上記上面から延在する突起であり、これら突起は好ましくは、例えば、ＣＭＵＴ超音波トランスデューサセルの場合にメンブレンの少なくとも一部を形成するために使用される誘電材料といった、電気絶縁材料から作製される。

コンタクト領域は、当該コンタクト領域を腐食から保護するため、及び、外部コンタクトへの接続ケーブルのボンディング及び／又はマウントパッドへの受動コンポーネントのボンディングを改善するために、金及びニッケルのうちの少なくとも一方でめっきされ得る。

他の一態様によれば、少なくとも１つの受動コンポーネントがマウントパッド上にマウントされた、以上の実施形態の何れかの集積回路ダイと、外部コンタクトに取り付けられた接続ケーブルと、を有するプローブが提供される。このようなプローブは、特にコンパクトであり、故に、このような超音波プローブの小さいフォームファクタが要求される用途ドメインでの使用に理想的に適している。

集積回路ダイ、及び接続ケーブルへの集積回路ダイの接続を、不意のダメージから保護するため、集積回路ダイ、及び外部コンタクトに取り付けられた接続ケーブルの少なくとも一部が、樹脂封止内に封入され得る。

センサ領域によって生成され又は受信される超音波が通り抜けなければならない樹脂の量を減らし、それにより、プローブの感度を向上させるため、樹脂封止は、センサ領域の上に凹部を有し得る。

更なる他の一態様によれば、以上の実施形態のうちの何れかのプローブと、該プローブに接続ケーブルによって接続された制御インタフェースと、を有する超音波システムが提供される。当該超音波システムは、超音波診断撮像システム又は超音波治療システムとし得る。

添付の図面を参照して、本発明の実施形態を例として更に詳細に説明する。
従来技術のカテーテルプローブ構成を模式的に示している。一実施形態に従ったＣＭＵＴＩＣダイの上面図を模式的に示している。図２のＣＭＵＴＩＣダイの一断面を模式的に示している。図２のＣＭＵＴＩＣダイの別の一断面を模式的に示している。他の一実施形態に従ったＣＭＵＴＩＣダイの上面図を模式的に示している。図５のＣＭＵＴＩＣダイの一部と同軸ケーブルとの間の接続を模式的に示している。一実施形態に従ったＣＭＵＴＩＣダイと同軸ケーブルとの間の接続の上面図を模式的に示している。他の一実施形態に従ったＣＭＵＴＩＣダイと同軸ケーブルとの間の接続の上面図を模式的に示している。一実施形態に従った超音波プローブを模式的に示している。一実施形態例に従った超音波システムを模式的に示している。

理解されるべきことには、図面は、単に模式的なものであり、縮尺を揃えて描かれてはいない。これまた理解されるべきことには、同じ又は同様の部分を指し示すために、図面全体を通して同じ参照符号が使用されている。

図２は、一実施形態に従った例えばＡＳＩＣなどのＩＣダイ１の上面図を模式的に示しており、図３は、図２の直線Ａ－Ａ’に沿った断面を模式的に示している。ＩＣダイ１は、ダイ１のＣＭＵＴ領域１０内の、各々がメンブレン径Ｄを持った、ここではＣＭＵＴセルである複数の超音波トランスデューサセル１００と、ＣＭＵＴ領域１０に隣接した、一体化されたインターポーザ領域６０とを有しており、インターポーザ領域６０は、ＩＣダイ１を同軸ケーブルに接続するための複数の外部コンタクト６１と、例えば抵抗器及びデカップリングキャパシタ若しくはバイパスキャパシタなどのディスクリートコンポーネントが上にマウントされ得る複数のマウントパッド６５とを有している。しかしながら、理解されるべきことには、例えば圧電トランスデューサ素子といった好適な如何なるタイプの超音波トランスデューサセル１００が、ＣＭＵＴセルの代わりに配備されてもよいが、本明細書の残りの部分での簡潔さのために、単に非限定的な例としてＣＭＵＴセル１００を参照することとする。

外部コンタクト６１は、ＣＭＵＴセル１００の、及び、例えばＣＭＵＴセル１００に提供される又はそれから受信される信号を生成及び／又は処理するための信号処理回路など、ＩＣダイ１に含まれるその他の回路の、それぞれの電極へのコンタクトを含み得る。外部コンタクト６１は更に電源端子を含むことができ、電源端子は、例えば電源におけるスパイクからＩＣダイ１の内部を保護するために、例えば、ＩＣダイ１に供給される電力が、ＩＣダイ１の内部に供給される前に、マウントパッド６５にマウントされた受動コンポーネントを通ってルーティングされるように、マウントパッド６５に導通結合され得る。一実施形態において、外部コンタクト６１は更に、例えばＩＣダイ１が曝される周囲温度の監視を容易にするために、インターポーザ領域６０内のサーミスタ（図示せず）に外部装置を接触させるためのサーミスタコンタクトを有する。

ＣＭＵＴセル１００は、例えば、ＩＣダイ１のメタライゼーションスタック（これは、ＩＣダイ１の基板内に形成された能動コンポーネント又は回路の間の相互接続を提供する）の頂部上に搭載され得る。一実施形態において、メタライゼーションスタックは更に、外部コンタクト６１及びランディングパッドへの相互接続を提供し、これは例えば、メタライゼーションスタックの上の様々な（電気絶縁）層（ＣＭＵＴ領域１０及び一体化されたインターポーザ領域６０とメタライゼーションスタックとの間に存在し得るパッシベーション層スタックを含む）を貫いて、メタライゼーションスタックから外部コンタクト６１及びマウントパッドへと延在するビアを設けることによって提供される。

外部コンタクト６１及びマウントパッド６５は典型的に、例えば、銅、アルミニウム、又は銅／アルミニウム合金などの金属といった、導電材料で作製される。当業者には直ちに、他の好適な導電材料も明らかになる。例えば金属又は金属合金といったこの導電材料は、好ましくは、外部コンタクト６１及びマウントパッド６５を設けることを容易にするためにプロセスが大掛かりな再設計を必要としないよう、例えばＣＭＯＳといった既存の半導体製造プロセスにてインテグレーションされている材料である。

一実施形態において、外部コンタクト６１及びマウントパッド６５は、それらを腐食から保護するため、及び／又は接続ワイヤ又は受動コンポーネントがコンタクト上にはんだ付けされるはんだプロセスの適性を改善するために、めっきされ得る。外部コンタクト６１及びマウントパッド６５は、例えば電気めっき又は無電解めっきなどの好適な如何なるめっき技術を用いてめっきされてもよい。一実施形態において、めっきはニッケルめっきである。他の一実施形態において、めっきは、コンタクト上のニッケルバリア層と、ニッケルバリア層上の金層とを有し、例えば、ＥＮＩＧめっき技術によって形成される。金層は、パラジウム層によってニッケルバリア層から離隔されてもよい。このようなレイヤ（層）スタックは、例えばＥＮＥＰＩＧめっき技術によって形成され得る。当業者には直ちに、他の好適なめっき構成も明らかになる。めっきの厚さは、接続ケーブルを外部コンタクト６１に接続するのに使用される接続技術に従って選択され得る。例えば、そのような接続ケーブルが外部コンタクト６１にはんだ付けされる場合、めっきの全体厚さは１μｍよりも小さくすることができ、そのような接続ケーブルが外部コンタクト６１に溶接される場合、めっきの全体厚さは１μｍを超え得る。

一実施形態例において、図２の直線Ａ－Ａ’に沿った断面を模式的に描いたものである図３に示すように、各ＣＭＵＴセル１００は、キャビティ（空洞）１３０によって第２の電極１２０から離隔された第１の電極１１０を有する。第２の電極１２０は典型的に、一体化されたインターポーザ領域６０の上まで延在し得るものである１つ以上の電気絶縁層又は誘電体層の電気絶縁層又は誘電体層からなるメンブレン１４０に埋め込まれる。一部の設計において、第２の電極１２０を含んだメンブレン１４０の第１の電極１１０側への変形を受けての第１の電極１１０と第２の電極１２０との間の短絡を防止するために、第２の電極１２０は、メンブレン１４０に埋め込まれ、すなわち、比較的薄い誘電体層部分１４２と比較的厚い誘電体層部分１４４との間に挟み込まれ得る。

メンブレン１４０は、好適な否かる厚さを有していてもよい。一部のＣＭＵＴ設計は、１－２ミクロン程度の層厚さのメンブレン１４０を有し、この層厚さは、例えばプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）などの一般的な製造方法で処理されることができるものである。しかしながら、ＣＭＵＴセル１００が低周波数で動作することが要求される場合には、メンブレン径Ｄが１００ミクロンを超えることを要することがあり、特に、ＣＭＵＴセル１００が上に形成される基板３０が平坦化層及び／又は封入層を有するとき、メンブレン１４０の厚さが３ミクロンよりも大きくなることをもたらし得る。このような追加の層は、誘電体層スタックの全体厚さに、もう２－３ミクロンを追加し得る。

理解されるべきことには、これは、ＣＭＵＴセル１００の単なる一実施形態例である。ＣＭＵＴセル１００の設計は、本発明には特に関連がなく、好適な如何なるセル設計も企図することができ、例えば、下部電極１１０とキャビティ１３０との間に中間電極が置かれた３電極ＣＭＵＴセル１００も等しく実現可能である。そのような３電極ＣＭＵＴセルは、例えば、メンブレンがＣＭＵＴセルの底にくっついてしまうリスクを低減するために、別の電極を通じて刺激及びバイアス電圧を提供するよう企図される。

図４は、どちらの領域もＩＣダイ１の基板３０の頂部上に形成された、ＣＭＵＴセル１１を有するセンサ領域１０と、センサ領域１０に隣接するインターポーザ領域６０とを含んだ、ＩＣダイ１の全幅の断面を模式的に描いている。基板３０は、例えばシリコン基板、シリコン・オン・インシュレータ基板、シリコンゲルマニウム基板などの、好適な如何なるタイプの基板ともし得る。基板３０は、基板３０内の回路要素間の相互接続を提供するメタライゼーションスタック（図示せず）を担持することができ、センサ領域１０及びインターポーザ領域６０は、領域１０、６０とメタライゼーションスタックとの間に配置されるパッシベーション層（スタック）又は同様のものによって、メタライゼーションスタックから離隔される。

センサ領域１０及びインターポーザ領域６０は、典型的に同時に形成され、すなわち、センサ領域１０内にＣＭＵＴセル１１を形成するために堆積される様々な層が、それ自体は当業者には周知であるように、これらの層の適切なパターニングによってインターポーザ領域６０を形成するように基板３０の上に延在し得る。例えば、オプションでバリア層を備える金属層が、例えばスパッタリングによってなどの好適な手法にて、基板３０（又はメタライゼーションスタック）上に形成され、その後、センサ領域１０内のオプションでバリア層によって覆われた下部電極１１０を形成するとともに、インターポーザ領域６０内の相互接続構造を形成するように、それらの層がエッチングされる（例えば、ドライエッチングされる）。

下部電極１１０及び相互接続構造の上に、例えば、ＰＥＣＶＤなどの堆積プロセスによって、誘電体層が形成され得る。誘電体層に適した材料は、以下に限られないが、好ましくはＴＥＯＳ堆積プロセスによって形成されるＳｉＯ_２、酸化物－窒化物－酸化物（ＯＮＯ）、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体、及び例えば酸化アルミニウムなどの酸化物を含み、様々なグレードは、シラン、ＳｉＨ_４ベースのＰＥＣＶＤＳｉＯ_２などを含む。ＴＥＯＳのＰＥＣＶＤ堆積プロセスによって形成されるＳｉＯ_２が特に好ましい。

得られた構造の上に犠牲材料が堆積され、続いて、形成すべきキャビティ１３０の輪郭を画成するようにパターニングされ、その後、オプション工程にて、得られた構造の上に、例えばＰＥＣＶＤなどの堆積によって更なる誘電体層が形成され得る。好適な犠牲材料は、以下に限られないが、金属や、金属合金や、金属層をキャッピング層とともに含むレイヤスタックや、アモルファスシリコンなどを含む。例えばＡｌ／Ｎｄ及びＡｌ／Ｍｏなどのアルミニウム合金が特に適している。上記更なる誘電体層に適した材料は、以下に限られないが、好ましくはＴＥＯＳ堆積プロセスによって形成されるＳｉＯ_２、酸化物－窒化物－酸化物（ＯＮＯ）、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体、及び例えば酸化アルミニウムなどの酸化物を含み、様々なグレードは、シラン、ＳｉＨ_４ベースのＰＥＣＶＤＳｉＯ_２などを含む。ＴＥＯＳのＰＥＣＶＤ堆積プロセスによって形成されるＳｉＯ_２が特に好ましい。相互接続構造への導通接続を提供するため、例えばビアなどのトレンチが、インターポーザ領域６０内の誘電体層を貫いて形成され、導電材料で充填され得る。

続いて、オプションの更なるバリア層及び更なる金属層が、例えばスパッタリングによってなどの好適な手法で形成又は堆積され、その後、センサ領域１０内のオプションで更なるバリア層によって下地構造から離隔された上部電極１２０を形成するように、それらの層がパターニングされ（例えば、（ドライ）エッチングされ）、それと共に、パターニングされた上記更なる金属層が、インターポーザ領域６０内の更なる相互接続構造を形成する。この更なる相互接続構造は、先述のトレンチ又はビアによって、上記相互接続構造に接続され得る。

次に、上部電極１２０及び下地構造の上に、例えば好適な堆積技術によって、例えば、窒化シリコン又はその他の好適材料などの１つ以上の高絶縁破壊材料で形成されるメンブレンといった、可撓性メンブレン１４４が形成される。この、高絶縁破壊材料の層は、インターポーザ領域６０内の（更なる）相互接続構造の電気絶縁を提供するよう、インターポーザ領域６０の上まで延在し得る。それ自体は知られているように、可撓性メンブレン１４４を貫いてベントホール又は割れ目（図示せず）が形成され、それを通じて犠牲材料が除去され、それによりキャビティ１３０が形成され、その後、ベントホール又は割れ目が、何らかの好適な手法で封止される。例えば、この封止プロセスは、ＰＥＣＶＤ堆積又はスパッタリングを使用して真空条件下で実行されることができ、例えばＳｉＮ、ＴＥＯＳ、酸化物－窒化物－酸化物材料スタック、金属などといった封止材料が、ベントホールの中に堆積されてそれを封止する。当業者には直ちに理解されることになるように、キャビティ１３０内の圧力と外部圧力との間の圧力差が、空中の可撓性メンブレン１４４の形状を決定することになる。上記更なる相互接続構造への導通接続を提供するため、更なるトレンチ又はビアが、インターポーザ領域６０内の高絶縁破壊材料を貫いて形成され、導電材料で充填され得る。

一実施形態において、これら更なるトレンチ又はビアのアスペクト比を下げるために、更なるトレンチ又はビアを形成するのに先立って、インターポーザ領域６０内の誘電体層スタックの厚さを減少させるべく、インターポーザ領域６０内の高絶縁破壊材料層の一部が除去され得る。これは、導電材料によるトレンチ又はビアの部分的のみの充填（これは、トレンチ又はビアのアスペクト比が高くなりすぎる場合に、すなわち、幅よりも遥かに大きい高さを持つトレンチ又はビアの場合に、問題となり得るものである）を避けるためである。

次いで、ＩＣダイ１が、接続ケーブルへの接続に関して、及びマウントパッド６５上に１つ又は複数の受動コンポーネントを受け入れることに関して適したものであることを支援するように、インターポーザ領域６０の上面に、何らかの好適堆積技術を用いて、電気コンタクト６１及びマウントパッド６５が形成される。電気コンタクト６１及びマウントパッド６５は典型的に、上記更なるトレンチ又はビアに接続される。

この時点で言及しておくことには、上述のプロセスは、当業者には直ちに明らかになるように、このような製造プロセスの数多くの直接的な選択肢のうちの１つである。本発明の実施形態に従ったＩＣダイ１を製造することには、それらの選択肢の何れが用いられてもよい。

図２には、センサ領域１０とインターポーザ領域６０との間の境界とは反対側のインターポーザ領域６０のエッジに沿って、単一の行又はアレイをなす外部コンタクト６１が示されている。このような単一アレイの外部コンタクト６１は例えば、ＩＣダイ１に例えば８チャネルといった比較的少ない数の（信号）チャネルのみが組み込まれる場合に適切であり得る。図５は、複数の行又はアレイをなす外部コンタクト６１を有するＩＣダイ１の上面図を模式的に描いており、上記境界とは反対側のインターポーザ領域６０のエッジに沿った外部コンタクト６１の第１のアレイと、該第１のアレイと上記境界との間の外部コンタクト６１の第２のアレイとを含んでいる。これは例えば、例えば１２０チャネルに至るような、より多数の信号チャネルのＩＣダイ１への接続を容易にする。図５においては、１つ以上のマウントパッド６５上に、例えばデカップリングキャパシタ若しくはバイパスキャパシタ、抵抗器、又はこれらに類するものなどのディスクリート受動コンポーネント３２０がマウントされている。

このような相互接続は、例えば、複数のワイヤ層を設け、異なる層を外部コンタクト６１の異なるアレイに接続して、同軸ケーブルを有し得るケーブル構成を用いて提供され得る。これを、図６に模式的に示す。図６は、ケーブル４１０の第１のワイヤ４１３層のワイヤ４１３の導電性の内側コア４１１に接続された外部コンタクト６１の第１のアレイと、ケーブル４１０の第２のワイヤ４１３’層のワイヤ４１３’の導電性の内側コア４１１’に接続された外部コンタクト６１’の第２のアレイと、を含んだインターポーザ領域６０の一部の斜視図を描いている。第２のワイヤ４１３’層は、第２のワイヤ４１３’層が外部コンタクト６１の第１のアレイの上に延在しうるように、第１のワイヤ４１３層の頂部上に配置されることができ、故に、例えば同軸ケーブルといった接続ケーブル４１０とＩＣダイ１との相互接続の積層構成を提供し得る。一実施形態において、ワイヤ４１３、４１３’の一部は同軸ワイヤであり、ワイヤ４１３、４１３’の一部は単線ワイヤ、すなわち、コア４１１のみを有するワイヤである。

ＩＣダイ１は更に、インターポーザ領域６０内に、ＩＣダイ１をグランドに（例えば、同軸ケーブルの外側導電シースに）接続するためのグランドパッド６２を有し得る。グランドパッド６２は、インターポーザ領域６０と接続ケーブル４１０との間の上述の積層接続構成を支援するよう、例えば、インターポーザ領域６０とセンサ領域１０との間の境界とは反対側のインターポーザ領域６０のエッジ付近で、インターポーザ領域６０の周辺に配置され得る。グランドパッド６２は、グランドパッド６２と上記境界との間に外部コンタクト６１が位置するように配置され得る。

図７は、外部コンタクト６１のアレイと、ストリップラインを有する接続ケーブル４１０とを含むインターポーザ領域６０の上面図を模式的に描いている。ストリップラインは典型的に、導電性の内側コア４１１を露出させるように剥かれ、それぞれの内側コア４１１がそれぞれの外部コンタクト６１に接続される。内側コア４１１は、例えばはんだ付け又は溶接によってなどの好適な手法で、外部コンタクト６１に接続され得る。適したはんだ付け技術は、電気めっき、熱浸漬又は液滴付着による外部コンタクト６１上へのはんだの付与を含み、内側コア４１１のその後のはんだ付けは、ホットバー又はレーザリフローはんだ付けによって形成される。なお、同様の接続技術によって、マウントパッド６５にディスクリート受動コンポーネント３２０がマウントされ得る。

他の一実施形態において、接続ケーブル４１０は、例えばエポキシ接着といった低温接続技術によって、外部コンタクト６１に電気的に接続される。これは、インターポーザ領域６０の様々な材料（例えば、金属若しくは金属合金のコンタクト６１、６５、及び電気絶縁材料）の熱膨張係数の不一致に起因する温度誘起応力の蓄積のリスクが回避され、それにより、昇温下での接続プロセス中のダイ故障のリスクが低減されるという利点を有する。

一実施形態において、外部コンタクト６１のアレイはグランド端子を含み得る。例えば、外部コンタクト６１のアレイは、信号端子とグランド端子との交互のパターンを提供することができ、すなわち、１つおきの外部コンタクトをグランド端子とすることができ、それにより、別個のグランドパッド６２の必要性がなくなる。

図８は、他の一実施形態に従ったＩＣダイ１のインターポーザ領域６０の一部の上面図を模式的に描いており、外部コンタクト６１のアレイは、外部コンタクト６１のアレイと、インターポーザ領域６０とセンサ領域１０との間の境界との間のアライメント部材６３のアレイに伴われている。アライメント部材６３は、外部コンタクト６１のアレイの各外部コンタクト６１が、アライメント部材６３のアレイ内の一対の隣接するアライメント部材６３間に位置付けられる又はアライメントされるように位置付けられる。これは、ストリップラインを含む接続ケーブル４１０にＩＣダイ１を接続するときに特に有利であり、ストリップラインの露出された内側コア４１１が、そのような内側コア４１１を外部コンタクト６１のうちの１つとアライメントするために、隣接するアライメント部材６３間を案内され得る。アライメント部材６３は好ましくは、インターポーザ領域６０の上面から延在する突起である。このようなアライメント部材６３は例えば、インターポーザ領域６０の上での追加の誘電体層の堆積及びその後のパターニングなどにより、例えば上部可撓性メンブレン層（例えば、窒化シリコン又は酸化シリコンの層）といった上部電気絶縁層をパターニングすることによって形成され得る。アライメント部材６３は、好適な如何なる形状を有していてもよい。

図９は、超音波システムの制御端子にＩＣダイ１を接続する接続ケーブル４１０に接続されたＩＣダイ１の一実施形態を含んだ超音波トランスデューサプローブ１００を模式的に描いている。超音波トランスデューサプローブ１００は、例えば外部コンタクト６１と接続ケーブル４１０との間の接続を強化することによって、超音波トランスデューサプローブ１００を不意のダメージから保護するために、ＩＣダイ１のインターポーザ領域６０内のＩＣダイ１と接続ケーブル４１０との間の接続を含めてＩＣダイ１を封入する樹脂封止１５０を有している。図９において、プローブ１００は更に、ＩＣダイ１のマウントパッド６５にマウントされた多数のディスクリート受動コンポーネント３２０を有しており、これらの受動コンポーネント３２０も樹脂封止１５０によって封入されている。樹脂封止１５０は、センサ領域１０の上の樹脂封止１５０の厚さを最小化し、それにより、診断プローブ１００の場合にセンサ領域１０によって送出される超音波の損失又はセンサ領域１０によって受け取られる超音波エコーの損失を最小化するために、ＩＣダイ１のセンサ領域１０の上に、リセス化された領域を有し得る。

図１０を参照するに、本発明の一実施形態に従ったアレイトランスデューサプローブ１００を有する超音波システムの一実施形態例が、ブロック図の形態で示されている。それ自体は周知のように、後述する超音波システムの構成要素のうちの少なくとも一部は、このような超音波システムの制御インタフェースに統合され得る。そのような制御インタフェースは、接続ケーブル４１０によってプローブ１００に結合され得る。

図１０において、超音波を送信するとともにオプションでエコー情報を受信するための超音波プローブ１００の部分として、ＩＣダイ１上のＣＭＵＴトランスデューサ１１のアレイが設けられる。トランスデューサアレイは、２Ｄ平面内で、又は３Ｄイメージングでは３次元で、スキャンすることが可能なトランスデューサ素子の１次元又は２次元アレイとし得る。超音波システムは、典型的にエコー情報を受信するように構成される超音波診断撮像システムであってもよいし、特定の状態の治療のために超音波パルスが送達される超音波治療システムであってもよい（この場合、超音波システムは、受信器能力を必要としなくてもよい）。以下では、超音波診断撮像システムについて説明する。当業者であれば、超音波診断撮像システムのうちの何が超音波治療システムでは省略され得るかを直ちに認識するであろう。

トランスデューサアレイは、プローブ１００内のマイクロビームフォーマ１２（例えば、ＩＣダイ１の一体化インターポーザ領域６０上にマウントされる）に結合される。マイクロビームフォーマ１２は、ＣＭＵＴアレイセル又は圧電素子による信号の送信及び受信を制御する。マイクロビームフォーマは、例えば米国特許第５９９７４７９号（Ｓａｖｏｒｄ等）、米国特許第６０１３０３２号（Ｓａｖｏｒｄ）、及び米国特許第６６２３４３２号（Ｐｏｗｅｒｓ等）に記載されているように、トランスデューサ素子のグループ又は“パッチ”によって受信される信号の、少なくとも部分的なビームフォーミングを行うことが可能である。

マイクロビームフォーマ１２は、例えば同軸ワイヤ４１０といったプローブケーブルによって、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６に結合される。Ｔ／Ｒスイッチ１６は、送信と受信との間の切り換えを行うとともに、マイクロビームフォーマが存在せず又は使用されずにトランスデューサアレイがメインシステムビームフォーマ２０によって直接的に動作されるときに、高エネルギー送出信号からメインビームフォーマ２０を保護する。マイクロビームフォーマ１２の制御下でのトランスデューサアレイからの超音波ビームの送出は、Ｔ／Ｒスイッチ１６によってマイクロビームフォーマに結合されたトランスデューサコントローラ１８と、ユーザインタフェース又はコントロールパネル３８のユーザ操作からの入力を受けるメインシステムビームフォーマ２０とによって指示される。トランスデューサコントローラ１８によって制御される機能のうちの１つは、ビームが操舵されてフォーカシングされる方向である。ビームは、トランスデューサアレイから直進（直交）するように操舵されることができ、あるいは、より広い視界のために様々な角度に操舵されることができる。トランスデューサコントローラ１８は、ＣＭＵＴアレイ用のＤＣバイアス制御部４５を制御するように結合され得る。例えば、ＤＣバイアス制御部４５は、ＣＭＵＴアレイのＣＭＵＴセル１１に印加される（１つ以上の）ＤＣバイアス電圧を設定する。

マイクロビームフォーマ１２によって生み出された部分的にビームフォーミングされた信号は、メインビームフォーマ２０に送られ、そこで、トランスデューサ素子の個々のパッチからの部分的にビームフォーミングされた信号が、完全にビームフォーミングされた信号へと結合される。例えば、メインビームフォーマ２０は、１２８個のチャネルを有し、その各々が、何ダース又は何百というＣＭＵＴトランスデューサセル１１２（図１－３参照）又は圧電素子のパッチから、部分的にビームフォーミングされた信号を受け取る。斯くして、トランスデューサアレイの何千というトランスデューサ素子によって受け取られた信号が、効率的に、単一のビームフォーミングされた信号に寄与することができる。

ビームフォーミングされた信号は、信号プロセッサ２２に結合される。信号プロセッサ２２は、受け取ったエコー信号を、例えばバンドパスフィルタリング、間引き、Ｉ及びＱ成分分離、並びに、組織及び微小気泡から戻された非線形（基本周波数の高次高調波）エコー信号を識別することを可能とするように線形信号と非線形信号とを分離する役割を果たす高調波信号分離など、様々な手法で処理することができる。

信号プロセッサ２２はオプションで、スペックル低減、信号合成、及びノイズ除去などの更なる信号エンハンスメントを実行し得る。信号プロセッサ２２内のバンドパスフィルタは、ますます大きい深さからエコー信号が受信されるときにその通過帯域が高めの周波数帯域から低めの周波数帯域へとスライドする追跡（トラッキング）フィルタとすることができ、それにより、高めの周波数は解剖学的情報を持たないような大きめの深さからの高めの周波数でのノイズを除去し得る。

処理された信号は、Ｂモードプロセッサ２６及びオプションとしてドップラープロセッサ２８に結合される。Ｂモードプロセッサ２６は、例えば体内の血管及び器官の組織などの体内構造の画像化のために、受け取られた超音波信号の振幅の検出を使用する。体内の構造のＢモード画像は、例えば、米国特許第６２８３９１９号明細書（Ｒｏｕｎｄｈｉｌｌ等）及び米国特許第６４５８０８３号明細書（Ｊａｇｏ等）に記載されているように、高調波画像モード若しくは基本画像モードの何れか、又はこれら双方の組み合わせにて形成され得る。

ドップラープロセッサ２８は、存在する場合、画像フィールド内の例えば血球の流れなどの物質の動きの検出のために、組織の動き及び血流からの時間的に異なる信号を処理する。ドップラープロセッサ２８は典型的に、体内の選択されたタイプの物質から返されたエコーを通過させる及び／又は排除するように設定され得るパラメータを有するウォールフィルタを含む。例えば、ウォールフィルタは、より低い速度又はゼロ速度の物質からの比較的強い信号を排除しながら、より高い速度の物質から比較的低い振幅の信号を通過させる通過帯域特性を有するように設定されることができる。

この通過帯域特性は、流れている血液からの信号を通過させる一方で、例えば心臓の壁などの、すぐ近くの静止した又はゆっくりと動く物体からの信号を排除することになる。組織ドップラー撮像と呼ばれるものでは、逆の特性が、心臓の動く組織からの信号を通過させる一方で血流信号を排除し、組織の動きを検出及び描写する。ドップラープロセッサ２８は、画像フィールド内の異なる点からの時間的に離散したエコー信号のシーケンスを受信して処理し、特定の点からのエコーのシーケンスが集合体として参照される。比較的短い間隔で立て続けに受信されたエコーの集合体を用いて、流れる血液のドップラーシフト周波数を推定することができ、血流速度を指し示す速度に対するドップラー周波数の対応関係が血流速度を指し示す。よりゆっくり流れる血液又はゆっくりと動く組織の速度を推定することには、より長い時間にわたって受信されたエコーの集合体が使用される。

Ｂモード（及びドップラー）プロセッサ２８によって生み出される構造及び動きの信号は、スキャンコンバータ３２及びマルチプラナーリフォーマッタ４４に結合される。スキャンコンバータ３２は、所望の画像フォーマットにて、エコー信号を、それらが受信された空間的関係で配置する。例えば、スキャンコンバータ３２は、エコー信号を２次元（２Ｄ）セクタ形状フォーマット又はピラミッド形３次元（３Ｄ）画像へと構成し得る。

スキャンコンバータ３２は、画像フィールド内の組織及び血流の動きを描写するカラードップラー画像を生み出すために、Ｂモード構造画像を、ドップラー推定速度を持つ画像フィールド内の点における動きに対応する色と重ね合わせることができる。マルチプラナーリフォーマッタ４４は、例えば米国特許第６４４３８９６号（Ｄｅｔｍｅｒ）に記載されているように、身体のボリューム（体積）領域内の共通平面内の点から受信されたエコーを、その平面の超音波画像へと変換することになる。ボリュームレンダラ４２が、米国特許第６５３０８８５号（Ｅｎｔｒｅｋｉｎ等）に記載されているように、３Ｄデータセットのエコー信号を、所与の基準点から見たときの投影３Ｄ画像へと変換する。

この２Ｄ又は３Ｄの画像は、更なるエンハンスメント、バッファリング、及び画像ディスプレイ４０上での表示用の一時記憶のために、スキャンコンバータ３２、マルチプラナーリフォーマッタ４４、及びボリュームレンダラ４２から、画像プロセッサ３０に結合される。画像化に使用されることに加えて、ドップラープロセッサ２８によって生み出された血流値、及びＢモードプロセッサ２６によって生み出された組織構造情報は、定量化プロセッサ３４に結合される。定量化プロセッサは、例えば血流の体積速度などの異なる流れ状態や、例えば器官の大きさなどの構造測定、及び妊娠期間の指標を生み出す。定量化プロセッサは、例えば測定を行うべき画像の解剖学的構造内の点など、ユーザ制御パネル３８からの入力を受け取り得る。

定量化プロセッサからの出力データは、ディスプレイ４０上の画像との測定グラフィックス及び値の再生のため、グラフィックスプロセッサ３６に結合される。グラフィックスプロセッサ３６はまた、超音波画像と共に表示するグラフィックオーバーレイを生成することもできる。これらのグラフィックオーバーレイは、患者名、画像の日時、撮像パラメータ、及びこれらに類するものなどの標準的な識別情報を含むことができる。これらの目的のため、グラフィックスプロセッサは、例えば患者名などの入力をユーザインタフェース３８から受け取る。

ユーザインタフェースはまた、トランスデューサアレイからの超音波信号の生成、ひいては、トランスデューサアレイ及び超音波システムによって生み出される画像の生成を制御するために送出コントローラ１８に結合される。ユーザインタフェースはまた、マルチプラナーリフォーマット（ＭＰＲ）画像の画像フィールド内で定量化測定を実行するために使用され得る複数のＭＰＲ画像の平面の選択及び制御のために、マルチプラナーリフォーマッタ４４に結合される。

当業者によって理解されることになるように、以上の超音波診断撮像システムの実施形態は、このような超音波診断撮像システムの非限定的な例を与えることを意図している。当業者が直ちに認識することには、本発明の教示から逸脱することなく、超音波診断撮像システムのアーキテクチャにおける幾つかの変形が実現可能である。例えば、以上の実施形態でも示したように、マイクロビームフォーマ１２及び／又はドップラープロセッサ２８は省略されてもよく、超音波プローブ１０は３Ｄ撮像機能などを有していなくてもよい。当業者には他の変形が明らかになる。

なお、上述の実施形態は、発明を限定ではなく例示するものであり、当業者は、添付の請求項の範囲を逸脱することなく、これらに代わる実施形態を設計することができるであろう。請求項において、括弧内に置かれた如何なる参照符号も、請求項を限定するものとして解されるべきでない。用語“有する”は、請求項に列挙されたもの以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素の前に置かれた用語“ａ”又は“ａｎ”は、その要素が複数存在することを排除するものではない。本発明は、幾つかの異なる要素を有するハードウェアによって実装されることができる。複数の手段を列挙するデバイスの請求項において、それらの手段のうちの幾つかが同一のハードウェア品目で具現化されてもよい。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。

Claims

集積回路ダイであって、
複数の回路要素を画成する基板と、
前記基板上に形成されたセンサ領域であり、複数の超音波トランスデューサセルを画成するレイヤスタックを有するセンサ領域と、
前記センサ領域の単一の辺に隣接して前記基板上に形成された唯一のインターポーザ領域であり、当該インターポーザ領域は、前記回路要素及び前記超音波トランスデューサセルへの導電接続を含む更なるレイヤスタックを有し、前記導電接続は、当該インターポーザ領域の上面上の複数の導電コンタクト領域に接続されており、前記導電コンタクト領域は、当該集積回路ダイを外部接続ケーブルに接触させるための外部コンタクトと、前記上面に受動コンポーネントをマウントするためのマウントパッドとを含む、インターポーザ領域と、
を有し、
前記外部コンタクトは、前記センサ領域と前記インターポーザ領域との間の境界とは反対側の前記インターポーザ領域の前記上面のエッジに沿って配置された第１の外部コンタクト領域を有し、前記マウントパッドは、前記境界と前記第１の外部コンタクト領域との間に配置されている、
集積回路ダイ。
前記基板と、前記センサ領域及び前記インターポーザ領域と、の間のメタライゼーションスタック、を更に有する請求項１に記載の集積回路ダイ。
前記上面の前記マウントパッドにマウントされた少なくとも１つの受動コンポーネント、を更に有する請求項１又は２に記載の集積回路ダイ。
前記少なくとも１つの受動コンポーネントは、デカップリングキャパシタ又はバイパスキャパシタを有する、請求項３に記載の集積回路ダイ。
前記インターポーザ領域は、前記センサ領域に対してリセス化されている、請求項１乃至４の何れかに記載の集積回路ダイ。
前記外部コンタクトは更に、
前記第１の外部コンタクト領域と前記境界との間の第２の外部コンタクト領域と
を有する、請求項１乃至５の何れかに記載の集積回路ダイ。
前記第１の外部コンタクト領域は、当該集積回路ダイを接地するための少なくとも１つの外部コンタクトを有し、前記第２の外部コンタクト領域は、当該集積回路ダイを外部接続ケーブルに接触させるための外部コンタクトのアレイを有する、請求項６に記載の集積回路ダイ。
前記第２の外部コンタクト領域は、当該集積回路ダイを前記外部接続ケーブルに接触させるための外部コンタクトの更なるアレイを有し、該更なるアレイは、前記アレイと前記境界との間に位置する、請求項７に記載の集積回路ダイ。
前記外部コンタクトは、アレイ状の外部コンタクトを有し、前記上面は更に、前記アレイ状の外部コンタクトと、前記センサ領域と前記インターポーザ領域との間の境界と、の間のアレイ状のアライメント部材を有し、前記アレイ状の外部コンタクトの各外部コンタクトが、前記アレイ状のアライメント部材内の一対の隣接するアライメント部材の間に位置し、前記アレイ状のアライメント部材の各アライメント部材が、前記インターポーザ領域の前記上面から延在する突起を形成する、請求項１乃至８の何れかに記載の集積回路ダイ。
前記導電コンタクト領域は、金及びニッケルのうちの少なくとも一方でめっきされている、請求項１乃至９の何れかに記載の集積回路ダイ。
前記外部接続ケーブルは、同軸ケーブル又はストリップラインを有する、請求項１乃至１０の何れかに記載の集積回路ダイ。
請求項１乃至１１の何れかに記載の集積回路ダイであり、少なくとも１つの受動コンポーネントが前記マウントパッド上にマウントされている集積回路ダイと、
前記外部コンタクトに取り付けられた外部接続ケーブルと、
を有するプローブ。
前記集積回路ダイと、前記外部コンタクトに取り付けられた前記外部接続ケーブルの少なくとも一部とが、樹脂封止内に封入されている、請求項１２に記載のプローブ。
前記樹脂封止は、前記センサ領域の上に凹部を有する、請求項１３に記載のプローブ。
当該プローブは、インターポーザ基板を有しない、請求項１２乃至１４の何れかに記載のプローブ。
請求項１２乃至１５の何れかに記載のプローブと、前記外部接続ケーブルによって前記プローブに接続された、前記プローブの外部の制御インタフェースと、を有する超音波システム。
当該超音波システムは超音波診断撮像システム又は超音波治療システムである、請求項１６に記載の超音波システム。