专利名称：超声变换器和将倒装二维阵列技术应用于弯曲阵列的方法
本公开总体上涉及用在医学超声领域的变换器阵列，更具体而言，涉及一种将倒装二维阵列技术应用于弯曲阵列的方法和设备。
在医学超声领域，二维变换器阵列通常用来在超声诊断成像过程中传输和接收超声波或声波。二维阵列技术的状况是，其通常包括具有大约三千个(3000)变换器元件的平面阵列。在一种超声变换器设计中，阵列的所有变换器元件通过倒装技术用传导凸块附接于并单个地电连接于集成电路(IC)的表面。该IC提供各元件的电控，例如用于波束形成、信号放大等。
图1中描述了超声变换器一般设计的例子。该超声变换器10包括声学元件12的平面阵列，声学元件12通过倒装传导凸块16连接于集成电路14的表面。倒装充填材料18包含在倒装传导凸块16、集成电路14和声学元件12的平面阵列之间的区域内。变换器10还包括变换器基座20和互连电缆22。互连电缆22用于在集成电路14和外部电缆(未示出)之间互连。集成电路14采用现有技术中已知的技术通过引线结合电线24而电连接于互连电缆22。
图2是超声探测头30的平面视图，带有包含图1中传统型超声变换器10的探测头一部分32的局部剖视图。图3是包含传统型超声变换器10的探测头的该部分32的局部剖视图的放大视图。如上所述，该传统型声学阵列是平面的因而变换器10也是平面的。从人机工程的角度(即探测头接触度和病人舒适度)来讲，用于与病人相接触的探测器30的该部分的优选形状为凸面。
为了将声学阵列的平面表面改变为探测头的人机工程凸面形状，通常利用分离界面部来促使转变。例如，如图3所示，声学窗口或透镜34设置在平面变换器10的顶面上。声学透镜34提供从平面变换器表面到探测头30的人机工程凸面形状的转变。此外，物理结构部件36和38将变换器10和声学透镜34固定在探测头30内部。然而，诸如声学透镜34的界面部直接在变换器阵列的传声路径中的添加是非常不利的。即，由界面材料的声波衰减引起的声波损耗和从每个界面带来的混响被引入传声路径。其结果是，声波损耗和混响的现象降低了超声变换器探测头的声学性能。
此外，人们注意到倒装二维变换器阵列具有许多有利之处。例如，该有利之处包括具有尽可能最短的电连接路径(小电容)、尽可能最少的电接头数量、简单性、尺寸、成本等。然而，虽然倒装技术可被用于大多数变换器设备，它还有着明显的局限性。即，IC制造技术局限于平面零部件。其结果是，这使得倒装技术的应用仅仅限制于平面变换器阵列。然而，存在大量的用于弯曲变换器阵列的应用基础，并且弯曲变换器阵列的市场份额目前尚不能被倒装技术所占据。
因此，期望一种改良的超声变换器及其制造方法以克服现有技术问题。
一种超声变换器探测头包括支撑基底、集成电路和压电元件阵列。该支撑基底具有非线性表面。集成电路物理连接于该支撑基底并叠加在该非线性表面，其中该集成电路基本上对应于该非线性表面的形状。压电元件阵列连接于该集成电路。
图1是传统型超声传感器的平面视图；图2是超声探测头的平面视图，带有包含传统型超声变换器的探测头一部分的局部剖视图；图3是包含图2中传统型超声变换器的探测头的一部分的局部剖视图的放大视图；图4-6是根据本公开中实施例的弯曲倒装二维超声变换器在各成形步骤中的剖视图；图7是根据本公开中实施例的超声变换器的集成电路一部分的剖视图；图8是包含根据本公开中实施例的超声变换器的探测头一部分的局部剖视图；以及图9是带有根据本公开中实施例的超声变换器的超声诊断成像系统的方框图。
现在参看剖视图4-6，将论述根据本公开中实施例的弯曲倒装二维超声变换器的各形成步骤。本公开的实施例提供了将倒装二维阵列技术应用于弯曲阵列的途径。在一个实施例中，超声变换器40的形成开始于利用现有技术中已知的倒装技术将集成电路(IC)42连接于声学材料堆44。如图4中所示，集成电路42通过倒装传导凸块46电连接于声学材料堆44。集成电路42、声学材料堆44和传导凸块46之间还提供有填充材料48。
简而言之，本公开的倒装二维阵列具有连接于IC的两组电接头。一组接头介于IC和声学元件之间。另一组接头提供变换器到打算采用变换器的超声系统的连接。
第一组接头可通过众多各种各样不同的倒装技术中的一种来获得。在所有的情况下，首先接头的一侧或两侧或与镀层金属凸块、丝网印刷的传导性环氧树脂凸块碰撞、通过金丝球超声焊进行碰撞，或与熔化和回流的焊料球碰撞。第二步，两部分拢合并连接。此外，存在各种实现凸块和IC基底之间或凸块到凸块的不连续连接的结合技术。在最简单的情况下，凸块末端与IC基底之间存在直接连接。通常，在凸块末端和基底之间添加少量传导性环氧树脂是有利的。另一可能性是使用各向异性传导粘合剂来促进凸块和基底之间的连接。再另一变化是回流焊料倒装法，其中熔化的焊料用于实现凸块连接。
然而在所有的情况下，均需要填充。由于仅有凸块的连接可能对组件的强度而言是不够的，填充的功能是将两部分切实保持在一起。此外，一些倒装法的变形要求填充所提供的接头具有良好的密封性。在倒装二维阵列的情况下，还需要实现另一个功能，即完成填充。在倒装法完成之后，进行切块工艺以将声学堆分离为单个的元件。分离切割要比声学堆的最后一层更深，但不会过深而到达IC。该填充另一功能是支撑每个单个的元件。
连接于IC的第二组接头可通过引线接合(如这里会进一步结合图6进行描述)或其它方式来实现。可被使用的可能的连接方法的例子是焊接工艺、超声波焊、热压焊、激光焊、传导弹性体、各向异性传导粘合剂、倒装法等。
再参看图4，集成电路42可包括一个或多个硅基、镓基或锗基的集成电路。在一个实施例中，集成电路42具有大约5-50微米的厚度。该厚度范围的益处是集成电路变得有柔性。
继连接了集成电路和声学材料堆之后，声学材料堆44利用现有技术中已知的切块工艺而被切成单个的声学元件(图5)。出于描述的目的，几个单个的声学元件由附图标记50指示，其中相邻的单个声学元件被由切块操作引起的间隙52分离。声学堆的切块形成了声学元件阵列，例如，其中声学元件包括压电元件。在一个实施例中，压电元件阵列包括变换器元件的二维阵列。
因此，在将声学材料板分离为单个元件的切块操作之后，组件(即，IC和声学元件)将成为非常有柔性并可以弯曲到适于不同超声变换器探测头应用的期望曲率。例如，一种应用可以包括腹部弯曲线性阵列(CLA)设备，其中曲率半径选择为与大尺寸变换器探测头相适应。另一应用可包括例如穿过阴道的CLA阵列应用，其中曲率半径选择为与小尺寸变换器探测头相适应。
如图6所示，超声变换器40包括具有非线性表面的支撑基底54，集成电路42物理连接于该支撑基底54并叠加在该非线性表面，其中该集成电路基本对应于该非线性表面的形状，并且压电元件50的阵列连接于该集成电路42。在制造过程中，超声变换器40的切块结构附接于支撑基底54。集成电路42利用粘合剂、环氧树脂或其它适当的附着装置物理连接于支撑基底。
支撑基底54具有非线性表面55。优选地，该非线性表面55包括光滑弯曲表面。该光滑弯曲表面具有根据期望的超声变换器探测头的应用而选择的曲率半径。例如，超声变换器探测头应用可包括心脏应用、腹部应用、经食管(TEE)应用。
根据本公开中的实施例，如这里所述的，IC变薄为具有大约5-50微米的厚度从热性能角度来讲也是非常有利的。在装置操作期间，热量产生导致装置的温度上升。装置变热是不期望的并且在大多数变换器设计中，必须在其中结合专门的传热通道。由于IC的硅材料处于直接传热通道中，并且硅材料不是良好的导热体，因而IC的变薄提供了额外的益处。为了进一步改善热性能，为支撑结构选择高导热材料是有利的。某些情况下存在一种附加的阵列衰减的需求来改善声学性能，在这些情况下为支撑材料选择高声波衰减材料是有利的。
在一个实施例中，支撑基底54包括一种高导热材料。该导热材料优选地具有处于大约45W/mk至420W/mk范围内的导热率。该导热材料可包括黄铜、铝、锌、石墨或带有处于以上指定范围内的合成导热率的几种材料的合成物。在另一实施例中，支撑基底54包括一种声波衰减材料，该衰减材料适宜于在大约10dB/cm(在5兆赫下)至50dB/cm(在5兆赫下)的范围内衰减声波。该用于声波衰减的支撑基底材料可包括高硬度橡胶或由环氧树脂和极高与极低声阻抗粒子的混合物组成的环氧复合材料。更进一步来说，支撑基底可包括一种同时具备高导热性和高声波衰减的基底。
仍参看图6，超声变换器40还包括互连电缆56。互连电缆56用于在集成电路42和外部电缆(未示出)之间互连。集成电路42采用现有技术中已知的引线接合技术通过引线结合电线58而电连接于互连电缆56。
图7是根据本公开中实施例的超声变换器40的集成电路42一部分的剖视图。集成电路42包括钝化层60和硅集成电路部分62。集成电路部分62包括包含电路层的活性区域。集成电路的活性区域包括用以执行超声变换器探测头的至少一个控制处理和信号处理功能的电路系统的各种电路层(未示出)。钝化层60包括任何适当的电介质、玻璃或绝缘层。钝化层60叠加在集成电路部分62的活性区域上。图7还在集成电路42的该部分的剖视图中显示了″无应力区″64的位置。在集成电路弯曲期间，张紧应力产生在集成电路的″外侧″部并且集成电路的内侧部具有压缩应力。此外，该剖视图中具有一个″无应力″的位置。该″无应力区″64的位置依赖于层60和层62的尺寸，同时依赖于层60和层62的材料的弹性模量。
钝化层60的厚度、集成电路部分62的厚度以及钝化层的弹性模量被选择为确保弯曲结构的″无应力区″与集成电路62的活性区域相一致。该弯曲结构包括集成电路部分62和钝化层60的联合结构，其具有由附图标记68指示的曲率半径r。
联合层的厚度与曲率半径被选择为使得弯曲结构的特征包括伸展的顶层、压缩的底层及处于中性应力之下的中心区域(顶层和底层之间)，其中中心区域对应于弯曲结构的中性纤维区域。换句话说，平衡钝化层60的厚度和集成电路部分62的厚度以在活性区域的活性电路层区域内提供″中性纤维″的位置。其结果是，制造根据本公开实施例的超声变换器探测头时，在弯曲集成电路的过程中，活性区域的电路系统基本不受应力。
图8是根据本公开中实施例的包含超声变换器40的探测头70一部分的局部剖视图。该超声变换器70包括叠加在变换器40的压电元件42的阵列上的保护层72。该保护层72的厚度大约为0.001到0.20英寸。保护层72具有基本对应于压电元件42的阵列和支撑基底54的非线性表面的形状。保护层72的形状包括基本与压电元件42的阵列和支撑基底54的非线性表面的曲率半径大致相当的曲率半径。换句话说，阵列的弯曲形状设计为通过该对应的保护层与病人相接触而无需在传声路径中附加改变阵列形状的材料。在一个实施例中，保护层72包括聚乙烯。此外，物理结构部件74和76将变换器40和保护层72固定在探测头70内部。
本公开中实施例的一个优点在于弯曲变换器阵列可以获得变换器探测头更佳的人机工程性能。探测头/变换器探测头的病人接触部，对应于打算与病人相接触的部分，其优选形状从人机工程的角度而言为凸面。因此，人机工程性能关系到探测头的接触度和病人的舒适度。此外，由于保护层72基本上对应于压电元件42的阵列，由保护层的声波衰减引起的声波损耗和被引入传声路径中的混响都是最小的。其结果是，本公开的实施例为超声变换器探测头提供了改良的声学性能。
图9是带有根据本公开中实施例的超声变换器的超声诊断成像系统80的方框图。超声诊断成像系统80包括适于与超声变换器探测头70一起使用的基本单元82。超声变换器探测头70包括这里所述的超声变换器40。基本单元82包括附加的用来执行超声诊断成像的传统电子设备。超声变换器探测头70通过适当的连接而连接于基本单元82，例如通过电子电缆、无线连接或其它合适的装置。
根据另一实施例，超声变换器探测头的制造方法包括提供具有非线性表面的支撑基底，将集成电路物理连接于该支撑基底并叠加在该非线性表面，其中该集成电路基本对应于该非线性表面的形状，并且将压电元件阵列连接于该集成电路。在一个实施例中，将压电元件阵列连接于该集成电路的过程包括使用倒装传导凸块接头。
另外如这里所述，集成电路包括活性区域和叠加在活性区域的钝化层，其中该集成电路的厚度和钝化层的厚度被选择为确保弯曲结构的中性纤维与集成电路的活性区域相一致，其中该弯曲结构包括集成电路和钝化层。在一个实施例中，集成电路具有大约5-50微米的厚度。
该方法还可包括相对于压电元件阵列提供叠加的保护层，该保护层具有基本对应于压电元件阵列和支撑基底的非线性表面的形状。保护层的形状优选地包括基本与压电元件的阵列和支撑基底的非线性表面的曲率半径大致相当的曲率半径。在一个实施例中，保护层为聚乙烯。
虽然只是一些示例性的实施例在以上进行了描述，本领域的技术人员很容易想见，在本质上不脱离本公开中的实施例的新颖性教导和有利之处的情况下，可以在该示例性实施例中做出许多修改。因此，如随后的权利要求所定义地，所有这些修改应包括在本公开中实施例的范围之内。权利要求中，装置加功能的字句将涵盖用于实现所述功能的在此所描述的结构，不但包括结构等同的而且包括相同的结构。
权利要求
1.一种超声变换器探测头，包括具有非线性表面的支撑基底；物理连接于该支撑基底并叠加在该非线性表面的集成电路，其中该集成电路基本上对应于该非线性表面的形状；以及连接于该集成电路的压电元件阵列。
2.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，其中所述集成电路通过粘合剂和环氧树脂中的至少一种物理附接于该支撑基底。
3.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，其中所述支撑基底的非线性表面包括平滑弯曲表面。
4.根据权利要求3所述的超声变换器探测头，其中该平滑弯曲表面具有根据期望的超声变换器探测头应用而选择的曲率半径，其中该期望的超声变换器探测头应用包括心脏应用、腹部应用和经食管应用中的一个。
5.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，其中所述集成电路的厚度约为5-50微米。
6.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，其中所述集成电路包括活性区域，所述超声变换器探测头还包括叠加在所述集成电路的活性区域上的钝化层，其中所述集成电路的厚度和所述钝化层的厚度被选择为确保弯曲结构的中性纤维与所述集成电路的活性区域相一致，其中该弯曲结构包括所述集成电路和所述钝化层。
7.根据权利要求6所述的超声变换器探测头，其中所述集成电路的活性区域包括用来执行所述超声变换器探测头的控制处理和信号处理功能中至少一个的电路系统。
8.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，其中所述集成电路包括硅基、镓基和锗基集成电路中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，其中所述压电元件阵列包括压电变换器元件的二维阵列。
10.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，其中所述压电元件阵列通过倒装传导凸块接头而连接于所述集成电路。
11.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，其中所述支撑基底包括高热传导材料，该传导材料的导热率大约介于45W/mk至420W/mk范围内。
12.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，其中所述支撑基底包括高声波衰减材料，该衰减材料在5MHz下，在介于大约10dB/cm至50dB/cm的范围内衰减声波。
13.根据权利要求1所述的超声变换器探测头，还包括叠加在压电元件阵列上的保护层，所述保护层具有基本对应于所述压电元件阵列和所述支撑基底的非线性表面的形状。
14.根据权利要求13所述的超声变换器探测头，其中所述保护层的形状包括基本与所述压电元件阵列和所述支撑基底的非线性表面的曲率半径大致相当的曲率半径。
15.根据权利要求13所述的超声变换器探测头，其中所述保护层包括聚乙烯。
16.一种超声变换器探测头，包括具有非线性表面的支撑基底；物理连接于所述支撑基底并叠加在该非线性表面上的集成电路，其中所述集成电路基本上对应于该非线性表面的形状，并且其中所述集成电路包括活性区域和叠加在该活性区域上的钝化层，其中所述集成电路的厚度和所述钝化层的厚度被选择为确保弯曲结构的中性纤维与所述集成电路的活性区域相一致，其中该弯曲结构包括所述集成电路和该钝化层；以及通过倒装传导凸块接头连接于所述集成电路的压电元件阵列。
17.根据权利要求16所述的超声变换器探测头，其中所述支撑基底的非线性表面包括平滑弯曲表面，该平滑弯曲表面具有根据期望的超声变换器探测头应用而选择的曲率半径，其中该期望的超声变换器探测头应用包括心脏应用、腹部应用和经食管应用中的一个。
18.根据权利要求17所述的超声变换器探测头，其中所述集成电路的厚度约为5-50微米。
19.根据权利要求16所述的超声变换器探测头，还包括叠加在所述压电元件阵列上的保护层，所述保护层具有基本对应于所述压电元件阵列和所述支撑基底的非线性表面的形状。
20.一种适于使用超声变换器探测头的超声诊断成像系统，所述超声变换器探测头包括具有非线性表面的支撑基底；物理连接于该支撑基底并叠加在该非线性表面上的集成电路，其中该集成电路基本上对应于该非线性表面的形状；以及连接于该集成电路的压电元件阵列。
21.一种制造超声变换器探测头的方法，包括提供具有非线性表面的支撑基底；将集成电路物理连接于该支撑基底并叠加在该非线性表面上，其中该集成电路基本上对应于该非线性表面的形状；以及将压电元件阵列连接于该集成电路。
22.根据权利要求21所述的方法，其中将压电元件阵列连接于该集成电路的步骤包括通过倒装传导凸块接头连接。
23.根据权利要求21所述的方法，其中该集成电路包括活性区域和叠加在活性区域上的钝化层，其中该集成电路的厚度和钝化层的厚度被选择为确保弯曲结构的中性纤维与该集成电路的活性区域相一致，其中该弯曲结构包括集成电路和钝化层。
24.根据权利要求21所述的方法，其中该集成电路的厚度约为5-50微米。
25.根据权利要求21所述的方法，还包括相对于该压电元件阵列叠加保护层，该保护层具有基本对应于该压电元件阵列和该支撑基底的非线性表面的形状。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述保护层的形状包括基本与所述压电元件阵列和所述支撑基底的非线性表面的曲率半径大致相当的曲率半径。
27.根据权利要求25所述的方法，其中该保护层包括聚乙烯。
全文摘要
一种超声变换器探测头(40)包括支撑基底(54)、集成电路(42)和压电元件(50)的阵列。支撑基底(54)具有非线性表面(55)。集成电路(42)物理连接于支撑基底(54)并叠加在该非线性表面(55)，其中该集成电路(42)基本上对应于非线性表面(55)的形状。压电元件(50)的阵列连接于该集成电路(42)。
文档编号B06B1/06GK1890031SQ200480036233
公开日2007年1月3日 申请日期2004年12月1日 优先权日2003年12月4日
发明者W·苏多尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司