(57)【要約】音響素子を集積回路に取り付けるためのシステムは、圧電セラミック又は微細機械加工された超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）素子を集積回路（ＩＣ）に接続するための様々な方法を含み、これによって、ＩＣにおける信号を組み合わせることにより前記音響素子を当該ＩＣに接続するのに必要とされる導体の数を減少させる。本発明の他の態様において、トランスデューサ素子は、バッキング層及び／又はＩＣに接続される不整合層を有する導電音響層を含んでいる。
2005507581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−プローブハウジング、
−前記プローブハウジングに置かれ、複数の素子を有する超音波センサ、
−前記プローブハウジングに置かれる集積回路、及び
−前記超音波センサと前記集積回路との間に置かれる再分布層であって、前記集積回路に対応する回路を含む第１表面と前記超音波センサの前記複数の素子に対応する回路を含む第２表面とを有する再分布層、
を有する超音波トランスデューサプローブ。
【請求項２】
請求項１に記載のトランスデューサプローブにおいて、前記超音波センサ及び前記再分布層は、一次元アレイ又は二次元アレイとして構成されるトランスデューサプローブ。
【請求項３】
請求項１に記載のトランスデューサプローブにおいて、前記超音波センサは微細機械機械加工された超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を有し、前記再分布層は、はんだバンプ、金バンプ、導電性接合ポリマーバンプ及び接合ポリマーの細線接合の中で選択される手段を用いて前記超音波センサに結合するトランスデューサプローブ。
【請求項４】
請求項３に記載のトランスデューサプローブにおいて、前記超音波センサは微細機械機械加工された超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を有し、前記ＭＵＴは更に複数のＭＵＴ素子の各々に関連する導電バイアを含み、前記導電バイアは前記ＭＵＴ素子と前記再分布層の前記第２表面との間に電気接続を供給するように構成されるトランスデューサプローブ。
【請求項５】
請求項１に記載のトランスデューサプローブにおいて、前記超音波センサと前記再分布層との間に置かれる接着剤を更に有し、前記接着剤は、不整合層であるトランスデューサプローブ。
【請求項６】
−複数の素子を有し、前記素子の各々は導電音響層を含む超音波センサ、
−集積回路、及び
−前記超音波センサと前記集積回路との間の再分布層であり、前記集積回路に対応する回路を有する第１表面と、前記複数の超音波センサ素子に対応する回路を有する第２表面とを有する再分布層
を有する超音波トランスデューサプローブ。
【請求項７】
前記導電音響層はバッキング層である請求項６に記載のトランスデューサプローブ。
【請求項８】
前記導電音響層は不整合層である請求項６に記載のトランスデューサプローブ。
【請求項９】
−プローブハウジング、
−前記プローブハウジングに置かれ、複数の素子を持つ超音波センサ、及び
−前記プローブハウジングに置かれる集積回路であって、前記超音波センサ及び前記集積回路が細線接合を用いて接合される集積回路
を有する超音波トランスデューサプローブ。
【請求項１０】
−前記集積回路と関連し、前記超音波センサの前記複数の素子の各々の位置に対応するように配されるパッド、及び
−前記パッドと、前記超音波センサの前記素子の各々とに関連する導体、
を更に有する請求項９に記載のトランスデューサプローブにおいて
前記導体各々は接合ポリマーの細線接合を用いて前記超音波センサの前記複数の素子の各々に接合されているトランスデューサプローブ。
【請求項１１】
前記導体の上に設けられ、露出されるパッシベーション層を更に有する請求項１０に記載のトランスデューサプローブにおいて、前記パッシベーション層及び前記導体は前記集積回路の表面を平らにするように平坦化されるトランスデューサプローブ。
【請求項１２】
−プローブハウジング、
−前記プローブハウジングに置かれ、複数の素子を持つ超音波センサ、
−前記プローブハウジングに置かれる集積回路であって、前記複数の素子の各々の位置に対応する複数の電気パッドを含む集積回路、及び
−前記電気パッドに対応する複数の電気接点であって、前記複数のトランスデューサ素子に電気的に取り付けられる電気接点
を有するトランスデューサプローブ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のトランスデューサプローブにおいて、前記電気接点の各々は、はんだバンプ、金バンプ及び導電接合ポリマーバンプの中から選択される手段を用いて前記複数のトランスデューサ素子の各々を結合するトランスデューサプローブ。
【請求項１４】
超音波トランスデューサプローブを構築する方法において、
−プローブハウジングを供給するステップ、
−前記プローブハウジングにおける超音波センサを供給し、前記超音波センサが複数の素子を持つステップ、
−集積回路を前記プローブハウジングに供給するステップ、及び
−前記超音波センサと前記集積回路との間に再分布層を供給し、前記再分布層は前記集積回路に対応する回路を含む第１表面及び前記超音波センサの前記複数の素子に対応する回路を含む第２表面と持つステップ
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に超音波トランスデューサ、特にこの超音波トランスデューサの音響素子を集積回路に取り付けるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサは、かなり長い間利用可能であって、非侵襲(non-invasive)の医療診断撮像に特に有用である。超音波トランスデューサは通例、圧電素子又は微細機械加工された(micro-machined)超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）素子の一方から形成される。圧電素子は通例、複数の素子がトランスデューサのアセンブリを形成するように配された状態である、例えば（普通はＰＺＴと呼ばれる）チタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate)のような圧電セラミックからなる。ＭＵＴは既知の半導体製造技術を用いて形成され、結果的に容量性超音波トランスデューサセルとなり、このセルは本質的にシリコン基板上にセルの端部の周りで支えられる柔軟な薄膜を有する。電極の形態である接点材料を前記薄膜又は薄膜の一部及びシリコン基板内の空隙の底面（ベース）に与え、その後これら電極に適切な電圧信号を印加することにより、適切な超音波が生成されるようにＭＵＴを動作させることができる。同様に、電気的にバイアスされる場合、ＭＵＴの薄膜は、反射される超音波エネルギーを捕捉（キャプチャー）し、そのエネルギーを電気的にバイアスされた薄膜の運動に変換することにより超音波信号を入力するのに使用してよく、上記運動は次いで入力信号を発生する。
【０００３】
トランスデューサのアセンブリを形成するトランスデューサ素子は、制御回路と組み合わされてよく、これは更に組み立てられ追加の制御電子機器を電子回路基板の形態でおそらくは含むハウジングを形成し、これらを組み合わせたものが超音波プローブを形成する。様々な音響整合層(acoustic matching layer)、バッキング層(backing layer)及び不整合層(dematching layer)を含む超音波プローブは身体の組織を通り超音波信号を送信及び受信するのに用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来は、例えば圧電セラミックトランスデューサ素子又はＭＵＴ素子のような音響センサを電子制御回路に結合する場合、トランスデューサアレイの各素子を制御回路に接続するために多くの個別のワイヤを使用する必要があった。数百又は数千の素子を持つ大きなトランスデューサアレイの場合、大きなワイヤリングハーネスが必要とされていた。困ったことに、大きなワイヤリングハーネスが超音波プローブの大きさ及び費用を増大させてしまう。人間の体内で用いられるように設計される超音波プローブにとって、超音波プローブ及びケーブルの全体の大きさを減少させることが望ましい。このプローブの大きさを減少させる１つの方法は、集積回路（ＩＣ）のアセンブリにトランスデューサ素子制御電子機器を供給することである。トランスデューサアレイの近くのＩＣが多数の小さなトランスデューサ素子から送信及び受信するのに用いられてもよいし、信号を組み合わせるのに用いられてもよい。これにより通例はこれら超音波プローブ素子を制御電気機器に接続している大きくて且つ高価なケーブルを減少又は削除する。
【０００５】
トランスデューサアレイを前記ＩＣ上に取り付けることは高いパッケージ効率となる。残念なことに、圧電セラミック又はＭＵＴトランスデューサ素子を制御電子機器に接続するための便利な方法はない。
【０００６】
従って、超音波トランスデューサアレイの圧電セラミック及びＭＵＴ素子の両方を直接ＩＣに接続する方法を持つことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、音響素子を集積回路（ＩＣ）に取り付けるためのシステムである。このシステムは圧電セラミック又はＭＵＴトランスデューサ素子をＩＣに接続する様々な方法を提供し、これにより、前記トランスデューサアレイの各素子を前記ＩＣに接続するのに必要とされる導体の数をこのＩＣにおいて信号を組み合わせることにより減少させる。本発明の他の態様において、トランスデューサ素子は、バッキング層及び／又は非整合層を持つ導電な音響層を含み、これがＩＣに接続されている。
【０００８】
本発明の他のシステム、方法、特性及び利点は、以下の図面及び詳細な説明の実施例において当業者には明らかである。このような追加のシステム、方法、特性及び利点の全ては本明細書内に含まれ、本発明の範囲内であり及び添付される特許請求の範囲により守られている。
【０００９】
特許請求の範囲に規定されるような本発明は、以下の図面を参照してより良く理解されることができる。これら図面内の部品は必ずしも互いに一定の縮尺である必要は無く、代わりに本発明の原理を明瞭に説明するのに強調してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に記載される本発明は、集積回路（ＩＣ）に接続される圧電セラミック及び微細機械加工された超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）素子に応用可能である。
【００１１】
図１は、経食道心(transesophageal)（ＴＥＥ）超音波プローブ１００の断面図である。この超音波プローブ１００は、超音波トランスデューサを収容するプローブハウジング１１０を含んでいる。この超音波トランスデューサは（以下に詳細に記載される）多数のトランスデューサアレイ素子を通例は有する音響センサ１２０を含む。これらのトランスデューサ素子は、圧電セラミック又は微細機械加工された超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）素子でよい。これを通り超音波エネルギーが超音波プローブ１００から送信、及びこのプローブにより受信される音響ウィンドウ１１２がプローブハウジング１１０の表面に沿い、且つ音響センサ１２０の前に置かれる。
【００１２】
前記音響センサ１２０は、インタフェース１３０を介して集積回路（ＩＣ）１４０に結合される。このインタフェース１３０は、前記集積回路１４０の能動回路の上に設けられる再分布層(redistribution layer)１４５（図２に図示及び説明される）を含んでいる。前記ＩＣ１４０の能動回路は、適切な基板（図２の１５０）の表面上に形成されることができ、通例はシリコン（Ｓｉ）基板上に製造される。しかしながら、他の半導体基板の材料が前記ＩＣ１４０を製造するのに使用されてもよい。このＩＣ基板は、当該ＩＣ基板の音響インピーダンスと整合する音響インピーダンスを持つ回路基板１５５に接合される。この回路基板１５５は接合面からの音響反射を防ぐために薄い接合剤によりバッキング材料１６０に接合される。
【００１３】
音響センサ１２０は通例数百又は数千のトランスデューサ素子を含み、好ましくは２５００個の超音波素子を含んでいる。これら素子の各々は、超音波プローブ１００と関連する電子制御回路（図示せず）への電気接続を必要とする。ＩＣ１４０は多数の上記電気接続を組み合わせることが可能であり、それによって超音波プローブ１００内の個々の接続数を減少させる。
【００１４】
通例、音響バッキング１６０は、回路基板１５５を通り移動する如何なる超音波エネルギーを吸収するために、回路基板１５５の背後に設けられる。ヒートシンク１７０は、音響センサ１２０及びＩＣ１４０から熱を取り除くために音響バッキング１６０の背後に設けられる。超音波トランスデューサ２００は、音響センサ１２０、インタフェース１３０、ＩＣ１４０、回路基板１５５、音響バッキング１６０及びヒートシンク１７０を含む。
【００１５】
図２は図１の超音波トランスデューサ２００の一部を説明する断面図である。図２の超音波トランスデューサ２００からは省略されているが、通常は、超音波トランスデューサ２００と関連する回路基板（図１の１５５）、音響バッキング１６０及びヒートシンク１７０（図１に図示）である。更に、整合層及び不整合層は明瞭性のために省略される。
【００１６】
超音波トランスデューサ２００は、本実施例では複数の圧電セラミックトランスデューサ素子を有する音響センサ２２０を含み、そのうちの例示的な１つが参照番号２１０を用いて説明される。複数の圧電セラミックトランスデューサ素子２１０はアレイ状に配置され、これは通例数百又は数千の個別のトランスデューサ素子を含み、好ましい実施例では２５００個の素子を含んでいる。各圧電セラミックトランスデューサ素子２１０は、示されるような上面に設けられる素子金属被覆層２１２ａを含む。この素子金属被覆層２１２ａは電気的接地を各素子２１０に供給する。この接地は通例、各素子２１０を適切な電気的接地に接続する導体（図示せず）を含んでいる。本発明の態様によれば、各圧電セラミックトランスデューサ素子２１０は、再分布層１４５を介してＩＣ１４０と関連する能動回路２１８に接合される。この再分布層１４５は、能動回路２１８、そのうちの例示的な１つが参照番号２２４を用いて説明される模範的なＩＣパッド、及びＩＣ１４０上に置かれるダイ・パッシベーション層(die passivation layer)２１４の上に設けられている。このＩＣ１４０はＩＣ基板１５０及び能動回路２１８を含んでいる。ダイ・パッシベーション層２１４は、能動回路２１８及びＩＣパッド２２４の上に設けられ、このＩＣパッド２２４を露出させておく。
【００１７】
再分布層１４５は、ＩＣパッド２２４を介して能動回路２１８の一部と接している、そのうちの例示的な１つが参照番号２２２を用いて示される多数の模範的な再分布導体を含んでいる。この再分布層１４５は、再分布導体２２２及びダイ・パッシベーション層２１４の上に設けられる二次パッシベーション層２１６も含んでいる。再分布導体２２２は、ＩＣパッド２２４を介する能動回路２１８の接続を各圧電セラミックトランスデューサ素子２１０に対応する適切な場所に再分布する。この再分布導体２２２は、各ＩＣパッド２２４を個々の金属接点２３２に接続する導電材料であり、綺麗にトレースするＩＣ技術を用いて形成されることができる。各金属接点２３２は、圧電セラミックトランスデューサ素子２１に対応している。
【００１８】
ダイ・パッシベーション層２１４及び二次パッシベーション層２１６は、例えば酸化シリコン又はシリコンポリマーから形成されるが、これらに限定されない。再分布層１４５は、能動回路２１８とトランスデューサ素子２１０との間の容量性結合を減少させるのに役立つ。追加のパッシベーション層（図示せず）は、能動回路２１８とトランスデューサ素子２１０との間の容量性結合を更に減少させるために、ダイ・パッシベーション層２１４と再分布導体２２２との間に設けられることができ、説明される他の実施例にも適用可能である。その上、二次パッシベーション層２１６はＩＣ基板１５０の上に能動回路２１８を形成することにより生じるでこぼこした表面を平らにするのに役立つ。
【００１９】
ある実施例において、各圧電セラミックトランスデューサ素子２１０は、導電素子２２８を用いて個々の金属接点２３２に結合される。この導電素子２２８は、金属接点２３２と、各圧電セラミックトランスデューサ素子２１０の下部に設けられる素子金属被覆素子２１２ｂとの間に電気接触を形成するようなはんだボール又はバンプとすることができる。このようにして、圧電セラミックトランスデューサ素子２１０と能動回路２１８との間の電気接触が達成される。はんだボールを導電素子２２８として用いて図２で説明されたとしても、様々な他の技術が、金属接点２３２を各圧電セラミックトランスデューサ素子２１０の素子金属被覆層２１２ｂに電気接続するのに利用可能である。例えば、はんだボールの代わりに、金のバンプを使用することができる。更に、導電性接着剤又は導電性ポリマーバンプが前記金属接点２３２を前記素子金属被覆層２１２ｂに接続するのに用いられることができる。更に、図４に関して以下に説明されるように、“細線接合(thin-line bonding)”として知られる技術が、前記素子金属被覆層２１２ｂを直接的なオーム接続となる金属接点２３２に直接接続するのに用いられることができる。このような実施例において、二次パッシベーション層２１６と金属接点２３２との表面は、素子金属被覆層２１２ｂを金属接点２３２に細線接合する前に、再分布層１４５及び集積回路１４０の表面を平らにするように任意に平らに研磨又は平坦化されることができる。
【００２０】
接着剤２２６は、各導電素子２２８間のギャップ及び各圧電セラミックトランスデューサ素子２１０と二次パッシベーション層２１６との間の空間を満たしている。この接着剤２２６は通例不導体であり、例えばエポキシのような様々な接着剤とすることができるが、これらに限定はされない。接着剤２２６は不整合材料としても機能することができ、これは音響反射部として働く。
【００２１】
超音波トランスデューサ２００は通例ＩＣ１４０の能動回路２１８の上に二次パッシベーション層２１６及び金属接点２３２を形成することにより構築される。導電素子２２８は次いで金属接点２３２の上に堆積される。前記接着剤２２６が次いで堆積され、トランスデューサ２１０を形成する材料が二次パッシベーション層２１６に接合され、素子金属被覆層２１２ｂと導電素子２２８との間に電気接続が結果的に生じる。前記トランスデューサ素子２１０は次いでこのトランスデューサ素子２１０と素子金属被覆層２１２ａ及び２１２ｂとを形成する材料の一部を取り除くことにより形成される。例えば、トランスデューサ素子２１０は、ダイシングソー(dicing saw)を用いて切ることができ、このダイシングソーは前記金属被覆層２１２ｂに接する前に止める。トランスデューサ素子２１０及び前記金属被覆素子２１２ｂの残りの材料は、例えばレーザを用いて焼損させることにより取り除かれることができる。結果生じる鋸の切り溝２１５は、別個のトランスデューサ素子２１０を作り出し、トランスデューサ素子２１０の間の電気接続を除去する。
【００２２】
図３は図２の超音波トランスデューサ２００の他の実施例の断面図である。図３の超音波トランスデューサ３００は、複数のＭＵＴ素子３１０を有する音響センサ３２０を含んでいる。これらＭＵＴ素子３１０はＭＵＴ基板３３０上に形成される。各ＭＵＴ素子３１０は１つ以上のＭＵＴセル（図示せず）を含んでいる。ＭＵＴ素子３１０を形成するために１つ以上のＭＵＴセルが使用される場合、このＭＵＴ素子を形成するＭＵＴセルは通例接続されている。当業者には知られているように、ＭＵＴ素子３１０は、半導体装置処理技術を用いて、シリコンのような基板３３０上に製造されることができる。各ＭＵＴ素子３１０は電気的接地（図示せず）を含み、これは通例各ＭＵＴ素子３１０の表面上を延在する。この接地は通例各ＭＵＴ素子３１０を適切な電気的接地に接続する導体（図示せず）を含んでいる。
【００２３】
本発明の態様によれば、各ＭＵＴ素子３１０は、そのうちの例示的な１つが参照番号３２５を用いて説明され、バイアと呼ばれる小さな径の孔(hole)を１つ以上含んでいる。バイア３２５はＭＵＴ基板３３０を通り延在し、各ＭＵＴ素子３１０と接している。各バイア３２５は、導電体となるようにドープされ、これによって各ＭＵＴ素子３１０に電気接続を供給する。本発明のこの態様によれば、各ＭＵＴ素子３１０はバイア３２５に隣接して置かれる。各バイア３２５はＭＵＴ基板３３０を通り延在し、導電素子３２８の１つと接触する。このようにして、導電バイア３２５はＭＵＴ素子３１０を導電素子３２８に電気結合させる。図２において説明された他の導電素子の全てが図３に適応することに注意すべきである。各導電素子３２８は、個々の金属接点３３２と接し、これは順に個々のＩＣパッド３２４と接する。各ＩＣパッド３２４は能動回路３１８の一部と接している。このようにして、ＩＣ３４０上に置かれる能動回路３１８は、再分布導体３２２を介して導電素子３２８及び各ＭＵＴ素子３１０と電気接触を行う。接着剤３２６は、各導電素子３２８の間のギャップ及びＭＵＴ基板３３０と二次パッシベーション層３１６との間の空間を満たす。前記接着剤３２６は通例不導体であり、上述した接着剤２２６と類似である。
【００２４】
図４は、図２の超音波トランスデューサ２００の他の実施例を説明する断面図である。図４の超音波トランスデューサ４００は音響センサ４２０を含み、このセンサは本実施例においてそのうちの例示的な１つが参照番号４１０を用いて説明される、複数の圧電セラミックトランスデューサ素子を含む。各圧電セラミックトランスデューサ素子４１０は、示されるような上面に設けられる素子金属被覆層２１２ａを含んでいる。この素子金属被覆層２１２ａは電気的接地を各素子４１０に供給する。この接地は通例、各素子４１０を適切な接地に接続する導体（図示せず）を含んでいる。各圧電セラミックトランスデューサ素子４１０は示されるような下面に設けられる素子金属被覆層４１２ｂも含んでいる。素子金属被覆層４１２ｂは、圧電セラミックトランスデューサ素子４１０と金属接点４３２との間に直接的な電気接触を行うことを可能にする。上述されるように、上記接続は通例“細線接合”と呼ばれている。この細線接合は素子金属被覆層４１２ｂ及び金属接点４３２の露出した面上にある微細な表面の粗さにより達成される。この微細な表面の粗さが金属接点４３２と素子金属被覆層４１２ｂとの間に直接的なオーム接続を供給する。前記金属接点４３２は再分布導体４２２を介してＩＣパッド４２４に接続される。ＩＣパッド４２４は前記ＩＣ４４０上に置かれる能動回路４１８に接続している。再分布層４４５は再分布導体４２２及び上述される前記二次パッシベーション層２１６と同じ二次パッシベーション層４１６を含む。
【００２５】
図２の超音波トランスデューサ２００と同じく、超音波トランスデューサ４００は通例、ＩＣ４４０の能動回路４１８及びＩＣパッド４２４の上に二次パッシベーション層４１６及び金属接点４３２を形成することにより構築される。二次パッシベーション層４１６の露出した面及び金属接点４３２の一部が次いで平らに研磨又は平坦化されることができる。
【００２６】
接着剤４２６が次いで堆積され、トランスデューサ素子４１０を形成する材料が前記二次パッシベーション層４１６に接合され、素子金属被覆層４１２ｂと金属接点との間に細線接合の電気接続が結果的に生じる。トランスデューサ素子４１０は次いでこのトランスデューサ素子４１０及び素子金属被覆層４１２ａ及び４１２ｂを形成する材料の一部を取り除くことにより形成される。上述されるように、トランスデューサ素子４１０はダイシングソーを用いて切ることができ、このダイシングソーは前記金属被覆層４１２ｂに接する前に止める。トランスデューサ素子４１０及び前記金属被覆層４１２ｂの残りの材料は、例えばレーザを用いて取り除かれることができる。結果的に生じる鋸の切り溝４１５は、別個のトランスデューサ素子４１０を作り出し、トランスデューサ素子４１０の間の電気接続を除去する。
【００２７】
図５Ａは図２のＩＣ１４０を説明する平面図である。このＩＣ１４０は、そのうちの例示的な１つが参照番号２２４を用いて説明される、複数のＩＣパッド２２４を含む。このＩＣパッド２２４は能動回路２１８に接続し、図２のＩＣパッド２２４に対応している。
【００２８】
図５Ｂは二次元（２Ｄ）の音響センサ５００のフットプリント(footprint)を説明する平面図である。簡略化のために、トランスデューサアレイのフットプリント５００は、そのうちの例示的な１つが参照番号５１０を用いて説明され、４×４のアレイで配置される１６個のトランスデューサ素子を説明する。しかしながら、典型的なトランスデューサアレイは数百又は数千のトランスデューサ素子を含んでいる。
【００２９】
図５Ｃは破線を用いて示される図５Ｂのトランスデューサアレイのフットプリント５００を含む図２の再分布層１４５を説明する平面図である。各再分布導体２２２は、ＩＣパッド２２４の１つをトランスデューサアレイのフットプリント５００のパッド５１０の１つに接続する。再分布層１４５における再分布導体２２２は、ＩＣパッド２２４と個々のトランスデューサアレイ素子５１０の各々との間に電気接続を起こす。従って、トランスデューサアレイのフットプリント５００及び能動回路５１８の設計は共に独立して最適化されることができ、各トランスデューサアレイ５１０は、能動回路２１８の適切な部分に接続される。
【００３０】
図６Ａは図５ＡのＩＣの他の実施例を説明する平面図である。ＩＣ６４０は、そのうちの例示的な１つが参照番号６２４を用いて説明される、複数のＩＣパッドを含んでいる。このＩＣパッド６２４は能動回路６１８に接続している。
【００３１】
図６Ｂは一次元（１Ｄ）の音響センサ６０５のフットプリントを説明する平面図である。トランスデューサアレイのフットプリント６０５は、そのうちの例示的な１つが参照番号６１０を用いて説明され、１×８のアレイで配置される複数のトランスデューサ素子を含む。
【００３２】
図６Ｃは図５Ａの再分布層１４５の他の実施例を説明する平面図である。再分布層６４５は図６Ｂのトランスデューサアレイのフットプリント６０５を含んでいる。各再分布導体６２２は、ＩＣパッド６２４の１つをトランデューサアレイのフットプリント６０５のパッド６１０の１つに接続する。更に、図６Ｃにおいて、破線は図６Ｂに示されるトランスデューサアレイのフットプリント６０５の輪郭を説明している。このようにして、再分布層６４５における再分布導体６２２は、ＩＣパッド６２４と個々のトランスデューサアレイ素子６１０の各々との間に電気接続を起こす。従って、トランスデューサアレイのフットプリント６００及び能動回路６１８の設計は共に独立して最適化されることができ、各トランスデューサアレイ素子６１０は、能動回路６１８の適切な部分に接続される。
【００３３】
図７は図２の超音波トランスデューサ２００の他の実施例を説明する断面図である。超音波トランスデューサ７００はそのうちの例示的な１つが参照番号７１０を用いて説明される複数の圧電セラミックトランスデューサ素子を有する音響センサ７２０を含んでいる。各圧電セラミックトランスデューサ素子７１０は示されるような上面に設けられる素子金属被覆層７１２ａを含む。この素子金属被覆層７１２ａは電気的接地を各素子７１０に供給する。この接地は通例、各素子７１０を適切な電気的接地に接続する導体（図示せず）を含んでいる。各圧電セラミックトランスデューサ素子７１０は、示されるような各圧電セラミックトランスデューサ素子７１０の下面に設けられる素子金属被覆層７１２ｂも含んでいる。図７に示される実施例において、各導電素子７２８は、説明されるような平らに研磨又は平坦化される導電性ポリマーバンプであり、その後、金属被覆層７１９を用いて金属被覆される。接着層７２６も平坦化され、金属被覆される。各導電素子７２８は、個々の金属接点７３２の上に置かれる。各圧電セラミックトランスデューサ素子７１０の下面上の素子金属被覆層７１２ｂは、各導電素子７２８の上に設けられる金属被覆層７１９に細線接合される。
【００３４】
再分布層７４５は、再分布導体７２２及び上述された二次パッシベーション層２１６と同じである二次パッシベーション層７１６を含む。
【００３５】
各金属接点７２３は個々の再分布導体７２２を介して個々のＩＣパッド７２４に接続される。このＩＣパッド７２４はＩＣ７４０上に置かれる能動回路７１８に接続している。二次パッシベーション層７１６と圧電セラミックトランスデューサ素子７１０上の素子金属被覆層７１２ａの露出される面との間のギャップは接着剤７２６の層で満たされる。この接着剤７２６は、上述される接着剤２２６と同じである。上述されるように、トランスデューサ素子７１０はダイシングソーを用いて切断されることができ、このダイシングソーが金属被覆層に接する前に止める。トランスデューサ素子７１０及び金属被覆層７１２ｂの残りの材料は、例えばレーザを用いて取り除かれることができる。結果的に生じる鋸の切り溝７１５は、別個のトランスデューサ素子７１０を作り出し、トランスデューサ素子７１０の間の電気接続を取り除く。
【００３６】
図８Ａは、図２の圧電セラミックトランスデューサ素子の１つを説明する断面図である。この圧電セラミックトランスデューサ素子８００は、圧電セラミック素子８０６の上に置かれる第１の整合層８０２及び第２の整合層８０４を含んでいる。これら整合層８０２及び８０４は、導電であり、一般的に前記整合層８０２の上に設けられる金属被覆層８０１を含んでいる。これら整合層８０２及び８０４は、圧電セラミック素子８０６の音響インピーダンス（約30megarayls (MRayls)）を患者の音響インピーダンス（約1.5MRayls）と整合するのに役立つ。このMRaylsは、音響インピーダンスの測定の単位である。
【００３７】
例えば、前記整合層８０２及び８０４を用いることにより、１／４波の配列で患者の1.5MRaylの音響インピーダンスが圧電セラミック素子８０６の30MRayl音響インピーダンスにぴったりと整合することができる。代わりに、純粋な圧電セラミック素子を用いる代わりに、圧電セラミック素子８０６の音響インピーダンスは、複合圧電セラミック材料を用いて前記素子８０６を製造することにより変えることが可能である。
【００３８】
本発明の他の態様によれば、導電音響材料の層は、整合層８０４の表面の反対側にある圧電セラミック素子８０６の表面に接合される。ある実施例において、前記導電音響材料は示されるような圧電セラミック素子８０６に接合される不整合(dematching)層８０８である。この不整合層８０８は音響反射部として働き、例えばタングステンカーバイト(tungsten carbide)からなり、コバルト又はニッケルの結合剤を持ち、約80-100MRaylの音響インピーダンスを持つような高インピーダンスの不整合層でもよい。代わりに、約3MRaylの音響インピーダンスを持つエポキシ及び約4.5MRaylの音響インピーダンスを持つ銀エポキシのような金属エポキシ混合物のようなポリマー又はポリマー混合物から構成される低インピーダンスの不整合層である。例えば、約80-100MRaylの音響インピーダンスを持つ導電不整合層８０８はタングステンカーバイドでもよい。このようにして、高インピーダンスの不整合層８０８は音響エネルギーを反射して、圧電セラミック素子８０６に戻し、これは約33MRaylの音響インピーダンスを持つ。不整合層８０８はＩＣ８４０に接合され、これは約19MRaylの音響インピーダンスを持つ。不整合層の両面は、当業者には知られているように、波を反射する。不整合層８０８を通過する少量のエネルギーはＩＣ基板８５０、回路基板８５５及びバッキング８６０に伝送され、吸収される。回路基板８５５及びバッキング８６０は共にＩＣ基板８５０の音響インピーダンスと整合している。
【００３９】
当業者には知られているように、上述されるインタフェース１３０と同等のインタフェース８３０以外、図８Ａにおける全ての素子は音響接合を用いて取り付けられる。ＩＣ８４０は、上述されるＩＣ１４０と同等であり、上述されるインタフェース１３０と同等であるインタフェース８３０を介して不整合層８０８に結合されることができる。
【００４０】
代わりに、導電不整合層８０８が約4.5MRaylの音響インピーダンスを持つ銀エポキシの層でもよい。本実施例において、低インピーダンスの不整合層８０８は、音響エネルギーを反射して、約33MRaylの音響インピーダンスを持つ圧電セラミック素子８０６へ戻す。この不整合層８０８はＩＣ８４０に接合され、これは約19MRaylの音響インピーダンスを持つ。前記不整合層の両面は、当業者に知られているように波を反射する。不整合層８０８を通過する少量のエネルギーはＩＣ基板８５０、回路基板８５５、及びバッキング８６０に伝送され、吸収される。回路基板８５５及びバッキング８６０は共にＩＣ基板８５０の音響インピーダンスと整合している。当業者に知られるように、追加の不整合層は、ＩＣ８４０及び回路基板８５５を通りバッキング８６０へ伝送される音響エネルギーを減少させるために、代わりの音響インピーダンスに加えられることができる。
【００４１】
図８Ｂは図８Ａの圧電セラミックトランスデューサ素子８００の他の実施例を説明する断面図である。トランスデューサ素子８１０は１つの整合層８１２を含み、その上に金属被覆層８１１を設ける。この整合層８１２は、圧電セラミック素子８１４の上に設けられ、これは33MRaylの音響インピーダンスを持つ。圧電セラミック素子８１４の音響インピーダンスは、ＩＣ基板８５０の音響インピーダンスにぴったりと整合している。この構成がより広域な動作帯域幅を提供することができるので、幾つかの場合において望ましいものとなる。トランスデューサ素子８１０は複合ポリマー及び圧電セラミック素子８１４を用いて構成されることもでき、これはＩＣ基板８５０音響インピーダンスに整合する音響インピーダンスを持つ。
【００４２】
他の構成は、前記ＩＣ基板上にある再分布層の上に導体を持つバッキング上にトランスデューサ素子を置くことである。導体を含む上記バッキングは、”BACKING FOR ACOUSTICTRANSDUCER ARRAY”とタイトルが付けられたMiller他に付与された米国特許番号5,267,221に一般に記載さている。
【００４３】
当業者に知られるように、上述されるインタフェース１３０に同等なインタフェース８３０以外、図８Ｂにおける全ての素子は音響接合を用いて取り付けられている。
【００４４】
本実施例において、回路基板８５５に設けられる導電音響層は、バッキング層８１６である。このバッキング層８１６は音響吸収材料として働き、これによりＩＣ８４０及び回路基板８５５を通り伝わる如何なる音響エネルギーも吸収する。その上、図８Ａの不整合層８０８は、圧電セラミックトランスデューサ素子８００の所望の音響性能を達成するために、前記バッキング層８１６と結合されてもよい。
【００４５】
図９は図２の超音波トランスデューサ２００の他の実施例９００を説明する断面図である。この超音波トランスデューサ９００は、本実施例においてそのうちの例示的な１つが参照番号９１０を用いて説明される、複数の圧電セラミックトランスデューサ素子を有する音響センサ９２０を含んでいる。複数の圧電セラミックトランスデューサ素子９１０は、アレイ状態で配され、これは通例数百又は数千の別個のトランスデューサ素子を含み、好ましい実施例では２５００個の素子を含んでいる。各圧電セラミックトランスデューサ素子９１０は、示されるような上面に設けられる素子金属被覆層９１２ａを含む。この素子金属被覆層９１２ａは、各素子９１０に電気的接地を供給する。この接地は通例各素子９１０を適切な電気的接地に接続する導体（図示せず）を含んでいる。本発明の態様によれば、各圧電セラミックトランスデューサ素子９１０は、ダイ・パッシベーション層９１４を通りＩＣ９４０と関連する能動回路９１８に結合される。ここで金属接点９３２はＩＣパッド９２４に直接接続され、これにより上述される再分布導体を削除する。このダイ・パッシベーション層９１４は、能動回路９１８とそのうちの例示的な１つが参照番号９２４を用いて説明されるＩＣパッドとの上に設けられることができる。前記ダイ・パッシベーション層９１４は例えば酸化シリコン又シリコンはポリマーを用いて形成されることができる。
【００４６】
各ＩＣパッド９２４は、能動回路９１８の対応する部分と金属接点９３２の下面と電気接触している。図９に説明されるように、再分布層及び上述される二次パッシベーション層は、トランスデューサ素子９１０が対応するＩＣパッド９２４の上に各々並べられるために、省略される。
【００４７】
ある実施例において、各圧電セラミックトランスデューサ素子９１０は、導電素子９２８を用いて個々の金属接点９３２に結合される。この導電素子９２８は、前記金属接点９３２と各圧電セラミックトランスデューサ素子９１０の下面に設けられる素子金属被覆層９１２ｂとの間に電気接触を形成する例えばはんだバンプとすることができる。このようにして、圧電セラミックトランスデューサ素子９１０と能動回路９１８との間の電気接触が達成される。はんだバンプを導電素子９２８として用いて図９に説明されているが、図２に関して上述される様々な他の技術が前記金属接点９３２を各圧電セラミックトランスデューサ素子９１０の素子金属被覆層９１２ｂに電気接続するのに利用可能である。
【００４８】
接着剤９２６は各導電素子９２８のギャップ、及び各圧電セラミックトランスデューサ素子９１０とダイ・パッシベーション層９１４との間の空間を埋める。この接着剤９２６は通例不導体であり、例えば限定はしないが、エポキシのような様々な接着剤が可能である。
【００４９】
超音波トランスデューサ９００は、通例ＩＣ９４０の能動回路９１８の上にダイ・パッシベーション層９１４及び金属接点９３２を形成することにより構築される。導電素子９２８は次いでこの金属接点９３２の上に堆積される。接着剤９２６が次いで堆積され、トランスデューサ素子９１０を形成する材料が前記ダイ・パッシベーション層９１４に接合され、素子金属被覆層９１２ｂと導電素子９２８との間に電気接続が結果的に生じる。トランスデューサ素子９１０は次いで上述されるように切断及びレーザ照射によりトランスデューサ素子９１０及び素子金属被覆層９１２ａ及び９１２ｂを形成する前記材料の一部を取り除くことにより形成される。
【００５０】
図１０は図４の超音波トランスデューサ４００の他の実施例1000を説明する断面図である。図１０の超音波トランスデューサ1000は、本実施例においてそのうちの例示的な１つが参照番号1010を用いて説明される、複数の圧電セラミックトランスデューサ素子を含む音響センサ1020を含んでいる。各圧電セラミックトランスデューサ素子1010は、示されるような上面に設けられる素子金属被覆層1012aを含んでいる。この素子金属被覆層1012aは電気的接地を各素子1010に供給する。この接地は通例、各素子1010を適切な電気的接地に接続する導体（図示せず）を含んでいる。各圧電セラミックトランスデューサ素子1010は示されるような下面に設けられる素子金属被覆層1012bも含んでいる。この素子金属被覆層1012bは、圧電セラミックトランスデューサ素子1010と金属接点1032との間に直接的な電気接触を行うことを可能にする。上述されるように、このような接続は通例“細線接合”と呼ばれている。この細線接合は、接合ポリマーを通常は用いることで、前記金属接点を圧電セラミックトランスデューサ素子1010の素子金属被覆層1012bの露出している表面に直接電気接続する。前記細線接合は、前記素子金属被覆層1012bの露出している表面と金属接点1032とに存在する微細な表面の粗さにより接着される。この微細な表面の粗さが金属接点1032と素子金属被覆層1012bとの間に直接的なオーム接続を供給する。
【００５１】
金属接点1032は、上述される再分布導体を使わずにＩＣ接合パッド1024に直接接続する。このＩＣパッド1024はＩＣ1040上に置かれる能動回路1018に接続している。二次パッシベーション層1016の表面と金属接点1032の一部とが研磨又は平坦化され、ＩＣ1040の表面を平らにし、トランスデューサ素子1010を取り付けるため、その上に平坦面を備えるために金属被覆される。
【００５２】
超音波トランスデューサ1000は通例、能動回路1018の部分上に直接ＩＣ接合パッド1024を形成することにより構築される。金属接点1032がＩＣ接合パッド1024の上に形成され、ダイ・パッシベーション層1014及び二次パッシベーション層1016は次いで能動回路1018及びＩＣ1040のＩＣパッド1024の上に形成される。前記二次パッシベーション層1016の露出される表面と金属接点1032の一部は次いで研磨又は平坦化され、平らに及び金属被覆される。素子金属被覆層1012bは次いで二次パッシベーション層1016の平坦化された表面に細線接合され、素子金属被覆層1012bと金属接点1032との間に細線接合による電気接続を結果的に生じる。トランスデューサ素子1010は次いで、例えば上述されるように切断及びレーザ照射によりトランスデューサ素子1010及び素子金属被覆層1012a、1012bを形成する材料の一部を取り除くことにより形成される。
【００５３】
本発明の原理から実質的に逸脱することなく、上述されるような本発明に対する多くの改良及び変更が行われることが当業者には明白である。例えば、本発明は圧電セラミック及びＭＵＴトランスデューサ素子と共に使用されることができる。このような改良及び変更の全てがここに含まれるとする。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】経食道心（ＴＥＥ）超音波プローブの断面図。
【図２】図１の超音波トランスデューサの一部を説明する断面図。
【図３】図２の超音波トランスデューサの他の実施例の断面図
【図４】図２の超音波トランスデューサの更に他の実施例の断面図。
【図５Ａ】図２の超音波トランスデューサにおけるＩＣを説明する平面図。
【図５Ｂ】二次元（２Ｄ）の音響センサのフットプリントを説明する平面図。
【図５Ｃ】図５Ｂのトランスデューサアレイのフットプリントを含む図２の再分布層を説明する平面図。
【図６Ａ】図５ＡのＩＣの他の実施例を説明する平面図。
【図６Ｂ】一次元（１Ｄ）の音響センサのフットプリントを説明する平面図。
【図６Ｃ】図６Ｂのトランスデューサアレイのフットプリントを含む再分布層を説明する平面図。
【図７】図２の超音波トランスデューサの他の実施例を説明する断面図。
【図８Ａ】図２の圧電セラミックトランスデューサ素子の１つを説明する断面図。
【図８Ｂ】図８Ａの圧電セラミックトランスデューサ素子の他の実施例を説明する断面図。
【図９】図２の超音波トランスデューサの更に他の実施例を説明する断面図。
【図１０】図４の超音波トランスデューサの他の実施例を説明する断面図。
【図５Ａ】
2005507581.tif 000003
【図６Ａ】
2005507581.tif 000004
【図８Ａ】
2005507581.tif 000005
【図８Ｂ】
2005507581.tif 000006
【国際公開パンフレット】
2005507581.tif 000007
2005507581.tif 000008
2005507581.tif 000009
2005507581.tif 000010
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2005507581.tif 000036
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005507581.tif 000037
【国際調査報告】
2005507581.tif 000038
2005507581.tif 000039
2005507581.tif 000040