一种超声换能器阵列的制作方法

本发明涉及无损超声检测和医疗设备领域，具体涉及一种超声换能器阵列。

背景技术：

超声效应具有高效、无损的优点，使其能够成为应用于无损检测、医疗诊断以及表面处理领域的检测手段。具体来讲，利用超声波对金属构件内部缺陷进行检查，通过超声波，可以在不破坏结构的情况下对构件内部的损坏情况进行评估，做到真正的无损检测；医用超声波则可以穿透肌肉及软组织，通过高频超声波测量了解生理或组织结构的数据和形态，发现疾病，是一种无痛、高效的诊断方法。

在超声检测和超声诊断中，图像的分辨率和超声波的频率成正比，频率越高，图像分辨率越高；而超声换能器的尺寸与超声波的频率成反比，超声波的频率越高，超声换能器的尺寸越小。例如工作频率为10mhz的超声换能器阵列，其阵元间排列周期为至少为150μm，若超声换能器阵列为相控阵，则阵元间排列周期最好小于等于75μm；工作频率为20mhz的超声换能器阵列，其阵元间排列周期为至少为75μm，若超声换能器阵列为相控阵，则阵元间排列周期最好小于等于37.5μm。随着对频率的增加，超声换能器阵列的密度越来越大，制作和封装难度越来越高，因此高密度超声换能器的封装互联成为目前超声换能器阵列探头制作技术上的巨大挑战。

传统的超声换能器阵列中，在阵列背面存在的背衬层能够起到吸收背面声波和支撑器件的作用，而利用倒装封装技术制作换能器阵列则意味着换能器的背面为厚度几十微米至几百微米的金属凸点，这将导致超声换能器阵列的声学性能大大降低。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供的一种超声换能器阵列至少用于解决上述声学性能降低以及高密度超声换能器阵列封装的问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种超声换能器阵列，包括：第一填充物1、阵元2、互连线3以及金属凸点4；第一填充物1填充阵元2的间隙，还可构成超声换能器阵列的至少两个边缘面；金属凸点4与第一填充物1正对设置，且金属凸点4与阵元2通过互连线3连接。

可选地，超声换能器阵列还包括：基板5、以及第二填充物6；金属凸点4设置于基板5上，设置于基板5上的金属凸点4与阵元2之间通过互连线3连接；第二填充物6连接基板5以及阵元2。

可选地，超声换能器阵列还包括：匹配层7、电路板8以及第三填充物9；匹配层7设置于阵元2的上方；电路板8设置于金属凸点4的下方；第三填充物9填充于金属凸点4的间隙。

可选地，互连线3的层数为至少一层。

可选地，互连线3为金属互连线。

可选地，基板5的材料包括：有机物、无机物。

可选地，第一填充物1的材料包括：有机物。

可选地，第二填充物6的材料与第一填充物1的材料可相同或不同。

可选地，第三填充物9与第一填充物1的材料可相同或不同。

可选地，金属凸点4的形状包括：球形、圆柱形以及正n棱柱，其中，n≥3。

(三)有益效果

1、通过本发明提供的将金属焊点4通过互联线3从阵元2的下方转移到间隙填充物1的下方，可以降低金属焊点对超声换能器阵列声学性能的影响，进而提高该超声换能器阵列的声学性能；

2、通过本发明提供的利用互连线3将金属凸点4转移到基板5的下方可以扩大超声换能器阵列实际焊接的面积，大大降低了后续封装和定制电路板的制作难度；

3、通过本发明提供的超声换能器阵列结构摒弃了传统的手动互联方式，依靠成熟的集成电路封装工艺使得大规模批量制作超声换能器阵列成为可能。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例提供的传统的超声换能器结构图；

图2示意性示出了本发明实施例中超声换能器阵列第一种结构的侧视图；

图3示意性示出了本发明实施例中超声换能器阵列第二种结构的侧视图；

图4示意性示出了本发明实施例中超声换能器阵列第三种结构的侧视图；

图5示意性示出了本发明实施例中超声换能器阵列第一种底面平面图；

图6示意性示出了本发明实施例中超声换能器阵列第二种底面平面图；

图7示意性示出了本发明实施例中的声学性能仿真对比图。

附图标记说明：1-第一填充物；2-阵元；3-互连线；4-金属凸点；5-基板；6-第二填充物；7-匹配层；8-电路板；9-第三填充物。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参阅图1，图1示意性示出了本发明实施例中提供的传统的倒装封装超声换能器阵列结构图。从图1中可知，该传统的超声换能器结构中不包含互连线3，金属凸点4直接连接于阵元2上，并且该超声换能器的两边缘均为阵元2。

而反观本申请，参阅图2，图2示意性示出了本发明实施例中第一种结构的侧视图。

本发明实施例中超声换能器阵列包括：第一填充物1、阵元2、互连线3以及金属凸点4；第一填充物1填充阵元2的间隙，还可构成超声换能器阵列的至少两个边缘面；金属凸点4与第一填充物1正对设置，且金属凸点4与阵元2通过互联线3进行连接。

更具体地，从图2中的侧视图中可看出，一边缘面由阵元2构成，另一边缘面由第一填充物1构成，并且本发明中金属凸点4位于第一填充物1的下方，与阵元2通过互连线3连接，且金属凸点4和第一填充物1正对设置能够降低金属凸点4对超声换能器声学性能的影响。

本发明实施例中的金属凸点4的形状既可以为球形、圆柱形，还可以为正n棱柱，其中，n≥3；该金属凸点4的形状由阵元2的排列周期决定。同时，当该金属凸点4的形状为球形时，该球形的直径一般大于等于80μm。当该金属凸点4的形状为圆柱形时，圆柱直径最小可至50μm。金属凸点4的尺寸越小，使得单位面积内制备得到的金属凸点4的个数越多，进而能够使得高频的超声换能器的制备成为可能。

本发明实施例中的阵元2为压电材料，且本发明实施例中的互连线3为金属互连线，例如可以为铜导线，该铜导线从压电材料阵元的一端引向金属凸点4，使得阵元2、互连线3以及金属凸点4三者之间能够形成电学互连。更进一步地，本发明实施例中的互连线3在图2中仅为一层，但实际上根据阵元2的个数、超声换能器阵列的设计需求以及工艺能力的增强可以制备多层的互连线3，即该互连线3的层数为至少一层。

参阅图3，图3示意性示出了本发明实施例中第二种结构的侧视图。从图3中可看出，该超声换能器阵列还包括基板5、以及第二填充物6；金属凸点4设置于基板5上，设置于基板5上的金属凸点4与阵元2之间通过互连线3连接；第二填充物6连接基板5以及阵元2。该结构使得金属凸点4不仅可以设置在第一填充物1下方，还可以设置于第一填充物1之外，例如本发明实施例中将金属凸点4设置于基板5上，并且金属凸点4通过互连线3与阵元2连接，该结构能够扩大该超声换能器阵列实际焊接的面积，大大降低了后续封装和定制电路板的制作难度。

本发明实施例中基板5的材料包括有机物以及无机物，材料的选择由封装工艺难度、超声换能器阵列设计需求和封装工艺成本决定。

参阅图4，图4示意性示出了本发明实施例中第三种结构的侧视图。该超声换能器阵列还包括：匹配层7、电路板8以及第三填充物9；匹配层7设置于阵元2的上方；电路板8设置于金属凸点4的下方；第三填充物9填充于金属凸点4的间隙。

本发明实施例中匹配层7为声学匹配层，该匹配层7的作用是改善该超声换能器阵列的声学性能；该第三填充物9填充于金属凸点4的间隙既能够改善该超声换能器阵列的声学性能，也能够增加组装结构的稳定性以及可靠性；例如可以通过焊接技术将金属凸点4与电路板8倒装焊接在一起，得到倒装的二维高频超声换能器阵列。

参阅图5，图5示意性示出了本发明实施例中超声换能器阵列的第一种底面平面图。从图5中可看出，每四个阵元2均包括一中间区域，金属凸点4通过互连线3连接于该中间区域上，这一结构能够提高该超声换能器阵列的声学性能。

参阅图6，图6示意性示出了本发明实施例中超声换能器第二种底面平面图。从图6中可看出，每两个阵元2均包括一中间区域，金属凸点4通过互连线3连接于该中间区域上，这一结构能够使得该超声换能器阵列的声学性能提高。

参阅图7，图7示意性示出了本发明实施例中的声学性能仿真对比图。图7中的颜色较深的实线曲线表示传统结构中，将金属凸点4设置在阵元2的下方时的超声换能器阵列的声学性能曲线；图7中颜色较浅的虚线曲线表示本发明中将金属凸点4设置在第一填充物1的下方时该超声换能器阵列的声学性能曲线；图7中纵坐标在-6db时的直线表示回波响应为-6db时的频率，-6db处的最大频率减去最小频率得到的频率为带宽，带宽是超声换能器阵列声学性能好坏的重要指标，也即，带宽越大，超声换能器阵列的声学性能越优异。图7中的仿真结果显示，当传统结构的超声换能器和本发明中的超声换能器阵列在结构以及尺寸均相同的情况下，传统结构在-6db时的带宽1.693mhz，而本发明中的结构的-6db带宽为4.023mhz，本发明中的-6db带宽远远大于传统结构中的-6db带宽，因此本发明结构对应的声学性能优于传统结构对应的声学性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。