用于超聲換能器陣列的具有高導(dǎo)熱性的高孔隙率聲背襯的制作方法
【專利摘要】一種用于超聲探針的超聲換能器陣列堆的襯塊被形成為灌注有環(huán)氧樹脂的石墨泡沫的復(fù)合結(jié)構(gòu)。環(huán)氧樹脂滲透多孔泡沫結(jié)構(gòu)至少一部分達到石墨泡沫塊的深度，并且在固化時為襯塊提供良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。復(fù)合石墨泡沫襯塊被結(jié)合到換能器的集成電路，以提供遠離換能器的高導(dǎo)熱性和良好的聲衰減或向后的聲回響的散射。
【專利說明】用于超聲換能器陣列的具有高導(dǎo)熱性的高孔隙率聲背襯
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療診斷超聲系統(tǒng)，尤其涉及用于超聲換能器陣列的背襯材料。
【背景技術(shù)】
[0002]二維陣列換能器被用在超聲成像中，以便進行三維掃描。二維陣列在方位方向和高度方向上都具有許多行和列的換能器元件，這將需要大量的電纜導(dǎo)體來在探針和主機超聲系統(tǒng)之間聯(lián)接信號。用于使在探針電纜中的信號導(dǎo)體的數(shù)量最小化的優(yōu)選技術(shù)是在微波束成形器ASIC (專用集成電路)中的探針中執(zhí)行至少一些波束成形。該技術(shù)僅僅需要相對少數(shù)量的部分波束成形信號被聯(lián)接到主機超聲系統(tǒng)，從而減少所需要的在電纜中的信號導(dǎo)體的數(shù)量。然而，必須在二維陣列和微波束成形器ASIC之間進行大量信號連接。進行這些連接的有效方法是將換能器陣列和ASIC設(shè)計成具有倒裝芯片互連方式，由此該換能器陣列的傳導(dǎo)墊是直接粘合到ASIC的相應(yīng)傳導(dǎo)墊上的突起部。
[0003]然而，微波束成形器ASIC的高密度電子電路可能在其小的IC包中產(chǎn)生大量的熱，所述熱必須被消散。存在所述熱可以沿其流動的兩個主要方向。一個方向是穿過聲堆(acoustic stack)朝著在探針的患者接觸端處的透鏡向前。在該方向上的導(dǎo)熱性通過在該換能器堆(transducer stack)中的導(dǎo)電元件改善。該向前路徑對熱流呈現(xiàn)相對低的阻力。然后必須通過降低傳輸電壓和/或脈沖重復(fù)頻率來防止熱在透鏡中聚集，這不利地影響到了探針的性能。
[0004]優(yōu)選的導(dǎo)熱方向是后部，遠離透鏡并且朝著在探針的后部處的散熱器(通常是鋁)。但是，通常位于換能器堆、陣列元件和微波束成形器ASIC后面的是聲襯塊(acousticbacking block)。聲襯塊的目的在于使從聲堆的后部發(fā)射的超聲能衰減并且防止該能量導(dǎo)致被朝著聲堆反射的回響。聲襯塊通常由具有良好聲衰減性能的材料制成，諸如含有微氣泡或其它消音顆粒的環(huán)氧樹脂。雖然已開發(fā)了許多環(huán)氧樹脂填料復(fù)合背襯以將ASIC與探針組件的支撐結(jié)構(gòu)(通常是鋁)隔離，但是它們有兩個缺點。如果將它們構(gòu)想為具有高衰減性，那么它們具有不可接受的導(dǎo)熱率。如果將它們構(gòu)想為具有高的導(dǎo)熱率，則它們具有不可接受的衰減。因此，期望提供用于超聲探針的聲襯塊，所述聲襯塊呈現(xiàn)對進入到該襯塊中的聲能的良好聲衰減性、朝向所述探針的后部且遠離透鏡的良好導(dǎo)熱性、可以在需要時支撐聲堆的良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及微波束成形器ASIC與所述探針的其它傳導(dǎo)部件的適當(dāng)?shù)碾娊^緣性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的原理，用于超聲換能器陣列堆的襯塊由具有高的聲衰減性和高的導(dǎo)熱性的多孔石墨泡沫材料形成。在優(yōu)選的實施方式中，泡沫襯塊被構(gòu)造為具有填充有環(huán)氧樹脂的泡沫結(jié)構(gòu)的復(fù)合件?？梢詫㈦娊^緣層定位在襯塊的頂部上、襯塊和聲堆組件的ASIC之間的結(jié)合部處?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0006]在圖中:
[0007]圖1圖示了具有根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的導(dǎo)熱襯塊的聲堆。
[0008]圖2圖示了當(dāng)組裝在具有透鏡蓋的換能器探針中時圖1的聲堆。
[0009]圖3是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的導(dǎo)熱襯塊的透視圖。
[0010]圖4是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的導(dǎo)熱襯塊的俯視圖。
[0011]圖5是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的導(dǎo)熱襯塊的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0012]圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的復(fù)合泡沫襯塊。
[0013]圖7圖示了本發(fā)明的具有在ASIC和復(fù)合泡沫襯塊之間的膜絕緣層的聲堆組件。
[0014]圖8圖示了本發(fā)明的具有涂覆有聚對二甲苯的復(fù)合泡沫襯塊的聲堆組件。
【具體實施方式】
[0015]首先參見圖1，示意地示出具有根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的導(dǎo)熱襯塊的聲堆100。諸如PZT的壓電層110和被粘結(jié)到該壓電層的兩個匹配層通過切塊切割件75而被切塊，以便形成單個換能器元件175的陣列，其中四個換能器元件175參見圖1。陣列170可以包括單行的換能器元件(1-D陣列)或可以在兩個正交方向上被切塊，以便形成換能器元件的二維(2D)矩陣陣列。匹配層使壓電材料的聲阻抗與通常在漸進匹配層的步驟中被診斷的身體的聲阻抗匹配。在該示例中，第一匹配層120被形成為導(dǎo)電石墨復(fù)合件，并且第二匹配層130由被含有導(dǎo)電顆粒的聚合物形成。接地平面180被粘結(jié)到第二匹配層的頂部并且被作為傳導(dǎo)層形成在低密度聚乙烯(LDPE)140的膜150上。接地平面通過導(dǎo)電匹配層被電聯(lián)接到換能器元件并且被連接到柔性電路185的接地導(dǎo)體。LDPE膜150形成堆的第三且最后的匹配層 140。
[0016]在換能器元件下面是集成電路160 (即ASIC)，該電路向換能器元件175提供發(fā)射信號并接收和處理來自該元件的信號。在集成電路160的上表面上的傳導(dǎo)墊通過柱形突起部190電聯(lián)接到在換能器元件的底部上的傳導(dǎo)墊，所述柱形突起部可以由焊料或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂形成。信號通過到柔性電路185的連接被提供給集成電路160和被從集成電路160提供。在集成電路160的下面是襯塊165，所述襯塊165使從換能器堆的底部發(fā)射的聲能衰減。根據(jù)本發(fā)明的原理，襯塊還將集成電路產(chǎn)生的熱量遠離該集成電路和換能器堆并且遠離換能器探針的患者接觸端地傳導(dǎo)。
[0017]圖2圖示了當(dāng)組裝在換能器探針內(nèi)側(cè)時圖1的換能器堆組件。在圖2的探針中，第三匹配層140被粘結(jié)到聲透鏡230。超聲波在成像期間被傳播穿過透鏡230并且進入到患者體中，并且響應(yīng)于這些波而被接收的回聲穿過透鏡230由換能器堆接收。當(dāng)被包圍在該堆周圍并且被環(huán)氧樹脂粘合劑210粘結(jié)到探針殼體220時，LDPE膜150用于封閉在該實施例中的換能器堆。該構(gòu)造的更多細節(jié)在美國專利公開N0.US2010/0168581 (Knowles等)中找到。
[0018]襯塊165的優(yōu)選實施方式在余下的附圖中圖示。優(yōu)選的襯塊165開始于石墨塊20。其它可替代件包括含有提供良好的機械加工性和良好的熱性能的諸如鎳或銅的金屬的石墨。石墨塊20被用于形成復(fù)合背襯結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合背襯結(jié)構(gòu)滿足許多性能目標(biāo)。首先，背襯結(jié)構(gòu)必須具有良好的Z軸導(dǎo)熱性。石墨具有良好的導(dǎo)熱性，在0° C-100° C下Tc為80-240W/m° K。對于平行于結(jié)晶層的傳導(dǎo)，在300° K下，Tc接近于1950W/m° K。Z軸方向是向后且遠離換能器堆100和集成電路160的方向。因此，對于在Z軸方向上的熱流動，期望使石墨塊20的結(jié)晶層對齊。在其它實施方式中，可能期望優(yōu)選地將熱量橫向地或橫向地且沿Z軸方向傳導(dǎo)，在這種情況下，可能期望不同的結(jié)晶對齊方向，或者對齊方向?qū)τ谠O(shè)計而言是不重要的。當(dāng)鋁被用來消散一部分熱量(其可以通過使用鋁散熱器或在探針殼體內(nèi)側(cè)的鋁框架)時，期望襯塊的導(dǎo)熱性與鋁的導(dǎo)熱性是可比的或比鋁的導(dǎo)熱性好，使得熱量優(yōu)選地向鋁流動。鋁在室溫下具有237W/m° K的可比Tc，因此，石墨塊20很好地滿足了該性能目標(biāo)。
[0019]第二個目標(biāo)是襯塊為聲堆100和集成電路160提供結(jié)構(gòu)支撐。石墨塊的結(jié)構(gòu)性良好，因此滿足該目標(biāo)。
[0020]第三個目標(biāo)是提供集成電路160與探針的鋁構(gòu)件或框架的電絕緣。導(dǎo)電的石墨可以通過利用非導(dǎo)電絕緣涂層涂覆襯塊來滿足該目標(biāo)。在一些實施方式中，可能期望只涂覆襯塊的與換能器堆接觸的側(cè)面。在其它實施方式中，可能期望涂覆襯塊的多個側(cè)面。例如，可能期望使用絕緣的聲阻尼材料涂覆該襯塊的橫向側(cè)，這將提供抑制橫向聲回響的附加益處。
[0021]第四個目標(biāo)是襯塊必須使進入襯塊的聲能衰減。石墨是聲能的良好導(dǎo)體且提供非常小的固有聲阻尼。通過使用石墨塊作為如圖3、4和5中示出的用于內(nèi)部聲阻尼構(gòu)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)的框架來滿足該目標(biāo)。在這些附圖中，石墨呈現(xiàn)半透明狀，用于清楚地圖示該襯塊的內(nèi)部復(fù)合結(jié)構(gòu)。阻尼構(gòu)件被形成為在襯塊中的多個背襯材料傾斜圓柱30。圓柱30被切割或被鉆進石墨塊20中，然后用諸如填充有微氣泡或其它聲阻尼顆粒的環(huán)氧樹脂的聲阻尼材料進行填充。正如圖4的襯塊的俯視圖所圖示的，圓柱30的頂部將大面積的聲阻尼材料呈現(xiàn)給集成電路的后部。從集成電路和聲堆的后部發(fā)射的大量不期望聲能因此立即進入阻尼材料。如圖3中所看到的和最好是在圖5的橫截面視圖中所看到的圓柱的傾斜確保在Z軸方向上行進的聲能將不得不與在行進路徑中的某點處與阻尼材料相交。優(yōu)選地，不存在完全由石墨形成的在Z軸方向上的路徑，并且圓柱的傾斜并不有助于將能量反射回集成電路，而是提供了向下和遠離集成電路的散射角。在實踐中，可能諸如通過阻擋95%的路徑來阻擋大多數(shù)的Z軸路徑是足夠的。因此，圓柱的傾斜確保使所有或基本所有Z軸指向的能量衰減。
[0022]然而，熱量將發(fā)現(xiàn)存在穿過在圓柱30之間的石墨的連續(xù)路徑。因為熱量的流動是從較高溫度區(qū)域到較低溫度區(qū)域的(從較高的熱密度到較低的熱密度)，所以，熱量遠離集成電路160和聲堆100地流動到其可以安全地消散的在襯塊165下方的結(jié)構(gòu)。
[0023]可以使用其他材料用于襯塊的導(dǎo)熱材料，諸如:鋁、石墨泡沫或氮化鋁。已發(fā)現(xiàn)對于許多應(yīng)用有利的一個復(fù)合結(jié)構(gòu)是填充有環(huán)氧樹脂的導(dǎo)電石墨泡沫。上述加工和填充的石墨塊的宏觀性質(zhì)可能向ASIC提供不平坦的接合表面，這易受膨脹不匹配的影響。用環(huán)氧樹脂對孔進行的加工和填充也是勞動密集型過程。圖6示出了本發(fā)明的實施方式，其中，圖6的襯塊的背襯材料使用了填充有柔軟的未填充的衰減環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱石墨泡沫(P0C0HTC)。未填充的HTC泡沫具有顯著的孔隙率(60%)，其中總孔隙率的95%是開放的。當(dāng)這樣的開口孔隙率填充有柔軟的樹脂時，該復(fù)合背襯表現(xiàn)出在5Mhz時約50dB/mm的高的聲衰減性。這種高衰減性主要是由于兩種機制:1)由柔軟的樹脂實現(xiàn)的對聲能的吸收和2)由于在環(huán)氧樹脂、石墨和在多孔結(jié)構(gòu)中的空氣之間的阻抗不匹配導(dǎo)致的聲能散射。這種高的聲衰減性的結(jié)果是，背襯的厚度可以減小，以便換能器的散熱。該填充環(huán)氧樹脂的石墨泡沫的另一個特性是其高的導(dǎo)熱性(?50W/mK)，該高的導(dǎo)熱率比通常的環(huán)氧樹脂填充物背襯配方高出一個數(shù)量級。
[0024]圖6的復(fù)合石墨泡沫襯塊32示出了泡沫的高孔隙率。在這個示例中，泡沫塊32的表面涂覆有以深度36浸入到泡沫塊中的環(huán)氧樹脂34，如附圖中的陰影區(qū)域所示，所述深度是泡沫塊的孔隙率和樹脂的粘度的函數(shù)。固化后的環(huán)氧樹脂對泡沫塊給予了良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。復(fù)合襯塊然后可以被利用薄的環(huán)氧樹脂膠層直接結(jié)合到ASIC160。為了提供與ASIC的足夠的電絕緣，可以在襯塊和ASIC之間使用絕緣層，如圖7和8所示，圖7和8示出了聲堆中兩種實施方式的分解視圖。在每個圖的頂部是具有其匹配層的換能器層170。換能器層下面是ASIC160。在圖7中，在將襯塊結(jié)合到該組件之前，薄的(12至25微米)的聚酰亞胺膜38被附接至ASIC。復(fù)合泡沫襯塊32然后被結(jié)合到絕緣膜38。在圖8中，10至15微米的聚對二甲苯涂層58被施加到HTC襯塊。涂覆有聚對二甲苯的襯塊然后被結(jié)合到ASIC160。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲換能器陣列組件,包括: 換能器元件的陣列，所述換能器元件的陣列具有用于超聲波的傳播的向前的期望方向和向后的非期望的超聲發(fā)射方向； 結(jié)構(gòu)上聯(lián)接到所述換能器元件的陣列的集成電路； 復(fù)合泡沫襯塊，所述復(fù)合泡沫襯塊定位在所述換能器元件的陣列和所述集成電路的后部，所述復(fù)合泡沫襯塊由具有多孔結(jié)構(gòu)的泡沫材料形成；以及 填充所述復(fù)合泡沫襯塊的多孔結(jié)構(gòu)的至少一部分的環(huán)氧樹脂； 其中，在向后方向上的超聲發(fā)射被多孔泡沫結(jié)構(gòu)和所述環(huán)氧樹脂散射或衰減，并且熱量通過襯塊材料遠離所述換能器元件的陣列和所述集成電路地傳導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述泡沫材料還包括石墨泡沫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述復(fù)合泡沫襯塊還包括外表面，并且其中所述環(huán)氧樹脂填充所述復(fù)合泡沫襯塊的與所述外表面相鄰的多孔結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述集成電路還包括聯(lián)接到所述換能器元件的陣列的后方側(cè)的波束成形器ASIC， 其中，所述復(fù)合泡沫襯塊熱聯(lián)接到所述波束成形器ASIC。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述復(fù)合泡沫襯塊通過環(huán)氧樹脂粘合劑結(jié)合到所 述波束成形器ASIC。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述超聲換能器陣列組件還包括在所述波束形成器ASIC和所述復(fù)合泡沫襯塊之間的電絕緣層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述電絕緣層還包括聚酰亞胺膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述聚酰亞胺膜的厚度不超過25微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述電絕緣層還包括聚對二甲苯涂層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述聚對二甲苯涂層的厚度不超過15微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述多孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)至少60%的孔隙率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述多孔結(jié)構(gòu)的總孔隙率的至少95%是開放的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，向后的超聲波發(fā)射散射是由于在所述環(huán)氧樹脂、多孔泡沫材料和在所述多孔泡沫結(jié)構(gòu)中的空氣之間的阻抗不匹配。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述多孔泡沫材料還包括石墨泡沫材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，向后的超聲發(fā)射的衰減是由于通過所述 環(huán)氧樹脂實現(xiàn)的吸收。
【文檔編號】A61B8/00GK103429359SQ201280013752
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月17日
【發(fā)明者】W·蘇多爾, K·G·威克萊恩, Y·于, H·B·諾爾斯, J·保利諾, R·E·戴維森 申請人:皇家飛利浦有限公司