(57)【要約】   超音波プローブにおけるマイクロビームフォーマのためのハイブリッド集積回路パッケージが、基板と、送信ビームを発生させるためにプローブの変換器素子に送信されるべき送信パルスを生成するためのドライバと、時間遅延回路及び加算回路を含み、前記時間遅延回路は、前記変換器素子からの複数の反射パルスを受信すると共に前記反射パルスを遅延させるために動作し、前記加算回路は、ビーム形成信号を発生させるために前記遅延させられた反射パルスのグループを加算するために動作する、ビームフォーマ回路とを含む。ドライバ回路は、前記ドライバ回路を含む高電圧集積回路デバイスの部分になる。前記ビームフォーマ回路の少なくとも一つの部分は、低電圧集積回路デバイスの部分になり、前記高電圧集積回路デバイス及び前記低電圧集積回路デバイスは前記基板上に実装される。
2008520316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波プローブにおけるマイクロビームフォーマのためのハイブリッド集積回路パッケージであって、前記超音波プローブは、パルスを送信すると共に受信するための変換器素子のアレイを有し、前記回路パッケージは、
基板と、
送信ビームを発生させるために前記変換器素子に送信されるべき集束された送信パルスを生成するためのドライバ回路と、
時間遅延回路及び加算回路を含み、前記時間遅延回路は、前記変換器素子からの複数の反射パルスを受信すると共に前記反射パルスを遅延させるために動作し、前記加算回路は、ビーム形成信号を発生させるために前記遅延させられた反射パルスのグループを加算するために動作する、ビームフォーマ回路と、
前記ドライバ回路を含む高電圧集積回路デバイスと、
前記ビームフォーマ回路の少なくとも一つの部分を含む低電圧集積回路デバイスと
を有し、前記高電圧集積回路及び前記低電圧集積回路は前記基板上に実装されるハイブリッド集積回路パッケージ。
【請求項２】
前記高電圧集積回路デバイスが、前記反射パルスから前記送信パルスを絶縁分離するためのスイッチを含む請求項１に記載の回路パッケージ。
【請求項３】
前記低電圧集積回路デバイスが、前記完全なビームフォーマ回路を含む請求項１に記載の回路パッケージ。
【請求項４】
前記高電圧集積回路が、バイポーラトランジスタ又は電界効果トランジスタを有する請求項１に記載の回路パッケージ。
【請求項５】
前記低電圧集積回路が、相補型金属酸化膜半導体を有する請求項１に記載の回路パッケージ。
【請求項６】
前記変換器素子のアレイを更に有し、前記アレイは前記基板に直接接続される請求項１に記載の回路パッケージ。
【請求項７】
前記基板はリジッドであり、前記パッケージは前記基板に接続されるフレックス材料を更に有する請求項１に記載の回路パッケージ。
【請求項８】
前記変換器素子のアレイを更に有し、前記アレイは前記フレックス材料に接続される請求項７に記載の回路パッケージ。
【請求項９】
前記基板がフレックス材料を有する請求項１に記載のパッケージ。
【請求項１０】
前記高電圧集積回路デバイス及び前記低電圧集積回路デバイスが、ボールグリッドアレイを使用して前記フレックス材料に接続される請求項９に記載の回路パッケージ。
【請求項１１】
前記高電圧集積回路デバイス及び前記低電圧集積回路デバイスが、ボールグリッドアレイを使用して前記基板に各々接続される請求項１に記載の回路パッケージ。
【請求項１２】
前記高電圧集積回路デバイスと、前記低電圧集積回路デバイスと、前記基板とが、スタックされた構成で接続される請求項１に記載の回路パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変換器素子インタフェースの高電圧要求仕様と、制御及びビーム形成（フォーミング）機能の高密度機能要求仕様との両方をもたらす超音波ビームフォーマプローブのためのハイブリッド集積回路（ＩＣ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用超音波画像化システムは、リアルタイムに人体の内部構造を非侵襲的に見るために使用される。超音波画像化システムは、超音波パルスを送信すると共に受信するための変換器（トランスデューサ）のアレイを含んでいる。各々の変換器は圧電素子になる。送信ビームフォーマ回路は、送信ビームを作るために特定のタイミングシーケンスで変換器のアレイにおける各々の変換器に電気パルスを加える（もたらす）。送信ビームは、異なる音響（アコースティック）特性を有する組織構造体によって反射される。反射されたビームは、受信変換器によって、ディスプレイにより表されてもよい画像信号に変換される電気パルスに変換される。各々の変換器は、送信変換器と受信変換器との両方として動作してもよい。
【０００３】
高解像度を実現するため、変換器アレイは、数百乃至数千の変換器素子を含むように製作される。変換器は、変換器からの多くの信号を、超音波プロセッサステーション（局）における更なるビームフォーマ（形成器）によって管理され得る複数の信号に変換するマイクロビームフォーマ電子機器に接続される。ケーブルによって変換器から超音波処理ステーションに全ての信号を送信することは困難であるため、マイクロビームフォーマ電子機器は、変換器を備えるプローブにおいて構成されることが必要とされる。
【０００４】
プローブにおける回路は、送信ビームのためのドライバを動作させるために十分な電圧及び電力をもたらすことが必要とされると共に、同時にプローブにおける熱発生を制限しなければならない。プローブは通常、60-200Vp-pを必要とし、より新しいプローブは当該範囲の下限にもたらされる。送信パルスから受信器を接続及び切断するように素子（要素）及びスイッチをパルシングするためのドライバは当該電圧を発生させることが必要とされる。しかしながら、制御及びビーム形成機能部は、変換器からの多くの信号を処理するために高密度の集積を必要とする。高電圧を提供するＩＣデバイスは、物理的に大きくなり、より多くのエネルギを消費し、それ故により多くの熱を発生させる。しかしながら、高密度を提供するＩＣデバイスは、動作電圧を制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、マイクロビームフォーマ超音波プローブのための高電圧要求仕様と高密度要求仕様との両方を満たすハイブリッドＩＣを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、超音波プローブにおけるマイクロビームフォーマのためのハイブリッド集積回路パッケージによって満たされ、超音波プローブは、パルスを送信すると共に受信する変換器素子のアレイを有する。回路パッケージは、基板と、送信ビームを発生させるために変換器素子に送信されるべき送信パルスを生成するためのドライバを含む高電圧集積回路デバイスと、変換器素子から反射パルスを受信すると共に反射パルスを遅延させるための時間遅延回路を含む低電圧集積回路デバイスと、ビーム形成（された）信号を発生させるために遅延させられた反射パルスのグループを加算する加算（総和）回路とを含む。高電圧集積回路デバイスは、反射パルスから送信パルスを絶縁分離するためのスイッチ及び受信器ゲインを実現するための増幅器を含んでいてもよい。
【０００７】
高電圧集積回路がCMOS又はBiCMOSであってもよく、低電圧集積回路は、相補型金属酸化膜半導体（complementary metal oxide semiconductors (CMOS)）を有する。
【０００８】
いくつかの場合において、変換器素子のアレイが前記基板に直接接続されてもよい。
【０００９】
基板は、リジッド（剛性）であってもよく、フレキシブル（弾性）であってもよい。更に、基板がフレックス材料に接続されるリジッドコンポーネントを有していてもよい。
【００１０】
高電圧集積回路デバイス及び低電圧集積回路デバイスが、ボールグリッドアレイ（ball grid array）を使用して基板に接続されてもよい。
【００１１】
更に、高電圧集積回路デバイス、低電圧集積回路デバイス、及び基板が、スタックされた（積み重ねられた）構成で接続されてもよい。
【００１２】
本発明の他の目的及び特徴は、添付図面に関連して検討される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、図面は単に説明のためだけに描かれており、従属請求項が参照されるべき本発明の限定の明確化として描かれているわけではないことは理解されるべきである。図面は必ずしも寸法通りに描かれているではなく、示されていない限り、図面は、ここに記載されている構造体及びプロシージャを概念的に描くことのみが意図されていることは更に留意されるべきである。
【００１３】
図面において、同じ参照特徴は、いくつかの図を通して同じ要素を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、変換器１１０を含む超音波プローブ１００のブロック図である。送信回路１２０は、被験体（サブジェクト）において送信ビームを発生させるための変換器１１０にもたらされる電気パルスを発生させるためのプローブ１００において構成される。送信回路１２０は、必要とされるとき、送信パルスを集束させるために時間遅延をもたらすビームフォーマ回路１３０から受信される信号に応答して電気パルスを発生させる。ビームフォーマ回路１３０は、変換器１１０から反射パルスを受信するために構成される。ビームフォーマ回路１３０が、反射ビームの出力レベルをセットするために時間遅延及び／又はゲイン（利得）制御をもたらしてもよい。送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１２０は、反射パルスから送信パルスを絶縁分離するためのビームフォーマ回路１３０、送信回路１２０、及び変換器１１０に接続される。好ましい実施例において、超音波プローブ１１０は、３次元画像化を可能にするために何千もの変換器を有するマイクロビームフォーマ超音波プローブになる。代わりに、超音波プローブが、高度２Ｄ（２次元）画像をもたらすために、広がる仰角（エレベーション）アパーチャ（expanding elevation aperture）を有する1xD型プローブを有していてもよい。これらの1xD型プローブは、1.125D, 1.25D,..... 1.75Dプローブとも称される。ここで数は、使用される集束法の種類を示している。
【００１５】
図２は、反射信号を処理するためのビームフォーマの概念を示す簡略化された概略図である。ビームフォーマ１３０は、時間遅延回路２１０及び信号加算回路２２０を含む。上述のように、時間遅延回路２１０が、送信パルスを集束するために使用されてもよい。一つ又は複数の送信パルスがもたらされた後、各々の変換器１１０は、反射パルスを受信すると共に反射パルスに基づいて信号を生成する。時間遅延回路２１０が、時間遅延を反射パルス信号にもたらしてもよく、反射パルス信号はそれから、形成ビーム（formed beam）を発生させるために加算回路２２０において加算される。図２は、簡単化のために、一つの形成ビームを形成するための六つの変換器を示している。プローブ１００が何千もの変換器を有していてもよく、ビームフォーマ１３０が、変換器からのこれら何千もの信号を、更なるビーム形成のために超音波プロセッサに送信される何百もの信号にまで低減してもよい。この種のプローブは、米国特許第6,491,634号公報及び米国特許第6,013,032号公報において開示されており、全内容は参照によってここに明確に組み入れられる。
【００１６】
図３は、低電圧集積回路（LVIC）３１０及び高電圧集積回路（HVIC）３２０並びに以下に記載される様々な信号のためのピンの数のリストを示す概略図である。多くの変換器を有するマイクロビームフォーマプローブは、何千もの変換器信号を管理するために高密度集積回路を必要とする。同時に、変換器への送信パルスを生成するためにドライバに対して高電圧が必要とされる。必要とされる電圧レベルをもたらすHVICは通常、マイクロビームフォーマのために必要とされる密度を有していない。更に、これらのHVICは、熱を発生する多くのエネルギを使用する。超音波プローブは生成され得る熱の量を制限する基準内で動作しなければならないため、熱の発生は超音波プローブにとって有害である。本発明によれば、ハイブリッド集積回路パッケージは、送信パルスを生成するために必要とされる高電圧と、変換器からの反射パルスを管理するために必要とされる密度との両方をもたらすためにLVIC 310及びHVIC 320を含む。HVIC 320は、送信回路１２０をもたらし、更にスイッチ１４０も含む。LVIC 310はビームフォーマ１３０を含む。信号ＥＬは、変換器素子に対する接続部を表す。アナログ信号は、T/Rスイッチを通じてLVICに送信される、変換器からの信号になる。
HV及びRTNは、パルスを発生させるためにHVICに高電圧信号をもたらす。SUM信号は、外部超音波プロセッサに送信されるビームフォーマの出力になる。VDDA, VCORE, 及びVDDDは電圧供給接続部である。GNDD及びGNDAはグランド（接地）接続部である。CTRL線は、送信パルス及び反射パルスのためのディレイ（遅延）及びバイアシング機能を制御する制御線である。
【００１７】
好ましい実施例において、図１に示されている回路はアナログ回路である。目下、本技術の制限はプローブ内のディジタル信号への変換の包含を回避する。しかしながら将来、ビームフォーマ回路１３０は、反射パルスから受信される信号が、時間遅延されると共に加算される前にアナログからディジタル信号に変換されるA/Dコンバータを含むディジタル回路も有することは可能である。
【００１８】
一つの実施例において、LVIC 310は、CMOS技術を使用して製作され、HVIC 320は、バイポーラ又は電界効果トランジスタ技術を使用して製造される。CMOS技術は現在好ましいが、LVIC 310が、代わりに、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Arrays (FPGA)）を使用して製造されてもよい。
【００１９】
図４は、一つの変換器素子に対して送信すると共に受信するためのLVIC 310及びHVIC 320の単一のチャネルを示す。LVIC 310は、遅延線、ドライバ312、及びプリアンプ313を有するRAM 311を含む。HVIC 320は、修正演算トランスコンダクタンス増幅器（Operational Transconductance Amplifier (OTA)）322を含んでおり、反射パルスを増幅するための増幅器313aを含んでいてもよい。本願の場合のOTAに対する修正は、ユーザが高調波歪のために消費電力を交換することを可能にするためのバイアス調整と、受信モードにおいて電力を低減するディスエーブル機能と、固定ゲイン低雑音増幅器と、送信/受信スイッチへの接続部とを含んでいる。好ましい実施例はOTA 322を使用しているが、他の種類の増幅器が使用されてもよい。
【００２０】
送信モードにおいて、遅延線311はスイッチ315を介して反転され、遅延線311のコンデンサはプリチャージ（前充電）される。HV増幅器322は、スイッチ326によってRAMに接続され、HV送信/受信スイッチ324は開放され（オープンになり）、高電圧がLVIC 310に印加されることは阻止される。このモードにおいて、HV増幅器322からのパルスは負荷、すなわち変換器素子ELにもたらされる。
【００２１】
受信モードにおいて、遅延線311は入力を受信する。スイッチ３２６は、HV増幅器322をRAM 311から切断するために開放（オープン）になる。HV送信/受信スイッチ324は閉じられ、HV増幅器322からのパルスに応答して変換器素子において生成される信号がLVIC 310の遅延線311に伝えられることは可能になる。遅延信号はそれから、更なる処理のための加算器（summer）に送信される。
【００２２】
LVIC 310及びHVIC 320が、現在知られている、又は従来から引き続き知られているいかなるハイブリッドIC構成体で構成されてもよい。限定しない例によって、図５乃至９ｂは、使用されてもよい様々な例示の構成体を示す。しかしながら、これらの例は、異なるプロセス技術を使用して製作される、二つ又はそれより多くの相互接続されたICを含むハイブリッドICパッケージを生成するために使用されてもよい様々な技術を決して限定するものではない。図５は、相互接続のための高密度基板410上に構成されるLVIC 310 及びHVIC 320を示す。このような構成体は、マルチパッケージモジュール（Multi Package Module (MPM)）と称される。基板媒体は、好ましくは、フリップチップとワイヤボンド接続部との両方を可能にする。しかしながら、接続部が、専らフリップチップ又はワイヤボンド接続部であってもよい。図５に示されているように、基板410が、標準的な（スタンダード）ボールグリッドアレイ420に入れられてもよい。基板構成体上のこのようなチップは、例えばAmkor Technology, Inc. Chandler AZによって使用されている。
【００２３】
図６は、LVIC 310 及びHVIC 320が基板510に接続される他の実施例を示す。更に、変換器110を含むセンサ520は基板510にも接続される。図６は、フレキシブルコネクタ（flexible connector）530が、プローブから超音波プロセッサに信号を伝えるために基板に接続されてもよいことも示す。図７は、センサ620がフレキシブルコネクタ630に直接接続され、基板610がフレキシブルセンサ630に接続される更なる他の実施例を示す。図７の実施例において、基板はLVIC 310及び HVIC 320に接続される。図８に示されている更なる構成体において、LVIC 310, HVIC 320, 及びセンサ520はそれぞれフレキシブル基板710に接続される。この実施例において、接続部は、マイクロボールグリッドアレイを使用して製作されてもよい。フレキシブル接続材料は、例えばDyconex AG, Bassersdorf, Switzerland及びTessera, Inc., San Jose, CA.によって製造される。
【００２４】
図9a及び9bは、スタックされたダイの概念がハイブリッドICを組み立てるために使用されてもよいことを示している。示されている実施例において、LVIC 310及び HVIC 320は、マイクロボールグリッドアレイ基板810において構成される。LVIC 310及び HVIC 320のスタッキングは、相互接続部が側面めっき（サイドプレーティング）によって制作されるIrving Sensors, Inc., Costa Mesa, CAによるネオスタッキング（neo-stacking）技術を使用して実現されてもよい。代わりに、相互接続部が、ChipPAK, Inc., Koreaによるボンドワイヤを使用してパッケージレベルでもたらされてもよい。
【００２５】
本発明の好ましい実施例に適用される本発明の基本的な新規特徴が示され、記載され、指摘されているが、記載のデバイスの形態及び詳細並びにその動作における様々な省略、代替、及び変形が、本発明の保護範囲から逸脱することなく当業者によってなされることは理解されるであろう。例えば、同じ結果を実現するようにほぼ同じ方法でほぼ同じ機能を実行する要素の全ての組み合わせが本発明の範囲内にあることは明らかに意図される。更に、本発明の実施例又はいかなる開示形態にも関して記載の、及び／又は示されている構造体及び／又は要素が、全設計選択事項としていかなる他の開示、記載、若しくは提案形態又は実施例において含まれてもよいことは認識されるべきである。それ故に、従属請求項の範囲によって示されるようにのみ限定されるべきであることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による超音波プローブのブロック図である。
【図２】ビームフォーマの概念を示す簡略化された概略図である。
【図３】本発明によるハイブリッドＩＣの概略図である。
【図４】図３のハイブリッドＩＣの一つのチャネルを示す概略図である。
【図５】本発明によるマルチパッケージモジュール（ＭＰＭ）の断面図である。
【図６】本発明の他のＭＰＭの断面図である。
【図７】本発明の更に他のＭＰＭの断面図である。
【図８】本発明による更に他のＭＰＭの断面図である。
【図９ａ】本発明によるＭＰＭの断面図である。
【図９ｂ】本発明によるＭＰＭの断面図である。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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