(57)【要約】【課題】接着剤が半導体基板などのデバイス基板の端部にまわり込まず、支持基板に設けられた溝に流れ込む様にした探触子を提供する。【解決手段】探触子は、複数の静電容量型セルを配置したデバイス基板１と、外部と電気的に接続される外部配線基板４のリード端子５がある端部とが、同一の支持基板２上に搭載され、デバイス基板１のセルに接続されている電極パッド７と配線基板４のリード端子５とが電気的に接続されている。支持基板２の表面に少なくとも１つの溝３が設けられており、デバイス基板１が接着剤により支持基板２上に接着され、デバイス基板１の電極パッド７がある端部が溝３上に位置している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の静電容量型セルを配置したデバイス基板と、外部と電気的に接続される外部配線基板のリード端子がある端部とが、同一の支持基板上に搭載され、前記デバイス基板のセルに接続されている電極パッドと前記配線基板のリード端子とが電気的に接続されている探触子であって、
前記支持基板の表面に少なくとも１つの溝が設けられており、
前記デバイス基板が接着剤により前記支持基板上に接着され、
前記デバイス基板の電極パッドがある端部が前記溝上に位置していることを特徴とする探触子。
【請求項２】
前記デバイス基板が半導体基板であり、前記外部配線基板がフレキシブル配線基板であることを特徴とする請求項１に記載の探触子。
【請求項３】
前記配線基板のリード端子がある端部が接着剤により前記支持基板上に接着され、前記配線基板のリード端子がある端部が何れかの前記溝上に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の探触子。
【請求項４】
前記電極パッドと前記リード端子とがワイヤボンディング又は異方性導電フィルム（ACF）により電気的に接続され、前記配線基板のリード端子がある端部或いはACFエッジタッチ相当部分が、前記溝の付近の領域上に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の探触子。
【請求項５】
前記支持基板が、支持の機能とともに吸音の機能を持つことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の探触子。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１項に記載の探触子と、
光を発生する光源と、
前記探触子から出力される信号を処理する信号処理部と、
を有し、
該光源から発せられて被検体にあてられた前記光によって生じる光音響波を前記探触子で受信し、電気信号に変換された信号を前記信号処理部で処理することで被検体の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置等に用いられる超音波探触子などの探触子に関する。より詳しくは、複数の静電容量型セルを備える探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置等に用いられる超音波探触子中の静電容量型トランスデューサは、複数の振動子ないしセルを備えて形成され、超音波周波数の電気信号（駆動信号）により振動子を駆動して該信号を超音波に変換して超音波を被検体に送波する。また、被検体内で反射される超音波の反射エコーを振動子により受波して、超音波を電気信号に変換する。
【０００３】
静電容量型トランスデューサを構成する振動子としては、ＣＭＵＴ（Capacitive
Micromachined Ultrasound Transducer）と称される振動素子が提案されている（特許文献１参照）。ＣＭＵＴは、静電容量型振動子であり、絶縁材からなる膜体に一方の電極を形成し、空間を挟んで他方の電極を対向させて配置し、その一対の電極間に駆動信号を印加することで膜体を振動させて超音波を発生させる。または、超音波が膜体を振動させることにより、前記一対の電極間の静電容量の変化が発生し、超音波が電気信号として検出される。
【０００４】
このようなＣＭＵＴを用いて超音波探触子を形成する場合、通常は、複数のＣＭＵＴにより１つのエレメントを形成し、そのエレメントが同一の半導体基板上に１次元又は２次元に複数配列されて形成される。各ＣＭＵＴの超音波送受信面側に配置される振動膜側の電極は、半導体基板の端部に設けられたエレメントの電極パッドに個別に接続される。各電極パッドは、フレキシブル配線基板などの外部配線基板に形成されたリード端子にワイヤボンディングにより接続され、リード端子を介して外部からエレメントに駆動信号が印加されるように構成される（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開２００５／０２０３４０９Ａ１
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Omer Oralkan,et．a1．”VolumetricUltrasound Imaging Using 2-D ＣＭＵＴ Arrays，”IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS，FERROELECTRICS，AND CONTROL，VOL．50，N0．11，PP．1581-1594，NOVEMBER 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のようにエレメントを設けた半導体基板の端部に設けられた電極端子とフレキシブル配線基板のリード線を接続するために、半導体基板と配線基板のリード端子は、ワイヤボンディングできるように隣接して配置される。そして、半導体基板と配線基板は同一の支持基板に接着される。この接着においては、半導体基板と支持基板との間に、可能な限り均一に接着剤が塗布されていることが好ましい。それは、接着面に空気等の異物が混入したり、部分的に接着剤が塗布されていない領域があったりすると、その部分での音響特性が変化し、振動子の送受信の特性に影響を与えてしまうからである。そのため、接着剤を塗布し、支持基板と半導体基板の両者に押圧をかける手法、あるいは十分な量の接着剤を塗布する手法などにより、接着剤中に空気が混入しない、あるいは塗布されていない領域が生じないように、接着が行われている。しかし、このような接着手法では、半導体基板の端部から接着剤がはみ出すことがある。特に２次元にエレメントが複数配列された超音波探触子においては、その接着面が広くなるために顕著となる。半導体基板の端部にはみ出た接着剤は、その表面張力により半導体基板の端部上面に拡がり、ワイボンディングする電極面を汚染することがあり、このような汚染は、ワイヤボンディングの接続不良を発生させる。フレキシブル配線基板のリード端子に関しても同様の現象が発生する傾向があり、ワイヤボンディングの接続不良を発生させることがある。
【０００８】
本発明は、このような接着剤の半導体基板あるいは配線基板などからのはみ出しを抑制し、ワイヤボンディングの接続不良等が発生しにくい構成とした探触子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の探触子は、複数の静電容量型セルを配置したデバイス基板と、外部と電気的に接続される配線基板のリード端子がある端部とが、同一の支持基板上に搭載され、前記デバイス基板のセルに接続されている電極パッドと前記配線基板のリード端子とが電気的に接続されている。そして、前記支持基板の表面に少なくとも１つの溝が設けられており、前記デバイス基板が接着剤により前記支持基板上に接着され、前記デバイス基板の電極パッドがある端部が前記溝上に位置していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、接着剤は半導体基板などのデバイス基板の端部にまわり込まず、支持基板に設けられた溝に流れ込む。また、同様に、配線基板のリード端子がある端部にも接着剤がまわり込まないようにすることもできる。そのため、接着剤が、デバイス基板の電極パッド面や、配線基板のリード端子面を汚染することが抑制され、良好なワイヤボンディング等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による探触子の実施形態の断面図。
【図２】図１の上面図。
【図３】探触子の別の実施形態の断面図。
【図４】探触子の実施例の断面図。
【図５】探触子の別の実施例の断面図。
【図６】DA材の塗布条件とDA材描画パターンを説明する図。
【図７】DA材の塗布条件による過不足状態時の課題を説明する図。
【図８】支持基板の溝加工状態を示す図。
【図９】本発明の探触子を含む被検体情報取得装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の探触子では、接着剤が半導体基板などのデバイス基板の端部にまわり込まない様にするために、支持基板の表面に少なくとも１つの溝が設けられ、デバイス基板の電極パッドがある端部が溝上に位置している。
【００１３】
以下、本発明の探触子及びその製造方法の実施形態と実施例を説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１による、ＣＭＵＴないし静電容量型セルを形成したデバイス基板である半導体基板１と外部配線基板であるフレキシブル配線基板（FPC）４とが同一の支持基板上に搭載された探触子の断面を示す。図２は、複数のＣＭＵＴからなるエレメント（超音波センサ部）８からの電極配線が、半導体基板１の端部に電極パッド７として接続のために配置されている例を示す。半導体基板１は、Si結晶基板が用いられており、マイクロマシニングで用いられる微細加工技術により、ＣＭＵＴが形成されている。
【００１４】
このような半導体基板１は、フレキシブル配線基板４と接続するために支持基板２に接着されている。支持基板２としては、通常のFR４などのPCB基板や、ガラス基板、またはSi基板などを用いることができるが、これに限定されない。また、支持基板２には、少なくも１つ以上の溝３が設けられている。溝３は、ワイヤボンディング（Auワイヤ６で示す）する位置に１つ設ける場合や、図３に示す様に、半導体基板１の端部とフレキシブル配線基板４のリード端子５の端部の下に来る個所の各々に設けることもできる。溝３の大きさは、ワイヤボンディングのループにより、適宜定めることができるが、通常は数１００μｍから数ミリ幅の範囲にある。溝３の断面形状は、矩形が一般的であるが、これに限定されわけではない。その加工方法によって、溝３の側壁部がテーパ形状になったり曲面状になったりしても、なんら問題はない。
【００１５】
溝加工は、基板の材質により手法は適宜選択される。例えば、FR4などのPCB基板では、ルーターやダイシングにより溝加工をすることができる。また、ガラス基板の場合は、ダイサーによるハーフカットやエッチング及びサンドブラスト等で溝形成することができる。図８は、溝加工された状態の支持基板２の一例を示す。溝加工された支持基板２には、接着剤が塗布される。接着剤は、ダイアタッチ（DA）材と呼ばれる接着剤を用いることが多いが、これに限定されるものではない。エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂等の無溶剤系の接着剤を用いることもできるが、中でもエポキシ樹脂系のような、ボンディングパッドを汚染しないような接着剤が好ましい。
【００１６】
接着剤は、塗布前に真空撹拌脱泡機などにより、脱泡をしたうえで塗布される。これにより、空気などの気泡の接着剤への混入を抑制することができる。接着剤の塗布は、支持基板に半導体基板やフレキシブル配線基板を設置するときに、支持基板の接地面全体に接着剤が展開され、濡れない部分が出ないように塗布量ないし吐出量と塗布パターンが設定される。塗布量の管理は次の様に行われる。塗布状態は、図７に示すように（a‐1）、（b‐1）、（c‐1）のケースがある。（a‐1）は塗布量が少なすぎた場合で、（a‐2）に示す様にデバイス基板の下に空隙（DA材不足に依る空隙部）１１ができてしまう。空隙１１がセンサ部８にかかると音響的に不整合を起こし、超音波が反射されやすくなるため、センサ信号を劣化させる。そればかりではなく、電極接続部のボンディングパッド７下に空隙ができた場合は、ワイヤボンディング時の超音波エネルギーが緩和されボンディング不能に陥ることがある。吐出圧力と吐出量の関係により吐出量条件を示す図６（a）の（A）領域がこれに該当する。
【００１７】
次に、図７の（c‐1）の場合は、（a‐1）とは対照的に塗布量が多すぎた場合を示す。この場合は、もともとFPC４がボンディングされる領域LfpcにまでDA材１２の浸み出しが及び、FPCのボンディングが不能になる（（c‐2）の（2）参照）。また、それだけではなく、DA材の硬化過程でDA材の粘度が低下したときに、表面張力でデバイス基板の表面即ちボンディングパッド上にまでDA材１３が這い上がり、電極を汚染してワイヤボンディングが不可能となってしまうことがある。図６（a）の（C）領域がこれに該当する。
【００１８】
DA材の適切なパターンの適量塗布を実現して図７の（b‐1）のようにするわけであるが、こうしても、工程のバラツキを考慮するとFPC４のボンディング領域LfpcへのDA材の浸み出しは予想される（（b‐2）の（1）参照）。また、浸み出し量が少ないとはいえ、デバイス基板表面への接着剤の這い上がりは完全には排除できない。そこで、この浸み出し分を吸収するために本発明の特徴である溝３の形成を行うこととなる。図７の（b‐1）の状態を実現するためには、ディスペンサの吐出量管理が必須であり、図６（a）の（B）領域に示すような特性データを採る必要がある。
【００１９】
このデータは、ディスペンサの吐出圧力と、環境温度、及びDA材の粘度で確定する。前者の２つは管理できるが、DA材の粘度は、シェルフライフ内であっても、時間と共に微妙に上昇を続けるので、その都度、特性直線を補正する必要がある。図６（a）で示す直線は少しずつその傾きを小さくしていくことを前提にして、吐出量の調整を行うことが必要である。
【００２０】
以上のように接着剤が塗布された支持基板２に対して、半導体基板１はその電極パッド７側の端部が支持基板の溝３の領域上に位置するようにアライメントされて、接地される。接地後に押圧をかける場合が多いが、必ずしも圧力を印加する必要はない。接地後に熱硬化させることにより接着剤の粘度が一時的に低下し、表面張力で自動的に半導体基板全域に充填され、半導体基板１は接着される。このようにして接着された半導体基板１においては、その端部にある余分な接着剤が溝３側に流れ込むために、表面張力により端部から半導体基板の表面側に接着剤が伸びていき電極パッド７を汚染するということが抑制される。そのため、この後に行われるワイヤボンディングの際にワイヤ６が溶着せず、接続不良を起こすことが抑制される。図７の（d‐1）と（d‐2）はこの様子を示し、浸み出したDA材１４が溝３内に吸収されることが判る。
【００２１】
フレキシブル配線基板４を接着する際にも同様である。フレキシブル配線基板の場合、その接地位置が支持基板２の端部になるため、接着剤を塗布することが難しい。よって、接着剤としてB-Stage型のエポキシ接着シートなどが用いられる。接着シートは、接着面の領域に合わせてカッティングされて、圧力を印加して接着領域に仮接着される。次にフレキシブル配線基板４を仮接着された接着シート上に接地して、圧力を印加し、温度を上げることで、接着シートの接着剤が溶融、熱硬化して、フレキシブル配線基板４と支持基板２が接着される。このような工程でも、接着剤が溶融した場合に、フレキシブル配線基板４の端部にある接着剤は溝３に流れ込み、配線基板端部を接着剤が這い上がっていくことが抑制される。こうして、この後に行われるワイヤボンディングの際にワイヤ６が溶着せずに、接続不良になることが抑制される。
【００２２】
（実施形態２）
図４は、支持基板が吸音機能を持つ実施形態２を示す。探触子の支持基板に伝搬してきた音波は、その支持基板の背後の界面で反射されて戻ることにより、音波画像の品質を低下させることがある。そのため、探触子の支持基板の背面に音響バッキング材が配置され、音波を吸収または散乱させることが行われる。音響バッキング材としては、ゴムやプラスチックのような音波減衰性軟質材料に金属粒子（例えばタングステン）を分散させた複合材などが知られている。本実施形態では、このバッキング材の機能を併せ持つ支持基板９を用い、そこに溝３を形成することにより、支持基板の背面に設けられるバッキング材を省くことが可能となる。
【００２３】
このような支持基板９は、例えばエポキシ樹脂に金属粒子（タングステンや酸化鉄等の粒子）を分散させたうえで、金型に流し込み、硬化させることにより、形成することができる。エポキシ樹脂は硬化すると十分な剛性をもち、また、樹脂の中に金属粒子を分散させることにより、その音響特性を変化させることができる。適用される金属粉としては、タングステンのような密度の高い材料を適用することで幅広い音響インピーダンスの制御が可能となる。溝３は金型で形成されるのが容易であるが、これに限定されない。
【００２４】
以下、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
図１は本発明の超音波探触子の実施例１の図である。半導体基板１は300μm厚のSi単結晶基板で、この表面に静電容量型トランスデューサが形成され、600チャンネル分の信号出力線が長辺方向の２辺において300チャンネルずつワイヤボンディングパッド７に接続されている。パッド７は半導体基板１の長辺方向縁部から0.2mmのところに形成されていて、端部からの接着剤などの這い上がりの影響を受けやすい配置となっている。支持基板２はガラスエポキシFR-4で、1.6mm厚のものを適用している。この支持基板２上に、半導体基板１のデバイス基板をダイアタッチ材で接着し、事前に形成された幅500ミクロン、深さ500ミクロンの溝３上に半導体基板１の端部が0.3mm程のせり出し量でせり出して固定されている。
【００２５】
接着剤は、ディスペンサや転写印刷などの塗布方法により、支持基板２に塗布される。接着剤の粘度は接着剤の塗布方法に応じて適宜調整されるが、あまり粘度が高いと空気などが脱泡しにくくなるため、可能な範囲で低いほうが好ましい。望ましくは1Pa・s〜50Pa・sが適していると考えられる。本実施例では、40Pa・sのKIDDのSI-03LLF-Lの接着剤を適用した。
【００２６】
本実施例では、武蔵エンジニアリング製ディスペンサSHOTMASTER300を用い、図６（b）に示すような一般的な描画パターン（DA材描画部）１０で接着剤を塗布した。本実施例では、図６（b）に示すようなサイズ（a、b）の支持基板２を適用した。このときに、図６（a）の（B）領域に示す如く接着剤の吐出量を50mg〜90mgに管理することで図７の（b‐1）の状態を実現でき、かつその時の浸み出し量を前記の500μm角の溝３で完全に吸収できることが判った。これにより、FPCボンディング領域Lfpcへの浸み出しや、デバイス基板表面への這い上がりによるボンディングパッド汚染を完全に回避することが可能となった（図７の（d‐1）と（d‐2）参照）。
【００２７】
図５は変形例を示し、この様なACF（anisotropic conductive film：異方性導電フィルム）で接続をした場合でも上記と全く同様のことが言える。図５（b）は図５（a）の一部の拡大図である。ACFエッジタッチ相当部分を示す図５（b）に示す様に、FPC４のボンディングパッド５はACF１６によりデバイスチップ上のボンディングパッド７に電気的に接続されている。図５（a）において、１７は、ACF適用時のエッジタッチ対策用のカバーレイ端部の絶縁フィルムを示す。ここでは、FPC４の端部は支持基板９の表面から半導体基板１の厚さ分だけ浮いているが、こうした構造でも、FPC４の端部は溝３の付近の領域上に位置決めするのが良い。
【００２８】
（実施例２）
実施例２では、支持基板を形成する材料は、ITWパフォーマンスポリマーズ&フルイズジャパン株式会社のデブコンBを適用した。これは2液のエポキシ樹脂で形成され、それに鉄粉添加がなされている。さらに、株式会社アライドマテリアルのタングステン粉C-30を適用し、粒子粒径2.3μｍのものを重量比で70phr添加した。これらの材料を十分に撹拌し、最後に遠心脱泡処理をして型に流し込む。硬化は、常温硬化で約12時間室温放置する。このときの金型は、実施例１と同様のサイズの溝３を形成可能なように構成されている。
【００２９】
このように、エポキシ樹脂を金型の中に流し込み、室温硬化させることにより、支持基板とバッキング材としての機能を併せ持つ支持基板９を形成することができる。こうして得られた支持基板９を用いて、実施例１と同様に半導体基板１とフレキシブル配線基板４を接着し、ワイヤボンディングにより電極パッド７とフレキシブル配線基板のリード端子５を良好に接続することができた。また、支持基板９が、吸音効果のあるバッキング材で形成されているため、新たにバッキング材を支持基板に接着する作製工程が不必要となり、簡便に探触子を形成することができる。
【００３０】
（実施例３）
上記実施形態や実施例で説明した静電容量型トランスデューサを備える探触子は、音響波を用いた被検体情報取得装置に適用することができる。被検体からの音響波を静電容量型トランスデューサで受信し、出力される電気信号を用い、光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報を取得することができる。
【００３１】
図９は、光音響効果を利用した本実施例の被検体情報取得装置を示したものである。パルス状に光を発生する光源１５１から発生したパルス光１５２は、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学部材１５４を介して、被検体１５３に照射される。被検体１５３の内部にある光吸収体１５５は、パルス光のエネルギーを吸収し、音響波である光音響波１５６を発生する。本発明の探触子１５７は、光音響波１５６を受信して電気信号に変換し、信号処理部１５９に出力する。信号処理部１５９は、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部１５０へ出力する。データ処理部１５０は、入力された信号を用いて被検体情報（光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報）を画像データとして取得する。表示部１５８は、データ処理部１５０から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。なお、探触子は、機械的に走査するものであっても、医師や技師等のユーザが被検体に対して移動させるもの（ハンドヘルド型）であってもよい。勿論、本発明の探触子は、超音波などの音響波があてられた被検体からの音響波を検出する被検体診断装置で用いることもできる。ここでも、被検体からの音響波を探触子で検出し、変換された信号を信号処理部で処理することで被検体内部の情報を取得する。ここでは、被検体に向けて送信する音響波を本発明の探触子から発信することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の探触子は、生体などの測定対象内の情報を得る光イメージング装置や、従来の超音波診断装置などに適用することができる。更に、超音波探傷機など、他の用途に用いることもできる。
【符号の説明】
【００３３】
１・・半導体基板（デバイス基板）、２・・支持基板（FR-4、樹脂成型基板など）、３・・溝、４・・FPC（外部配線基板）、５・・リード端子、６・・Auワイヤ（ボンディングワイヤ）、７・・デバイス基板上の電極パッド、８・・超音波センサ部、９・・吸音機能を持つ支持基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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