KR102367351B1 - 다차원 트랜스듀서 어레이를 위한 인터포저를 갖는 칩-온-어레이 - Google Patents

다차원 트랜스듀서 어레이를 위한 인터포저를 갖는 칩-온-어레이 Download PDF

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KR102367351B1
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백우 이
스티븐 알. 바네스
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지멘스 메디컬 솔루션즈 유에스에이, 인크.
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Abstract

칩-온-어레이 접근법에서, 음향 모듈과 전자 모듈은 별개로 형성된다. 음향 스택(10, 11, 12)은 하나의 인터포저(13)에 연결되고, 전자장치들(17)은 다른 인터포저(16)에 연결된다. (예컨대, 음향 스택을 위한 저온 본딩 및 전자장치들을 위한 더 높은 온도 기반의 인터커넥트를 사용하는) 상이한 연결 프로세스들이 사용될 수 있다. 이 어레인지먼트는, 인터포저들(13, 16)에서 비아들(20)을 스태거함으로써, 트랜스듀서 엘리먼트들(21) 및 전자장치들(17)의 I/O의 상이한 피치들(PA, PE)을 가능하게 할 수 있다. 그런 다음, 2 개의 인터포저들(13, 16)은 칩-온-어레이를 형성하도록 연결된다.

Description

다차원 트랜스듀서 어레이를 위한 인터포저를 갖는 칩-온-어레이{CHIP-ON-ARRAY WITH INTERPOSER FOR A MULTIDIMENSIONAL TRANSDUCER ARRAY}
[0001] 본 실시예들은 전자장치들과 다차원 트랜스듀서 어레이(multidimensional transducer array)들의 인터커넥션(interconnection)에 관한 것이다. 음향 어레이와, 연관된 송신 및/또는 수신 전자장치들 사이의 인터커넥션을 달성하는 것은 다차원 (매트릭스(matrix)) 트랜스듀서들에 대한 기술적 난제이다. 이차원(방위각 및 고도)으로 분포된 수백 또는 수천(예컨대, 최대 10,000) 개의 상이한 엘리먼트(element)들은, 적어도 다른 엘리먼트들에 의해 둘러싸인 엘리먼트들에 대해, z-축(깊이 또는 범위)을 따르는 인터커넥션을 필요로 한다. 엘리먼트들이 작기 때문에(예컨대, 250-500 ㎛), 각각의 엘리먼트로의 별개의 전기 커넥션(connection)을 위한 공간은 제한된다.
[0002] 다차원 트랜스듀서 어레이를 위한 인터커넥션을 제공하는 3 개의 접근법들: 칩-온-어레이(chip-on-array), 프레임(frame)-기반 접근법, 및 다층 플렉스(multi-layered flex)가 있다. 칩-온-어레이에서, 음향 어레이는 주문형 집적 회로(ASIC; application specific integrated circuit) 칩의 입력/출력(I/O; input/output)들 상에 바로 조립된다. 원리적으로, 이 접근법은, 바람직하게는 낮은 전기 기생들로 이어지는, 음향 엘리먼트들과 전자장치들 사이의 최단 전기 인터커넥션들을 제공한다. 어레이 또는 전자장치들에서의 가능한 장애에 기인하여, 매우 낮은 프로세스(process) 수율이 발생할 수 있다. 전자장치들 상에서의 형성이 완료될 때까지, 음향 엘리먼트들은 시험될 수 없다. 음향 어레이가 값비싼 전자장치들의 상부에 조립되기 때문에, 음향 어레이의 손실은 값비싼 전자 모듈(module)의 손실로 이어진다.
[0003] 프레임-기반 접근법에서, 어레이는 몇몇 섹션(section)들(예컨대, 4 개)로 분할된다. 각각의 섹션은 고체 금속 프레임을 갖는다. 금속 프레임들 둘레로 구부러진 플렉스 회로들은 음향 엘리먼트들의 수만큼 많은 신호들을 이 음향 엘리먼트들로부터 플렉스 회로들 상에 배치된 ASIC들로 재분배한다. 프레임-기반 접근법의 신호 라우팅(routing)은 칩-온-어레이보다 더욱 복잡해서, 더 높은 전기 기생들이 야기된다. 음향 엘리먼트들이 별개의 플렉스 회로들 상에 조립되기 때문에, 음향 및 전자장치들 양자 모두에 대한 더 나은 프로세스 수율들 및 시험가능성이 제공된다.
[0004] 다층 플렉스 접근법은, 어떤 애퍼처 섹셔닝(aperture sectioning)도 없이, 많은 엘리먼트들(예컨대, 최대 9,000 개의 음향 엘리먼트들)에 대한 신호들을 라우팅(route)하기 위해 많은 플렉스 회로들로서 스태킹(stack)한다(예컨대, 최대 9 개의 층들). 칩-온-어레이 접근법 또는 프레임-기반 접근법과 비교하여, 이 다층 플렉스는 만곡된 매트릭스 어레이로서의 사용을 위해 구부러질 수 있다. 라우팅은 다수의 플렉스 회로들 및 각각의 플렉스 상의 긴 트레이스(trace)들에 기인하여 높은 전기 기생들을 야기한다.
[0005] 도입부로서, 아래에서 설명된 바람직한 실시예들은 트랜스듀서 엘리먼트들의 어레이와 전자장치들을 연결하기 위한 방법들, 시스템(system)들 및 구성요소들을 포함한다. 칩-온-어레이 접근법에서, 음향 모듈과 전자 모듈은 별개로 형성된다. 음향 스택(stack)은 하나의 인터포저(interposer)에 연결되고, 전자장치들은 다른 인터포저에 연결된다. (예컨대, 음향 스택을 위한 저온 본딩(bonding) 및 전자장치들을 위한 더 높은 온도 기반의 인터커넥트(interconnect)를 사용하는) 상이한 연결 프로세스들이 사용될 수 있다. 이 어레인지먼트(arrangement)는, 인터포저들에서 비아(via)들을 스태거(staggering)함으로써, 트랜스듀서 엘리먼트들 및 전자장치들의 I/O의 상이한 피치(pitch)들을 가능하게 할 수 있다. 그런 다음, 2 개의 인터포저들은 칩-온-어레이를 형성하도록 연결된다.
[0006] 제1 양상에서, 다차원 트랜스듀서 어레이 시스템이 제공된다. 음향 어레이는 이차원의 그리드(grid)로 분포된 트랜스듀서 엘리먼트들을 갖는다. 트랜스듀서 엘리먼트들의 퀴리(Curie) 온도보다 낮은 온도에서 본딩하는 재료를 이용하여 음향 어레이에 제1 인터포저가 본딩된다(bonded). 집적 회로는 음향 어레이를 이용한 초음파 스캐닝(scanning)을 위한 송신 및/또는 수신 회로들을 갖는다. 트랜스듀서 엘리먼트들의 퀴리 온도보다 높은 온도에서 본딩하는 재료를 이용하여 집적 회로에 제2 인터포저가 본딩된다. 제1 인터포저 및 제2 인터포저에 형성된 비아들은 트랜스듀서 엘리먼트들을 집적 회로에 전기적으로 연결한다.
[0007] 제2 양상에서, 초음파 트랜스듀서 프로브(probe)가 제공된다. 칩-온-어레이 어레인지먼트는, 다수의 층들로 형성된 인터포저를 통해 다차원 트랜스듀서 어레이에 전기적으로 연결된 반도체 칩을 포함한다. 층들에 있는 비아들은, 반도체 칩으로의 다차원 트랜스듀서 어레이의 전기 커넥션들을 형성한다. 비아들은, 다차원 트랜스듀서 어레이의 제1 피치로부터 반도체 칩의 연결 패드(pad)들의 상이한 제2 피치로 피치를 변화시키도록 패터닝된다(patterned).
[0008] 제3 양상에서, 음향 엘리먼트들의 어레이와 전자장치들을 연결하기 위한 방법이 제공된다. 제1 비아들을 갖는 제1 재료 시트(sheet)가 트랜스듀서 스택에 연결된다. 제2 비아들을 갖는 제2 재료 시트가 초음파 송신 및/또는 수신 동작을 위한 집적 회로에 연결된다. 그런 다음, 트랜스듀서 스택에 연결된 제1 재료 시트는 집적 회로에 연결된 제2 재료 시트와 본딩된다.
[0009] 본 발명은 다음의 청구항들에 의해 정의되고, 본 섹션의 아무것도 이들 청구항들에 대한 제한으로서 취해지지 않아야 한다. 본 발명의 추가적인 양상들 및 장점들은 바람직한 실시예들과 함께 아래에서 논의되며, 독립적으로 또는 결합하여 나중에 청구될 수 있다. 상이한 실시예들은 상이한 목적들 또는 장점들을 달성할 수 있거나 또는 달성하는 데 실패할 수 있다.
[0010] 구성요소들 및 도면들이 반드시 실척에 맞는 것은 아니며, 대신에, 본 발명의 원리들을 예시할 때 강조가 이루어진다. 게다가, 도면들에서, 유사한 참조 부호들은 상이한 도면들 전체에 걸쳐 대응하는 부분들을 표기한다.
[0011] 도 1은 집적 회로와 음향 어레이의 칩-온-어레이 인터커넥션의 일 실시예의 단면도이고;
[0012] 도 2는 집적 회로와 음향 어레이의 칩-온-어레이 인터커넥션의 다른 실시예의 단면도이고;
[0013] 도 3은 경흉부 심초음파(TTE; transthoracic echocardiogram) 프로브에 사용하기 위한 칩-온-어레이 시스템의 예시적인 형상화를 도시하고;
[0014] 도 4는 심장내 심초음파(ICE; intracardiac echocardiography) 카테터(catheter) 프로브에 사용하기 위한 칩-온-어레이 시스템의 예시적인 형상화를 도시하고;
[0015] 도 5는 음향 엘리먼트들의 어레이와 전자장치들을 연결하기 위한 방법의 일 실시예의 흐름도 다이어그램(diagram)이고;
[0016] 도 6은 인터포저에 연결된 음향 스택의 일 예의 단면도이며; 그리고
[0017] 도 7은 인터포저에 연결된 집적 회로의 일 예의 단면도이다.
[0018] 다차원(예컨대, 매트릭스) 어레이 트랜스듀서의 전기 커넥션을 위해, 인터포저를 갖는 칩-온-어레이가 제공된다. 인터포저는 어레이의 음향 엘리먼트들과 전자장치들(예컨대, ASIC) 사이에 배치된 플렉스 회로들 또는 다른 재료로 형성된다. 모듈(예컨대, 음향 어레이 및 전자장치 모듈들)에 특정한 프로세스들 및 결과적인 층 어레인지먼트들을 사용하여, 음향 어레이-대-인터포저의 전기 인터커넥션과 전자장치 칩-대-인터포저의 전기 인터커넥션이 별개로 형성된다. 그런 다음, 별개로 형성된 모듈들로 인터포저-대-인터포저의 전기 인터커넥션들이 형성된다. 다차원 매트릭스 어레이 트랜스듀서를 위한 음향 모듈과 전자 모듈의 통합을 위한 이 초음파 트랜스듀서 아키텍처(architecture)는 최소화된 전기 기생들, 음향 모듈 및 전자 모듈 양자 모두에 대한 별개의 시험가능성, 초음파 트랜스듀서 제조를 위한 더 나은 프로세스 수율, 일부 인터커넥션들에 대한 더 높은 열 버짓(thermal budget) 및 전자 모듈에 대한 개선된 신뢰성을 제공할 수 있으며, 이들 전부는 전체 비용을 감소시킬 수 있다.
[0019] 비아들을 통하는 짧은 전기 경로에 기인하여, 더 낮은 전기 기생이 제공된다. 각각의 음향 엘리먼트는, 인터포저 플렉스 회로들 내의 몇 개(예컨대, 2-4 개)의 스태킹된(stacked) 비아들을 통해 각자의 대응하는 ASIC의 I/O들에 전기적으로 상호연결된다. 각각의 비아의 높이는, 음향 엘리먼트들 및 ASIC로부터의 전기 인터커넥션들이 짧아서 프레임-기반 접근법 및 다층 플렉스 접근법과 비교하여 더 낮은 전기 기생들이 야기되도록 매우 낮다.
[0020] 음향 플렉스 회로(인터포저)와 전기 플렉스 회로(인터포저)는 스태거된(staggered) 비아들을 가질 수 있다. 초음파 트랜스듀서를 위한 칩-온-어레이에서 음향 모듈과 전기 모듈 사이의 전기 인터커넥션들을 위해, 스태거된 비아들은 트랜스듀서 엘리먼트 피치들 및 포지션(position)들에 대한 I/O 피치들에서 더 많은 유연성을 제공한다.
[0021] 크고 값비싼 단일 ASIC 칩 대신에, 2 개 이상의 더 작은 크기의 칩들이 플렉스 회로들에 장착될 수 있다(칩 타일링(tiling)). 이 어레인지먼트는, 더 작고 덜 값비싼 집적 회로들을 가능하게 한다.
[0022] 음향 모듈에 대해 저온 본딩이 사용될 수 있고, 전자 모듈에 대해 고온 인터커넥션이 사용될 수 있다. 음향 모듈의 경우, 저온 및 저압 본딩 층들이 사용된다. 음향 모듈은, 인터포저의 층과 함께 트랜스듀서 스택의 층의 원-스텝(one-step) 본딩에 의해 형성될 수 있다. 음향 모듈을 연결하기 위해 저온(예컨대, < 120 ℃) 경화성 폴리머(polymer)(예컨대, 에폭시(epoxy))가 사용된다. 음향 모듈의 열 버짓은 압전 층들의 퀴리 온도 미만으로(예컨대, 이원 단일 압전-결정 < 80 ℃ 또는 삼원 단일 압전-결정 < 120 ℃) 또는 다른 브레이크다운(breakdown) 온도 미만으로 제한된다. 전자장치 모듈에 대해서는 고온(예컨대, > 120 ℃) 인터커넥션이 사용되어서, 패시브(passive) 구성요소들(예컨대, 커패시터(capacitor), 저항기 및/또는 인덕터(inductor)들)의 커넥션들 및/또는 ASIC 커넥션들을 위해 더욱 신뢰성 있는 인터커넥션들이 제공될 수 있다. 전자 모듈에 대한 고온의 신뢰성 있는 전기 인터커넥션들(> 120 ℃)은 납 및 무연 솔더(solder)(> 180 ℃), 솔더 캡(cap)을 갖는 Cu 필러(pillar)(> 250 ℃) 및 고온 이방성 전도성 필름(ACF; anisotropic conductive film)(> 120 ℃)을 포함한다. 각각의 모듈이 별개의 인터포저들 상에 조립되기 때문에, 음향 모듈은 저온 경화성 폴리머를 이용한 원-스텝 본딩에 의해 형성될 수 있으며, 동시에, 더 높은 열 버짓이 전자 모듈에 이용가능하다.
[0023] 음향 모듈과 전자장치 모듈이 서로 별개로 인터포저들에 연결되기 때문에, 모듈들은 별개로 시험될 수 있다. 별개의 인터포저 플렉스 회로들 상에서의 음향 및 전자 모듈 형성의 병렬 프로세스는, 함께 어셈블리(assembly)하기 전에 각각의 모듈에 대한 시험을 가능하게 한다. 시험 후에 우수한 모듈들만이 초음파 트랜스듀서의 전체 어셈블리를 형성하기 위해 사용된다. 하나의 모듈의 손실이 다른 모듈의 장애에 더하여 누적되지 않기 때문에, 제조를 위한 더 나은 프로세스 수율이 발생할 수 있다.
[0024] 도 1은 다차원 트랜스듀서 어레이 시스템의 일 실시예의 단면도이다. 시스템은 초음파 트랜스듀서 프로브에 대해, 이를테면, 환자의 외부로부터의 스캐닝을 위한 핸드헬드(handheld) 프로브 또는 환자 내로부터의 스캐닝을 위한 공동내(intra-cavity) 또는 카테터-기반 프로브에 사용된다. 시스템은, 다수의 층들로 형성된 인터포저를 통해 다차원 트랜스듀서 어레이에 반도체 칩이 전기적으로 연결되는 칩-온-어레이 어레인지먼트이다. 짧은 전기 커넥션들에 기인하여, 초음파를 이용한 개선된 스캐닝 및 이미징(imaging)이 의료 진단을 위해 제공될 수 있다.
[0025] 어레이 시스템 및 대응하는 프로브는, 도 5의 방법 또는 다른 방법을 사용하여 형성된다. 어레이 시스템은 적어도 하나의 인터포저(13) 및 트랜스듀서 스택으로 형성된 음향 모듈, 그리고 적어도 하나의 인터포저(16) 및 집적 회로(17)로 형성된 전자장치 모듈을 포함한다. 부가적인 모듈들이 포함될 수 있다.
[0026] 음향 모듈은, 이차원의 그리드로 분포된 트랜스듀서 엘리먼트들(21)을 갖는 음향 어레이(22)를 포함한다. 다차원 트랜스듀서 어레이(22)는 압전 또는 미세전자기계 (용량성 막) 엘리먼트들(21)의 어레이이다. 압전 예들이 본원에서 사용된다. 어레이(22)는 편평하거나, 오목하거나 또는 볼록하다. 엘리먼트들(21)은 이차원을 따라 분포된다. 엘리먼트들(21)은 이차원을 따라 완전히 샘플링되는(fully sampled) 간격으로 매 250, 400 또는 500 마이크로미터(micrometer)와 같은 다양한 피치들 중 임의의 피치를 따라 분포된다. 도 1에서, 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 피치는 피치(PA)로서 도시된다. 위치의 함수로써 변하는 피치, 또는 다른 피치들이 사용될 수 있다. 피치는, 고도에 따른 300 마이크로미터 및 방위각에서의 600 마이크로미터와 같이, 상이한 방향들 또는 치수들에서 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 엘리먼트들(21)의 배치의 완전 또는 희소 샘플링(sampling)이 제공된다.
[0027] 어레이(22) 및 대응하는 트랜스듀서 엘리먼트들(21)은 하나 이상의 임피던스 매칭(impedance matching) 층들(10), 압전 층(11) 및 디-매칭(de-matching) 층(12)을 포함한다. 어레이(22)의 엘리먼트들(21) 각각은 적어도 2 개의 전극들을 포함한다. 엘리먼트들은 전기 에너지(energy)와 음향 에너지 사이를 변환한다. 부가적인, 상이한 또는 더 적은 수의 층들이 제공될 수 있다. 예컨대, 원하지 않은 방향으로 송신되는 에너지로부터의 음향 반사를 제한하기 위해 배킹 블록(backing block)이 어레이(22)의 일 측에 포지셔닝될(positioned) 수 있다. 렌즈(lens), 윈도우(window), 또는 다른 현재 알려진 또는 나중에 개발되는 다차원 트랜스듀서 어레이 구성요소들이 포함될 수 있다.
[0028] 매칭 층(10)은 재료의 ¼ 파장 두께 층이다. 재료는 환자와 압전 층(11)의 임피던스 사이에 음향 임피던스를 갖는다. 음향 임피던스의 점진적인 변화를 위한 다수의 층들이 사용될 수 있다.
[0029] 압전 층(11)은 압전 재료의 슬래브(slab) 또는 플레이트(plate)이다. 고체 압전이 사용될 수 있다. 단결정 또는 다결정 압전 재료가 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 압전과, 에폭시 또는 다른 폴리머의 복합물이 사용된다.
[0030] 디-매칭 층(12)은 재료의 ¼ 파장 두께 층이다. 임의의 재료, 이를테면 텅스텐 카바이드(tungsten carbide)가 사용될 수 있다. 디-매칭 층(12)은 클램핑된(clamped) 경계 조건을 제공하며, 이는 초음파 트랜스듀서에서의 더 나은 감도 및 더 넓은 대역폭으로 이어진다.
[0031] 접지 평면은 하나의 전극을 형성할 수 있다. 접지 평면은 전도성 매칭 층(10)에 의해 제공될 수 있다. 대안적으로, 매칭 층(10) 상에, 매칭 층(10) 내에 또는 매칭 층(10) 아래에 전도체 시트가 배치되거나 또는 증착된다.
[0032] 다른 전도체 시트가 신호 전극들을 형성하기 위한 전도체들을 제공한다. 인터포저(13) 상에 증착된 전도체가 사용될 수 있다. 대안적으로, 압전 층(11) 상에 배치되거나 또는 형성된 전도체가 압전 층(11)과 디-매칭 층(12) 사이에 포지셔닝된다. 또 다른 실시예들에서, 전도체는 디-매칭 층(12)의 전도성 재료에 의해 형성된다. 일단 다이싱되거나(diced) 또는 분리되면, 전도체 시트는 트랜스듀서 엘리먼트들(21)에 대한 신호 전극들을 제공한다. 각각의 트랜스듀서 엘리먼트에 대한 전기적으로 별개의 신호 전극이 제공된다.
[0033] 인터포저(13)는 전기 절연성 또는 유전체 재료이다. 일 실시예에서, 인터포저(13)는 가요성 회로 재료, 이를테면 폴리이미드(polyimide)의 시트로 형성된다. 증착된 그리고/또는 에칭된(etched) 구리 트레이스(trace)들과 같은 트레이스들 또는 다른 전도체들이 인터포저(13)의 재료 상에 그리고/또는 인터포저(13)의 재료에 포함될 수 있다. 패시브 및/또는 액티브(active) 전자장치들이 부착될 수 있다. 가요성 회로 재료가 전기 인터커넥션을 위한 신호 라우팅들 또는 분포들을 제공하도록 전자장치 칩(예컨대, ASIC(17))과 음향 어레이(22) 사이에 배치되기 때문에, 재료는 인터포저이다.
[0034] 인터포저(13)는 음향 모듈을 형성하도록 음향 스택과 연결된다. 물리 커넥션은 본딩에 의해 이루어지며, 따라서 본딩 재료 층이 제공된다. 도 1의 예에서, 본딩 재료는 에폭시 층(14)이다. 에폭시 층(14)은, 인터포저(13)를 디-매칭 층(12)에 유지하는 것과 같이 인터포저(13)를 음향 스택에 유지한다.
[0035] 본딩을 위한 임의의 재료가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 재료는 저온 경화성 폴리머, 이를테면 에폭시, 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에스테르(polyester), Ag 페이스트(paste) 또는 다른 폴리머-기반 재료이다. 저온은 트랜스듀서 엘리먼트들(21)에 상대적이다. 압전 층(12)의 퀴리 온도는 80-120 ℃ 사이일 수 있다. 예컨대, 이원 단일 압전-결정은 80 ℃의 퀴리 온도를 갖고, 삼원 단일 압전-결정은 120 ℃의 퀴리 온도를 갖는다. 다른 퀴리 온도들이 제공될 수 있다. 음향 스택에서의 층들 중 임의의 층의 동작의 변화 또는 브레이크다운과 관련된 다른 온도들이 사용될 수 있다. 음향 모듈을 형성할 때 이 온도에 도달하거나 또는 이 온도를 초과하는 것은 원해지지 않는다. 본딩 또는 다른 인터커넥션을 위한 재료는 저온을 초과하지 않고 커넥션을 가능하게 한다.
[0036] 신호 전극들로부터, 트레이스들, 비아들(20) 또는 인터포저(13) 상의 다른 전도체들로의 돌기 접촉(asperity contact)이 제공된다. 인터포저(13)는 디-매칭 층(12)과 함께 스태킹된다. 트랜스듀서의 다른 층들(10, 11)은 앞서 함께 본딩되거나 또는 언본딩될(unbonded) 수 있다. 본딩을 위한 재료는 스태킹(stacking)에 또는 스태킹 동안 부가된다. 재료는 실온에서 또는 퀴리 온도 또는 다른 브레이크다운 온도 미만의 높은 온도에서 경화될 수 있다. 일 실시예에서, 층들(10, 11, 12) 및 인터포저(13)는 스태킹되어 음향 모듈을 형성하도록 동시에 또는 동일한 경화(즉, 원-스텝 본딩)의 일부로서 본딩된다.
[0037] 인터포저(13)는 복수의 비아들(20)을 포함한다. 몇몇의 비아들(20)이 도 1에서 역삼각형들로서 도시된다. 단일 인터포저(13) 상에, 각각의 트랜스듀서 엘리먼트에 대한 하나의 비아(20)가 제공되지만, 부가적인 또는 더 적은 수의 비아들이 제공될 수 있다. 비아들(20)은 이를테면 에칭(etching), 증착, 드릴링(drilling) 또는 몰딩(molding)에 의해 인터포저(13)에 형성된다. 전도체, 이를테면 구리는 인터포저(13)의 두께를 통하여 전도성 경로를 생성하기 위해 홀(hole)을 채우거나 또는 라이닝(line)한다. 이 비아(20)는, 이를테면 칩-온-어레이 어레인지먼트에서 엘리먼트들(21)의 신호 전극들로부터 전자장치 모듈(예컨대, 집적 회로(17))로의 전기 커넥션을 가능하게 하기 위해, 인터포저(13)의 일 측으로부터 다른 측으로의 전기 전도성 경로를 제공한다.
[0038] 비아들(20)은 신호 전극들과 연결되도록 포지셔닝된다. 비아들(20)이 신호 전극들 및 대응하는 트랜스듀서 엘리먼트들(21)과 동일한 피치(PA)로 있을 경우, 비아들(20)은 신호 전극들과 정렬된다. 도 1의 예에서, 음향 모듈을 위한 인터포저(13)의 비아들(20)은 동일한 피치를 갖는다. 비아들(20)의 피치는 신호 전극들의 피치(PA)와 상이할 수 있다. 이 경우, 신호 전극들로부터 비아들(20)로 신호들을 라우팅하기 위해 트레이스 또는 패드가 인터포저(13) 상에 형성된다. 대안적으로, 비아들(20)은, 피치(PA)가 신호 전극들에 인접한 표면 상에 제공되도록 그리고 인터포저(13)의 대향 표면 상에는 상이한 피치가 제공되도록 기울어진다.
[0039] 일단 정렬 및 본딩되면, 신호 전극들은 인터포저(13)의 비아들(20)에 전기적으로 연결된다. 이는 트랜스듀서 엘리먼트들(21)로부터 전자장치 모듈로의, 또는 전자장치 모듈로부터의 신호들의 z-축 라우팅을 제공한다. 어셈블링된(assembled) 음향 모듈은, 돌기 접촉에 의한 전기 커넥션과 함께, 인터포저(13)를 트랜스듀서 엘리먼트들(21)에 물리적으로 유지하는 데 사용되는 본딩 재료를 포함한다.
[0040] 전자장치 모듈은 전자장치들(예컨대, 집적 회로(17) 및/또는 패시브 전자장치들(18)) 그리고 하나 이상의 인터포저들(16)을 포함한다. 부가적인, 상이한 또는 더 적은 수의 구성요소들이 전자장치 모듈에 제공될 수 있다.
[0041] 패시브 전자장치들(18)은 이산 구성요소들, 이를테면 저항기들, 커패시터들 및/또는 인덕터들이다. 다른 패시브 전자장치들이 사용될 수 있거나, 또는 어떤 패시브 전자장치들도 사용되지 않을 수 있다.
[0042] 액티브 전기 구성요소들은 반도체들, 이를테면 트랜지스터 디바이스(transistors device)들이다. "액티브" 전기 구성요소는 디바이스의 동작보다는 디바이스의 유형을 전달하기 위해 사용된다. 트랜지스터 기반 또는 스위치(switch)-기반 디바이스들이 액티브 디바이스들인 한편, 저항기들, 커패시터들 또는 인덕터들은 패시브 디바이스들이다. 액티브 전기 디바이스들은 하나 이상의 집적 회로들(17), 이를테면 ASIC이다. 집적 회로(17)는 주문형 집적 회로, 아날로그(analog) 회로, 디지털(digital) 회로, 스위치, 멀티플렉서(multiplexer), 제어기, 프로세서(processor), 디지털 신호 프로세서, 필드 프로그램가능 게이트 어레이(field programmable gate array), 또는 다른 현재 알려진 또는 나중에 개발되는 액티브 전기 구성요소일 수 있다. 집적 회로(17)는 집적 회로로서의 칩 형태일 수 있다.
[0043] 반도체들 또는 액티브 전자장치들은 음향 어레이(22)를 이용한 초음파 스캐닝(scanning)을 위한 송신 및/또는 수신 회로들을 포함한다. 예컨대, 복수의 송신 회로들이 반도체 칩들로서 제공되고, 복수의 수신 회로들이 반도체 칩들로서 제공되며, 그리고 제어기가 반도체 칩으로서 제공된다. 송신 구성요소들은 수신 구성요소들과 별개이거나 또는 수신 구성요소들과 통합될 수 있다. 송신 구성요소들은 고전압 펄서(pulser)들, 필터(filter)들, 메모리(memory)들, 딜레이(delay)들, 위상 회전기들, 곱셈기들, 이들의 결합들, 또는 다른 현재 알려진 또는 나중에 개발되는 송신 빔형성기(beamformer) 구성요소를 포함한다. 수신 구성요소들은 필터들, 증폭기들, 딜레이들, 합산기들, 이들의 결합들, 또는 다른 현재 알려진 또는 나중에 개발되는 수신 빔형성기 구성요소를 포함한다. 수신 빔형성기 구성요소들이 송신 구성요소들보다 더 낮은 전압들에서 동작할 수 있기 때문에, 수신 구성요소와 송신 구성요소는 별개의 디바이스들이지만, 송신 및 수신 동작을 위한 결합 디바이스가 제공될 수 있다. 집적 회로(17)는 송신 빔형성기, 펄서들, 수신 빔형성기, 증폭기들, 위상 회전기들, 딜레이들, 합산기들, 또는 초음파 스캐닝을 위해 사용되는 다른 액티브 전자장치들 중 일부 또는 전부를 포함한다.
[0044] 일 실시예에서, 단일 액티브 전기 구성요소, 이를테면 단일 칩 또는 ASIC(17)가 도 1에서 도시된 바와 같이 제공된다. 더 많은 수의 음향 엘리먼트들(21) 및 대응하는 애퍼처는 음향 신호들을 처리하기 위해 더 큰 크기의 ASIC 칩을 야기한다. 더 큰 ASIC 칩은 더욱 값비싼데, 그 이유는 더 큰 칩은 반도체 프로세싱(processing) 동안 결함들을 가질 더 많은 기회들을 갖기 때문이다. 집적 회로(17)의 크기를 감소시키기 위해, 2 개 이상의 집적 회로들(17)이 타일링될(tiled) 수 있다. 도 2는 2 개의 반도체 칩들 또는 집적 회로들(17A, 17B)이 사용되는 예를 도시한다. 2 개 이상의 반도체들이 서로 인접하게 배치되거나 또는 타일링될 수 있다. 각각의 반도체 또는 집적 회로(17)는 인터포저(16)에 인접하게 포지셔닝된다. 크고 값비싼 단일 ASIC 칩 대신에, 2 개 이상의 더 작은 크기의 칩들이 인터포저(16)(예컨대, 플렉스 회로들)에 장착된다. 각각의 집적 회로(17A, 17B)는 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 상이한 서브-세트(sub-set)들과 전기적으로 연결된다. 예컨대, 4 개의 ASIC들(17)이 엘리먼트들(21)의 4 개의 그룹(group)들에 전기적으로 연결되며, 여기서, 각각의 엘리먼트는 단 하나의 그룹에만 있다.
[0045] 반도체 칩 또는 집적 회로(17)는 입력/출력 패드들을 포함한다. 반도체 칩은 최대 표면에 노출된 입력/출력 전도체들을 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 패드들은 에지(edge)들 옆으로 칩을 빠져나가고, 와이어 본드(wire bond) 또는 가요성 회로에 의해 최대 표면 상의 분포로 라우팅된다(routed). 다른 대안적인 실시예들에서, 인터포저(16)는 칩의 측면들 상의 전도체들로 라우팅된다.
[0046] 입력/출력 패드들은 집적 회로(17) 상에 형성된 전도체들이다. Cu 필러들, 전극들, 트레이스들, 비아들 또는 다른 전도성 구조들이 입력/출력 패드들에 대해 사용될 수 있다.
[0047] 입력/출력 패드들은 피치(PE)를 갖는다. 피치는 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 피치(PA)와 동일할 수 있다. 대안적으로, 입력/출력 패드들의 피치는 상이하다. 예컨대, 도 1은 일차원(예컨대, 방위각)을 따라 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 피치(PA)와는 상이한 ASIC(17)의 피치(PE)를 도시한다. 피치는 수직 치수(예컨대, 고도)를 따라 동일하거나 또는 상이하다. 데카르트(Cartesian) 그리드에서, 피치(PA)는 500 마이크로미터일 수 있고, 피치(PE)는 400 마이크로미터일 수 있다. 엘리먼트들(21) 또는 패드들에 대해 다른 피치들이 사용될 수 있다. 피치들(PA, PE)은 상이할 수 있지만, 트랜스듀서 엘리먼트들(21) 및 입력/출력 패드들 양자 모두는 동일한 규칙적인 그리드 패턴(pattern)으로 있다. 다른 실시예들에서, 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 분포 패턴은 입력/출력 패드들의 분포 패턴과는 상이하다.
[0048] 전자장치 모듈을 위한 인터포저(16)는 음향 모듈을 위한 인터포저(13)와 동일한 또는 상이한 재료이다. 예컨대, 인터포저(16)는 폴리이미드 또는 가요성 회로 재료로 형성된다. 두께는 음향 모듈의 인터포저(13)와 동일하거나 또는 상이하다.
[0049] 임의의 수의 인터포저들(16)이 제공될 수 있다. 도 1의 예에서, 함께 스태킹되거나 또는 서로 돌기 접촉(asperity contact)하는 2 개의 인터포저들(16)이 있다. 단 하나, 3 개 또는 그 이상의 인터포저들(16)이 제공될 수 있다.
[0050] 제조될 때, 전자장치 모듈은 인터포저들(16), 패시브 전자장치들(18) 및/또는 집적 회로들(17)을 함께 유지하기 위한 재료의 층들 또는 구조들을 포함한다. 인터포저(16)는 재료에 의해 집적 회로(17)에 본딩된다. 재료는 물리 커넥션으로서 인터포저(16)를 집적 회로(17)에 유지하고 그리고/또는 인터포저(16)를 다른 인터포저(16)에 유지한다. 재료는 부가적으로, 인터포저(16) 상의 트레이스들 및/또는 비아들(20)과 입력/출력 패드들 사이의 전기 커넥션을 형성할 수 있다.
[0051] 재료는 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 퀴리 온도보다 높은 온도에서 본딩된다. 더 높은 온도에서 인터커넥션을 형성할 수 있도록 되는 것에 기인하여, 더 나은 강도 또는 전기 접촉을 갖는 전기 커넥션 및/또는 다른 전기 인터커넥션을 위한 더 강한 돌기 접촉이 형성된다. 예컨대, 이방성 전도성 필름(ACF; anisotropic conductive film) 또는 솔더가 사용된다. 재료 본딩은 음향 모듈에 대해 사용되는 것보다 더 높은 온도에서 형성된 인터커넥션이다. 예컨대, 인터커넥션은 80 ℃, 120 ℃, 180 ℃보다 높은 온도 또는 다른 온도에서 형성된다. 일 실시예에서, 인터포저(16)와의 ASIC 칩 인터커넥션을 위해, 솔더 캡들을 갖는 Cu 필러 범프 조인트(bump joint)들(예컨대, Sn-Ag-Cu 조성)이 사용된다. ASIC(17)는 아래를 향하게 인터포저(16)의 기판에 배치된다. 조인트들은, 250 ℃보다 높은 온도와 같이 솔더 캡을 용융시키는 고온 리플로(reflow)에 의해 인터포저(16)의 패드들(Cu 필러 범프 조인트들의 캡)에 형성된다. ACF는 120 ℃보다 높은 온도를 사용할 수 있다. 솔더 또는 솔더 범프들은 180 ℃보다 높은 온도를 사용할 수 있다. 가열한 후에, 본딩 재료가 형성되어서, 인터포저(16)를 정렬된 상태로 집적 회로(17)와 본딩한다. 패시브 전자장치들(18)은 동일한 가열의 일부로서 본딩되거나 또는 개별적으로 본딩될 수 있다.
[0052] 인터포저(16)는 복수의 비아들(20)을 포함한다. 트레이스들이 있거나 또는 없는 비아들(20)은, 어레이(22)의 트랜스듀서 엘리먼트들(21)을 집적 회로(17)의 반도체 칩에 전기적으로 연결한다. 비아들(20)은 전기 커넥션을 제공하도록 인터포저(16)의 두께를 통하여 연장된다. 전기 커넥션을 위해, 모든 인터포저들(13, 16)을 통하는 비아들(20)이 전기 커넥션을 제공한다. 각각의 엘리먼트에 대해, 신호 전극은 음향 모듈의 인터포저(13)의 비아(20)와 연결되고, 음향 모듈의 인터포저(13)의 비아(20)는 전자장치 모듈의 인터포저(16)의 비아(20)와 연결되며, 그리고 전자장치 모듈의 인터포저(16)의 비아(20)는 집적 회로(17)의 입력/출력 패드와 연결된다. 다른 인터포저 층들이 제공되는 다른 비아(20)-대-비아(20) 커넥션들이 제공될 수 있다. 인터포저들(13) 및/또는 인터포저들(16) 상의, 또는 인터포저들(13) 및/또는 인터포저들(16)에 있는 트레이스들 또는 다른 전도체들이 인터커넥션을 라우팅하기 위해 사용될 수 있다.
[0053] 엘리먼트 피치(PA)가 입력/출력 패드 피치(PE)와 동일하고 엘리먼트들(21)이 입력/출력 패드들과 정렬되는 경우, 비아들(20)은 인터포저(13, 16)의 각각의 층에서 정렬되고 동일한 피치로 있다. 엘리먼트 피치(PA)와 입력/출력 패드 피치(PE)가 상이하거나 또는 엘리먼트들(21)이 패드들과 정렬되지 않은 경우, 스태거된 비아들(20)이 인터포저들(13, 16) 중 하나 이상에서 사용될 수 있다. 비아들(20)을 스태거(staggering)하는 것은 기울이기(angling) 및/또는 배치에 의해 비아들을 오프셋(offset)하여서, 다른 인터포저(13, 16)의 비아들(20), 엘리먼트 피치(PA) 및/또는 패드 피치(PE)와는 상이한, 비아들(20)의 피치 및/또는 패턴을 야기한다. 도 1은, 음향 모듈의 인터포저(13)의 비아들(20)이 엘리먼트 피치(PA)로 있지만, 전자 모듈의 인터포저들(16) 둘 모두의 비아들(20)이 서로 상이한 피치들, 즉, 엘리먼트 피치(PA) 및 패드 피치(PE)로 있는 예를 도시한다. 인터포저들(13, 16)에 있는 비아들(20)이 다른 인터포저들(13, 16), 엘리먼트들(21) 및/또는 패드들과 동일한 또는 상이한 피치를 갖는 다른 어레인지먼트들이 사용될 수 있다. 주어진 인터포저(13, 16)에 있는 일부 비아들(20)이 스태거될 수 있는 한편, 다른 비아들(20)은 다른 피치들에 대해 스태거되지 않는다.
[0054] 스태거된 비아들(20)을 갖는 인터포저들(13, 16)은 ASIC(17) 또는 다수의 ASIC들(17A, 17B)로부터의 전기 I/O들을 다차원 어레이(22)의 대응하는 음향 I/O들(신호 전극들)에 매칭(match)하기 위한 신호 라우팅들을 제공한다. 스태거는, 엘리먼트 피치(PA)로 있는 트랜스듀서 엘리먼트들(21)로부터 패드 피치(PE)로 있는 입력/출력 패드들로의 전기 커넥션들을 조정한다. 스태거된 비아들(20)을 갖는 음향 및 전기 인터포저들(13, 16)(예컨대, 플렉스 회로들)은, 초음파 트랜스듀서를 위한 칩-온-어레이에서 음향 모듈과 전기 모듈 사이의 전기 인터커넥션들을 위한 I/O 피치들 및 포지션들에서 더 많은 유연성을 제공한다. 음향 피치(PA)는 전기 피치(PE)에 매칭될(matched) 필요가 없으며, 추가로, 각각의 전기 I/O가 대응하는 음향 I/O 바로 아래에 배치될 필요가 없어서, ASIC 개발들 및 선정들에서 더 많은 유연성 및 자유가 제공된다.
[0055] 임의의 수의 인터포저들(13, 16)이 포함될 수 있다. 음향 모듈에는 부가적인 인터포저들(13)이 제공될 수 있다. 음향 스택에 대한 열 응력을 감소시키기 위해 그리고/또는 더 높은 온도에 의해 제공될 수 있는 더욱 신뢰성 있는 인터커넥션에 기인하여, 부가적인 인터포저들(16)이 전자장치 모듈의 일부로서 본딩될 수 있다. 임의의 비아 스태거 및 정렬에 기반하여, 부가적인 인터포저(16)의 두께를 통하는, 그리고 필요하면, 인터포저(16)를 따르는 또는 인터포저(16) 내에 있는 전기 커넥션이 상호연결에 의해 형성된다.
[0056] 음향 모듈은 전자장치 모듈에 본딩된다. 형성된 음향 모듈 및 전자장치 모듈의 외부 인터포저들(13 및 16)은 상호연결된다. 트랜스듀서 스택이 음향 모듈에 포함되기 때문에, 인터커넥션은 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 퀴리 온도 또는 브레이크다운 온도보다 낮은 온도에서 본딩하는 재료를 사용한다. 이 인터커넥션을 경화하거나 또는 형성하기 위해 사용되는 온도는 음향 모듈을 위한 인터커넥션을 형성하기 위해 사용되는 온도와 동일하거나 또는 상이하다. 음향 모듈을 형성하기 위해 사용되는 것과 동일한 또는 상이한 재료가 모듈들을 함께 본딩하기 위해 사용된다. 예컨대, 음향 모듈은 에폭시를 사용하여 형성되고, 모듈들은 Ag 페이스트 또는 에폭시를 사용하여 함께 본딩된다. 에폭시 및 Ag 페이스트는 ACF가 사용하는 것보다 더 낮은 온도 및 압력을 사용하여 본딩한다. 저압 본딩은 서로에 대한 2 개의 인터포저들(13, 16)(예컨대, 플렉스 시트들)의 본딩 동안 ASIC(17) 및 음향 모듈의 파손을 최소화할 수 있다.
[0057] 형성된 어레이 시스템은 하우징(housing)에 배치되고, 초음파 스캐너(scanner) 또는 이미지(image) 프로세서와의 시그널링(signaling)을 위한 케이블(cable)들 또는 다른 전도체들에 전기적으로 연결된다. 인터포저들(13, 16)이 가요성 재료로 형성되는 경우, 집적 회로(17)를 넘어 연장되는 인터포저들(13, 16)은 구부러지거나 또는 형상화될 수 있다. 다수의 집적 회로들(17A, 17B)이 사용되는 경우, 어레이(22)에서의 곡률이 사용될 수 있다.
[0058] 도 3은 인터포저들(13, 16)이 경흉부 심초음파(TTE; transthoracic echocardiogram) 프로브에서의 피팅(fitting)을 위해 형상화되거나 또는 프레임 위에 놓인 예를 도시한다. 도 4는 인터포저들(13, 16)이 카테터(예컨대, 심장내 심초음파 카테터)에의 피팅을 위해 접히는 예를 도시한다. 핸드헬드 프로브와 같은 다른 프로브들, 대응하는 하우징들 및/또는 형상들이 사용될 수 있다.
[0059] 어레이(22)를 이용하여 스캐닝되는(scanned) 환자의 이미지를 생성하기 위해서 스캐닝을 제어하고 그리고/또는 스캐닝으로부터 데이터(data)를 수신하기 위해, 시스템으로 또는 시스템으로부터 신호들이 제공된다. 일 실시예에서, 인터포저들(13 및/또는 16) 상의 하나 이상의 커넥터(connector)들(30)은 케이블들 또는 다른 전도체들과 연결된다. 스캐닝을 제어하고 그리고/또는 스캐닝으로부터 초음파 데이터를 수신하기 위해, 인터포저들(13 및/또는 16) 상의 트레이스들은 (예컨대, 트레이스들 및/또는 비아들을 통해) 집적 회로(17)로 또는 집적 회로(17)로부터 신호들을 라우팅한다. 대안적으로, 집적 회로(17)의 입력/출력 패드들은 이미지 프로세서 또는 초음파 스캐너와의 시그널링을 위해 인터포저(16)와는 별개로 케이블들, 가요성 회로, 와이어들 또는 다른 전도체들과 연결된다.
[0060] 도 5는 전자장치들을 음향 엘리먼트들(21)의 다차원 또는 다른 어레이(22)와 연결하기 위한 방법의 일 실시예의 흐름도를 도시한다. 대응하는 인터포저들을 갖는 음향 모듈 및 전자장치 모듈은 병렬로 형성되거나 또는 별개로 형성되어서 별개의 시험이 가능하게 된다. 그런 다음, 모듈들은 함께 연결된다. 방법은 도 1, 도 2, 도 3, 도 4의 어레이 시스템 또는 다른 어레이 시스템을 형성한다.
[0061] 방법은 어레이 시스템 및/또는 프로브의 제조로서 구현된다. 기술자 또는 로봇(robot)이 이를테면 가이드 포스트(guide post)들 또는 프레임을 사용하여 스태킹 및 정렬한다. 본딩하거나 또는 상호연결하기 위해 오븐(oven), 아이론(iron), 인덕션 솔더러(induction solderer) 또는 웨이브 욕(wave bath)이 사용된다. 프로브 하우징에서 형상화 및 포지셔닝(position)하기 위해 프레임, 하우징 또는 홀더(holder)가 사용된다.
[0062] 부가적인, 상이한 또는 더 적은 수의 동작들이 사용될 수 있다. 예컨대, 트랜스듀서 스택이 앞서 커프된(kerfed) 경우, 다이싱(dicing)을 위한 동작(52)은 수행되지 않는다. 다른 예로서, 동작(51)에서의 인터포저와의 커넥션 전에, 음향 스택은 함께 본딩된다. 다른 예에서, 동작들(53 및/또는 56)은 수행되지 않는다.
[0063] 동작들은 도시된 순서 또는 다른 순서들로 수행된다. 동작들(50-52)은 동작들(54-55)에 독립적으로 수행된다. 음향 모듈(동작들(50-52)) 및 전자장치 모듈들(동작들(54-55))을 형성하기 위한 이러한 병렬 프로세싱(processing)은 음향 모듈 및 전자장치 모듈을 동시에 또는 임의의 순서로 형성할 수 있게 한다. 시험 동작들(53, 56)은 임의의 순서로 수행될 수 있는데, 이를테면, 음향 모듈이 시험되고 그런 다음 전자장치 모듈이 시험되거나, 그 반대이거나, 또는 서로 연결해제되어 있는 동안 동시에 시험된다.
[0064] 동작들(50-52)에서, 음향 모듈이 제조된다. 동작(50)에서, 음향 층들 및 하나 이상의 인터포저들이 스태킹된다. 포스트들 및/또는 프레임을 사용하여, 음향 모듈의 층들은 서로에 대하여 정렬 및 포지셔닝된다. 트랜스듀서의 층들은 아직 함께 본딩되지 않은 상태로 스태킹된다. 대안적으로, 트랜스듀서의 층들은 인터포저에 대하여 유닛(unit)으로서 앞서 함께 본딩되고 스태킹된다.
[0065] 스택에, 이를테면 스택의 층들 사이에 그리고/또는 이 층들 주위에, 본딩을 위한 폴리머, 페이스트 또는 다른 재료가 부가된다. 예컨대, 트랜스듀서의 바닥 층(예컨대, 디-매칭 층) 및/또는 인터포저(13)는 에폭시로 코팅된다(coated). 다른 저온(예컨대, 음향 모듈의 일부분의 퀴리 또는 브레이크다운 온도 미만임) 경화성 폴리머들이 사용될 수 있다.
[0066] 동작(51)에서, 트랜스듀서 층들(예컨대, 매칭 층, 압전 층 및 디-매칭 층)과 인터포저는 함께 연결된다. 스택은 전기 커넥션들을 위한 돌기 접촉을 형성하도록 바이스(vise)에 의해 함께 가압된다.
[0067] 압축된 스택은 가열되는데, 이를테면 오븐에 포지셔닝된다. 오븐의 온도는 스택의 임의의 구성요소의 퀴리 온도 또는 브레이크다운 온도 중 낮은 온도보다 낮다. 열은 본딩의 레이트(rate) 및/또는 강도를 증가시킨다. 열은 본딩을 활성화할 수 있다.
[0068] 커넥션은 음향 모듈을 형성한다. 돌기 접촉은 트랜스듀서 스택(예컨대, 신호 전극들, 또는 이 신호 전극들을 형성하기 위해 사용되는 평면형 전도체)과 인터포저의 재료 시트의 비아들의 전기 커넥션을 생성한다. 인터포저와 음향 스택의 층들은 함께 본딩된다.
[0069] 동일한 본딩이 트랜스듀서 스택에 대해 사용될 수 있기 때문에, 인터포저는 원-스텝 본딩의 일부로서 본딩된다. 동일한 폴리머 및/또는 동일한 경화(예컨대, 오븐에서의 배치) 이벤트(event)가 연결하기 위해 사용된다. 인터포저와 트랜스듀서 스택의 층들에 대한 경화는 동시에 수행된다. 대안적으로, 트랜스듀서 스택은 트랜스듀서 스택으로의 인터포저의 본딩과는 별개로 경화된다.
[0070] 동작(52)에서, 트랜스듀서 스택은 다이싱된다(diced). 톱(saw) 또는 레이저(laser)가 사용되어 스택에 커프(kerf)들이 형성되어서, 스택은 트랜스듀서 엘리먼트들로 분리된다. 다이싱은 압전 슬래브로부터 음향 엘리먼트들의 어레이를 형성한다.
[0071] 다이싱은, 이를테면 인터포저 상의 전도성 평면을 신호 전극들로 분리하기 위해, 인터포저로 연장될 수 있다. 대안적으로, 다이싱 및 결과적인 커프들은 인터포저로 연장되지 않는다.
[0072] 도 6은 예시적인 형성된 음향 모듈을 도시한다. 저온 경화성 에폭시는 인터포저(예컨대, 음향 플렉스)를 다이싱된 트랜스듀서 스택(예컨대, 디-매칭 층)에 본딩한다.
[0073] 동작(53)에서, 어셈블링된(assembled) 음향 모듈이 시험된다. 음향 모듈의 전기 인터커넥션을 경화하거나 또는 형성한 후에, 음향 모듈의 트랜스듀서 어레이 및 인터포저가 시험된다. 시험은 본딩 강도에 대한 것일 수 있거나 또는 다른 물리 시험일 수 있다. 시험은 음향 동작에 대한 것일 수 있다. 예컨대, 시험 장비(rig)가 재료 시트의 비아들과 전기 접촉한다. 트랜스듀서에 인가된 음향 에너지로부터 생기는, 각각의 엘리먼트에 대한 신호들이 측정될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 신호들이 비아들에 인가되고, 마이크로폰(microphone) 또는 하이드로폰(hydrophone)이 응답으로 생성되는 음향 에너지를 측정한다. 다른 시험이 수행될 수 있다.
[0074] 시험은, 전자장치 모듈의 반도체 또는 집적 회로 또는 다른 구성요소 없이 이루어진다. 별개로 시험함으로써, 시험에 실패하면, 전자장치 모듈의 구성요소들을 또한 폐기하지 않고 음향 모듈이 폐기될 수 있다.
[0075] 동작들(54-55)에서, 전자장치 모듈이 제조된다. 동작(54)에서, 집적 회로는 비아들을 갖는 하나 이상의 재료 시트들로 스태킹된다. 임의의 수의 인터포저들이 사용될 수 있다. 비아들을 갖는 시트들 및 칩은 프레임 및/또는 포스트들을 사용하여 정렬된다. 층들은 전자장치 모듈을 형성하도록 스태킹된다.
[0076] 물리적으로 그리고/또는 전기적으로 인터커넥션을 위한 폴리머 또는 다른 재료가 스택에 부가되거나 또는 스택 상에 제공된다. 예컨대, Ag 페이스트가 인터포저 상에 증착되고, Cu 필러들이 집적 회로 상에 제공된다. Cu 필러들은 칩을 제1 재료 시트에 연결하기 위해 사용될 것이다. Ag 페이스트는 재료 시트들 사이를 연결하기 위해 사용된다. 다른 실시예들에서, 동일한 재료를 사용하는 것 또는 다른 결합들이 사용될 수 있다.
[0077] 동작(55)에서, 집적 회로(예컨대, ASIC 칩 또는 칩들)는 인터포저 또는 재료 시트(예컨대, 가요성 회로 재료)에 연결된다. 스택은 이를테면 바이스에서 압축된다. 압축은 인터커넥션을 형성할 수 있는데, 이를테면, 여기서, Ag 페이스트가 사용된다.
[0078] 열이 적용된다. 솔더의 경우, 열은 아이론, 인덕션 솔더, 오븐 또는 웨이브 욕에 의해 생성된다. VCF 또는 폴리머의 경우, 오븐 또는 아이론이 사용될 수 있다. 열은 인터커넥션을 형성한다. 음향 모듈에 의해 허용되는 것보다 더 높은 온도들이 사용될 수 있는데, 이를테면, 120 ℃ 보다 높은 온도에서 신뢰성 있는 전기 본딩이 형성될 수 있다. 음향 모듈의 임의의 구성요소의 퀴리 온도 또는 브레이크다운 온도보다 높은 온도들이 사용될 수 있다. 인터커넥션은 더 높은 온도에서 형성된다. 더 낮은 온도들이 사용될 수 있다.
[0079] 상이한 시트들을 함께 연결하기 위해 동일한 또는 상이한 프로세스가 사용된다. 다수의 시트들, 그리고 칩 또는 칩들은 동일한 경화 또는 동일한 열 적용의 일부로서(예컨대, 동시에) 상호연결될 수 있고, 여기서, 인터커넥션을 형성하기 위해 동일한 또는 심지어 상이한 재료가 사용된다. 대안적으로, 하나의 시트가 하나의 기간에 칩 또는 칩들과 상호연결되고, 그런 다음, 하나 이상의 다른 시트들이 나중에 상호연결된다.
[0080] 일단 상호연결되면, 전자장치 모듈이 제공된다. 도 7은 칩 대 인터포저를 위한 Cu 필러 범프들 그리고 인터포저-대-인터포저를 위한 경화성 폴리머 또는 Ag 페이스트를 사용하여 솔더 커넥션으로 형성된 전자장치 모듈을 도시한다.
[0081] 동작(56)에서, 어셈블링된 전자장치 모듈이 시험된다. 전기 인터커넥션을 경화하거나 또는 형성한 후에, 전자장치 모듈의 집적 회로 그리고 인터포저 또는 인터포저들이 시험된다. 시험은 본딩 강도에 대한 것일 수 있거나 또는 다른 물리 시험일 수 있다. 시험은 전기 동작에 대한 것일 수 있다. 예컨대, 시험 장비가 임의의 커넥터들 그리고 재료 시트의 비아들과 전기 접촉한다. 시험 제어 신호들이 입력되고, 트랜스듀서 엘리먼트들로의 결과적인 출력 신호들이 비아들에서 측정된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 신호들이 비아들에 인가되고, 집적 회로로부터의 결과적인 출력 신호들이 측정된다. 다른 시험이 수행될 수 있다.
[0082] 시험은, 음향 모듈의 트랜스듀서 어레이 또는 다른 구성요소 없이 이루어진다. 별개로 시험함으로써, 시험에 실패하면, 음향 모듈의 구성요소들을 또한 폐기하지 않고 전자장치 모듈이 폐기될 수 있다.
[0083] 동작(57)에서, 음향 모듈은 전자장치 모듈에 본딩되거나 또는 상호연결된다. 인터커넥션은 동작들(53 및 56)에서의 모듈들의 시험 후에 형성된다. 만족스러운 시험 결과들을 갖는 모듈들이 동작(57)에서 연결된다.
[0084] 저온(즉, 음향 모듈의 구성요소의 퀴리 온도 또는 브레이크다운 온도보다 낮은 온도)에서 본딩되는 재료를 사용하여 커넥션이 형성된다. 비아들을 갖는 하나의 재료 시트가 비아들을 갖는 다른 재료 시트와 정렬되고 이 다른 재료 시트에 본딩된다. 음향 모듈의 인터포저는 전자 모듈의 인터포저에 본딩된다.
[0085] 음향 모듈은 전자장치 모듈과 스태킹된다. 폴리머(예컨대, 에폭시 또는 Ag 페이스트)가 모듈들 사이에 포지셔닝되는데, 이를테면, 인터포저들 중 하나의 인터포저 상에 증착되거나 또는 형성된다. 이 경화성 폴리머는 가열된다. 모듈들의 스택은 오븐에 배치되거나, 또는 경화되도록 다른 방식으로 가열된다. 온도는 퀴리 또는 브레이크다운 온도 미만이 되도록 제한된다. 일단 경화되면, 모듈들은 서로 본딩되어서, 트랜스듀서 시스템을 형성한다.
[0086] 재료 시트들의 비아들 그리고 층들 사이(예컨대, 신호 전극과 비아들, 비아-대-비아, 그리고 비아-대-칩의 입력/출력 패드 사이)의 전기 인터커넥션을 사용하여, 트랜스듀서 엘리먼트들로부터 집적 회로로의 전기 인터커넥션이 제공된다. 솔더링(soldering), 돌기 접촉 및/또는 경화된 전도성 페이스트가 전기적으로 상호연결한다.
[0087] 정렬에 기반하여, 재료 시트들을 통하는 전기 인터커넥션들이 피치의 전환(transition)을 가능하게 한다. 정렬된 층들은 상이한 피치들 및/또는 레이아웃(layout) 패턴들(예컨대, 그리드 포맷(format)들) 사이에서 전환되는 전기 인터커넥션들을 형성하도록 본딩된다.
[0088] 본 발명이 다양한 실시예들을 참조하여 위에서 설명되었지만, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고, 많은 변화들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러므로, 앞선 상세한 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로서 간주되며, 본 발명의 사상 및 범위를 정의하도록 의도되는 것은, 모든 등가물들을 포함하는 다음의 청구항들이라는 것이 이해되는 것이 의도된다.

Claims (15)

  1. 다차원 트랜스듀서 어레이 시스템으로서,
    이차원의 그리드(grid)로 분포된 트랜스듀서 엘리먼트들(21)을 갖는 음향 어레이(22);
    상기 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 퀴리(Curie) 온도보다 낮은 온도에서 본딩(bonding)하는 재료(14)를 이용하여 상기 음향 어레이(22)에 본딩된 제1 인터포저(interposer)(13);
    상기 음향 어레이(22)를 이용한 초음파 스캐닝을 위한 송신 회로 또는 수신 회로 중 적어도 하나를 갖는 집적 회로(17);
    상기 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 상기 퀴리 온도보다 높은 온도에서 본딩하는 재료(19)를 이용하여 상기 집적 회로(17)에 본딩된 제2 인터포저(16); 및
    상기 제1 인터포저 및 상기 제2 인터포저(16)에 형성된 비아(via)들(20)
    을 포함하며,
    상기 비아들(20)은 상기 트랜스듀서 엘리먼트들(21)을 상기 집적 회로(17)에 전기적으로 연결하는,
    다차원 트랜스듀서 어레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 퀴리 온도보다 낮은 온도에서 본딩하는 재료(14)는 에폭시(epoxy) 또는 Ag 페이스트(paste)이고, 상기 퀴리 온도보다 높은 온도에서 본딩하는 재료(19)는 이방성 전도성 필름(anisotropic conductive film) 또는 솔더(solder)이며, 그리고 상기 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 상기 퀴리 온도보다 낮은 상기 온도 또는 상기 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 상기 퀴리 온도보다 낮은 다른 온도에서 본딩하는 재료를 이용하여 상기 제1 인터포저(13)가 상기 제2 인터포저(16)에 본딩되는,
    다차원 트랜스듀서 어레이 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인터포저(13) 및 상기 제2 인터포저(16) 각각은 가요성 회로 재료를 포함하며, 상기 비아들(20)은 상기 가요성 회로 재료의 두께를 통하는,
    다차원 트랜스듀서 어레이 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 엘리먼트들(21)은 제1 피치(pitch)를 갖고, 상기 집적 회로(17)의 입력/출력 패드(pad)들은 제2 피치를 가지며, 그리고 상기 제1 피치로 있는 상기 트랜스듀서 엘리먼트들(21)로부터 상기 제2 피치로 있는 상기 입력/출력 패드들로의 전기 커넥션(connection)들을 적어도 부분적으로 조정하기 위해 상기 제1 인터포저(13)의 비아들(20)이 상기 제2 인터포저(16)에 대해 스태거되는(staggered),
    다차원 트랜스듀서 어레이 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 인터포저(16)에 본딩된 다른 집적 회로(17B)
    를 더 포함하며,
    상기 집적 회로(17A)는 상기 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 제1 서브-세트(sub-set)에 전기적으로 연결되고 상기 다른 집적 회로(17B)는 상기 트랜스듀서 엘리먼트들(21)의 제2 서브-세트에 전기적으로 연결되는,
    다차원 트랜스듀서 어레이 시스템.
  6. 초음파 트랜스듀서 프로브(probe)로서,
    다수의 층들로 형성된 인터포저(13, 16)를 통해 다차원 트랜스듀서 어레이(22)에 전기적으로 연결된 반도체 칩(chip)(17)의 칩-온-어레이(chip-on-array) 어레인지먼트(arrangement) ― 상기 다수의 층들 중 제1 층은 섭씨 120도 미만에서 경화가능한 폴리머(polymer)를 이용하여 상기 다차원 트랜스듀서 어레이(22)에 본딩되고, 상기 다수의 층들 중 제2 층은 섭씨 180도보다 높은 온도에서 형성되는 인터커넥션(interconnection)을 이용하여 상기 반도체 칩(17)에 연결됨 ―; 및
    상기 반도체 칩(17)으로의 상기 다차원 트랜스듀서 어레이(22)의 전기 커넥션들을 형성하는, 상기 층들에 있는 비아들(20)
    을 포함하며,
    상기 비아들(20)은 상기 다차원 트랜스듀서 어레이(22)의 제1 피치로부터 상기 반도체 칩(17)의 연결 패드들의 상이한 제2 피치로 피치를 변화시키도록 패터닝되는(patterned),
    초음파 트랜스듀서 프로브.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 다수의 층들 중 제1 층의 비아들(20)은 상기 제1 피치 및 상기 제2 피치와는 상이한 제3 피치로 있는,
    초음파 트랜스듀서 프로브.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 인터포저(13, 16)의 상기 다수의 층들은 가요성 회로 재료를 포함하며, 상기 비아들(20)은 상기 층들 각각의 두께를 통하여 연장되는,
    초음파 트랜스듀서 프로브.
  10. 음향 엘리먼트들(21)의 어레이와 전자장치들을 연결하기 위한 방법으로서,
    트랜스듀서 스택의 퀴리 온도보다 낮은 온도에서 경화가능한 폴리머를 이용하여 제1 비아들(20)을 갖는 제1 재료 시트를 상기 트랜스듀서 스택에 연결하는 단계(51);
    상기 트랜스듀서 스택의 상기 퀴리 온도보다 높은 온도에서 형성되는 인터커넥트(interconnect)를 이용하여 제2 비아들(20)을 갖는 제2 재료 시트를 초음파 송신 동작 또는 초음파 수신 동작 중 적어도 하나를 위한 집적 회로(17)에 연결하는 단계(55); 및
    상기 트랜스듀서 스택에 연결된 상기 제1 재료 시트를 상기 집적 회로(17)에 연결된 상기 제2 재료 시트와 본딩(bonding)하는 단계(57)
    를 포함하는,
    방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 시트를 상기 트랜스듀서 스택에 연결하는 단계(51)는 상기 제1 시트와 상기 스택의 층들 모두를 함께 동시에 본딩하는 단계를 포함하며, 상기 방법은, 상기 제1 시트에 연결된 상기 트랜스듀서 스택을 다이싱(dicing)하는 단계(52)를 더 포함하며, 상기 다이싱하는 단계는 상기 음향 엘리먼트들(21)의 어레이(22)를 형성하는,
    방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 본딩하는 단계(57)는 상기 트랜스듀서 스택의 퀴리 온도보다 낮은 온도에서 경화가능한 폴리머를 이용하여 본딩하는 단계(57)를 포함하는,
    방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 본딩하는 단계 전에 상기 제1 시트에 연결된 상기 트랜스듀서 스택을, 그리고 상기 본딩하는 단계 전에 상기 제2 시트에 연결된 상기 집적 회로(17)를 별개로 시험하는 단계(53, 56)
    를 더 포함하는,
    방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 본딩하는 단계(57)는 상기 제2 비아들(20)과는 상이한 피치를 갖는 상기 제1 비아들(20)을 이용하여 본딩하는 단계(57)를 포함하며, 상기 본딩하는 단계(57)는 상기 제1 비아들(20) 및 상기 제2 비아들(20)을 통하는, 상기 집적 회로(17)로의 상기 트랜스듀서 스택의 전기 커넥션들을 제공하는,
    방법.
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