專利名稱：超聲換能器上的嵌入式電路以及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實(shí)施例涉及超聲換能器.尤其是提供背襯的制造方法.
背景技術(shù)：
換能器的一維陣列通過(guò)柔性材料與系統(tǒng)通道相連接.這種柔性材
料(flex material)與陣列的元件相對(duì)準(zhǔn)。在這些元件和柔性材料后面 是聲背襯材料.聲背襯材料衰減聲能，對(duì)不是來(lái)自正被掃描的組織的 信號(hào)反射進(jìn)行限制.柔性材料足夠薄以便避免反射.
對(duì)于二維陣列，柔性材料不能提供足夠的導(dǎo)體密度.已提出替代 方案，比如z軸導(dǎo)體.聲背襯利用沿著距離維度(range dimension )穿 過(guò)背襯材料延伸的導(dǎo)體構(gòu)成.然而在形成背襯材料期間這些導(dǎo)體的對(duì) 準(zhǔn)和保持可能是困難的，在背襯材料的背面上導(dǎo)線的密度仍很大，從 而導(dǎo)致連接困難.
另一問(wèn)題是至超聲成像系統(tǒng)的電纜的數(shù)目.為了限制電纜的數(shù)目， 電路被安置在超聲探頭外殼中.所述電路與元件、比如與背襯中的z 軸導(dǎo)體相連接.所述電路比如通過(guò)部分波束形成或多路復(fù)用來(lái)組合來(lái) 自多個(gè)元件的信號(hào).這種組合減少對(duì)成像系統(tǒng)所需的電纜的數(shù)目.然 而，元件的電極至電路的互連可能是困難的.
陣列的每個(gè)元件都與兩個(gè)傳導(dǎo)路徑相連接.傳導(dǎo)路徑可以包括至 探頭內(nèi)的電路的連接、從電路至電纜的連接、以及從電纜至成像系統(tǒng) 中的波束形成器的連接.可能存在電路中的數(shù)千個(gè)互連、數(shù)千多個(gè)用 于元件至柔性材料的互連、數(shù)千多個(gè)用于柔性材料至電路的互連、以 及更多從電路至電纜的互連。連接的數(shù)目可能是巨大的，從而導(dǎo)致增 加的寄生效應(yīng)、增加的短路可能性和所需的昂貴制造.

發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)介紹，下文中所述的優(yōu)選實(shí)施例包括用于聲衰減超聲能量的 方法、背襯、換能器以及系統(tǒng).在背襯內(nèi)嵌入一個(gè)或多個(gè)芯片、集成 電路或半導(dǎo)體.
在一個(gè)實(shí)施例中，背襯材料的平面薄片被形成，其中集成電路位 于薄片中的孔內(nèi).軌道(Trace)將集成電路連接到電極或所暴露的傳
導(dǎo)表面.多個(gè)平面薄片可以利用晶片處理來(lái)制造，比如芯片在背襯材
料的晶片中的拾取和放置和IC重新分配用于形成軌道.從晶片切割不
同的薄片并彼此堆疊.換能器與所暴露的電極或者背襯的傳導(dǎo)表面相 連接.
在第一方面中，超聲換能器具有形成多個(gè)元件的換能器材料、每 個(gè)元件上的電極、以及聲衰減背襯材料.集成電路被嵌入到聲衰減背 村材料中.
在第二方面中，提供一種背村用于對(duì)來(lái)自換能器背側(cè)的能量聲衰 減.背襯材料具有第一表面用以與換能器的背側(cè)相連接.半導(dǎo)體具有 有源電路，并位于背村材料中.
在第三方面中，提供一種用于構(gòu)造超聲換能器陣列用的背襯的方 法.形成聲衰減材料的薄片。把芯片放置在薄片沖.從芯片至薄片的 線形成導(dǎo)體.
本發(fā)明通過(guò)后面的權(quán)利要求來(lái)限定，本部分不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)這些 權(quán)利要求的限制.本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)在下文中結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例 來(lái)予以討論，并可以隨后獨(dú)立地或組合地要求保護(hù).


組件和附圖不必按比例繪制，而重點(diǎn)在于闡述本發(fā)明的原理，而 且，在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記貫穿不同的視困表示相應(yīng)的部分. 圖1示出用于制造超聲換能器陣列用的背襯的方法的一個(gè)實(shí)施例
的流程圖2和3示出用于在晶片實(shí)施例中形成薄片的替代途徑；以及
圖4-8示出用于晶片實(shí)施例的處理步碟和結(jié)構(gòu)；
圖9-12示出用于可替代的塊實(shí)施例的處理步驟和結(jié)構(gòu)；
圖13示出在背襯中具有冷卻通道的換能器陣列的一個(gè)實(shí)施例；
圖14示出在經(jīng)食道探頭陣列中所使用的切片的一個(gè)實(shí)施例；
圖15和16示出在換能器陣列中路由的導(dǎo)體的替代實(shí)施例；以及
圖17示出換能器陣列的背村切片之間的互連的替代實(shí)施例.
具體實(shí)施例方式
對(duì)于給定的元件沿傳導(dǎo)路徑的連接的數(shù)目可以通過(guò)在背襯材料中 使用半導(dǎo)體類型構(gòu)造或嵌入式電路而被減少.鋸切、切成小方塊以及 層壓與半導(dǎo)體集成電路重新分配技術(shù)相組合，半導(dǎo)體類型構(gòu)造可以允許更廉價(jià)和更密集的互連，支持高元件數(shù).
在一個(gè)實(shí)施例中，處理為多維陣列產(chǎn)生單元件仰角寬度、多元件 方位長(zhǎng)度模塊.利用光刻或其他集成電路技術(shù)形成嵌入式電路的導(dǎo)體，
從而提供從電路輸入端間距(pitch)至元件間距的密度重新分配.這 些模塊可以被層壓用以產(chǎn)生全背襯或具有背襯的換能器.
圖1示出一種用于制造超聲換能器陣列用的背襯的方法.可以與 換能器材料一起使用背襯來(lái)形成超聲換能器.背襯用于與多維換能器 陣列一起運(yùn)行，但也可以與一維陣列一起運(yùn)行.
該方法以所示的順序被實(shí)施.可替代地，還提供不同的順序.比 如，切割切片動(dòng)作20在動(dòng)作12的形成薄片之前或作為其一部分來(lái)實(shí) 施.可以提供附加的、不同的、或較少的動(dòng)作。比如，在芯片或插入 物周圍形成薄片(sheet)而不需比如通過(guò)鑄造或塑造在薄片中形成孔.
4艮多實(shí)施例都是可行的，圖2-8示出晶片工藝類型實(shí)施例.困9-12 示出塊工藝實(shí)施例，兩種實(shí)施例都包括圖1的動(dòng)作中一些或全部.可 以使用其他的實(shí)施例，比如在一個(gè)或多個(gè)芯片的多個(gè)側(cè)面周圍或附近 塑造或鑄造背襯材料.
在動(dòng)作12中，形成聲衰減材料的薄片32?？梢允褂描T造、塑造、 沉積或其他工藝.在圖2所示的一個(gè)實(shí)施例中，使用背村材料的晶錠 (Boule )30或圃柱體，晶錠通過(guò)塑造加栽的環(huán)氧樹脂(loaded印oxy)、 比如載鎢環(huán)氧樹脂來(lái)形成.可以使用其他背襯材料，包括固體、聚合 物、半固體或環(huán)氧樹脂，可以不使用填料或使用不同的填料.填料或 基礎(chǔ)背襯材料的密度可以變化，比如從晶錠30的一側(cè)到另一側(cè)改變聲 衰減.
薄片32被形成為晶片。晶片從晶錠30被切片.這種切片利用晶 片鋸、劃片機(jī)、ID鋸、或其他晶片形成工藝來(lái)實(shí)施.晶片的厚度或高 度大致是元件間距.比如，背襯用于在仰角上具有400微米元件間距 的多維陣列.晶片被切片為約400微米，比如360-420微米，可以使用 其他厚度，包括在仰角(elevation)或方位(azimuth)上大于一個(gè)、 兩個(gè)或多個(gè)元件間距的高度.晶片可以被切割為大于所需的厚度，并 在從晶錠30上切割之后被磨削成規(guī)格.薄片32被安置在晶片帶上或 其他的晶片支持物上.
在圖2所示的實(shí)施例中，晶錠30被形成，其中多個(gè)導(dǎo)線36從頂端到底端或在晶錠30內(nèi)延伸.導(dǎo)線36是金、銅、具有軌道的柔性材 料或其他導(dǎo)體.導(dǎo)線36以多個(gè)圖樣來(lái)分布.每個(gè)圖樣對(duì)應(yīng)于為元件58 (未示出)的行要使用的一個(gè)切片50.圖2示出了具有五個(gè)背襯切片 50的薄片32.每個(gè)切片的一組導(dǎo)線36a處于元件間距，比如仰角或方 位間距.為要使用切片50的該行的每個(gè)元件提供一個(gè)導(dǎo)線36a.每個(gè) 切片50的另一組導(dǎo)線36b處于用于連接到電纜或比如系統(tǒng)互連PC板 60 (未示出)的其他電子系統(tǒng)的間距.
當(dāng)作為晶片來(lái)形成薄片32時(shí)，對(duì)晶錠30的切片還對(duì)導(dǎo)線36切片. 導(dǎo)線36延伸穿過(guò)薄片32.
在圖3所示的替代實(shí)施例中，晶錠30不包括導(dǎo)線36.代替地，晶 錠32不具有附加的組件?？梢蕴峁┎煌趯?dǎo)線的附加物.代替在晶錠 30中的導(dǎo)線36，可以使用插入物42.插入物由背襯材料形成，比如與 用于晶錠30的相同的或不同的背襯材料.可以提供其他的材料，比如 塑料、半導(dǎo)體或環(huán)氧樹脂.插入物42包括導(dǎo)體，比如導(dǎo)線36a、 36b、 補(bǔ)塊、球或電極.所述導(dǎo)體伸入但不貫通插入物42.可替代地，所述 導(dǎo)體貫穿插入物42.插入物42具有與薄片32相同的或相似的厚度， 比如稍d、一些.
所述導(dǎo)體具有針對(duì)導(dǎo)線36以上所討論的間隔.在給定插入物42 上的導(dǎo)體用于不同的切片50.當(dāng)對(duì)薄片32切片時(shí)，切割穿過(guò)插入物 42,分離并暴露出不同的導(dǎo)體.可替代地，為不同的切片50提供不同 的插入物42,多個(gè)插入物42可以用在示出一個(gè)的情況下. 一個(gè)插入物 42可以用在示出兩個(gè)或多個(gè)的情況下，比如插入物42沿著薄片32的 三個(gè)切片部分延伸.
在動(dòng)作14中，在薄片32中形成孔34、 40.孔34、 40被模具沖孔， 可以使用用于形成孔的其他技術(shù).比如，通過(guò)塑造、切割、鑄造或蝕 刻來(lái)形成孔。在一個(gè)實(shí)施例中，所述孔34、 40位于晶錠30中.在其 他實(shí)施例中，所述孔34、 40在薄片32中被形成.
孔34針對(duì)芯片44 (未示出)被定尺寸.孔34延伸穿過(guò)薄片32, 但具有與芯片44相同或稍微大些的形狀和尺度.孔40針對(duì)插入物42 被定尺寸.在使用不同尺寸的插入物42的情況下，使用不同尺寸的孔 42.根據(jù)由薄片32要形成的切片50來(lái)確定孔的位置和方向.可以使 用與所示不同的相關(guān)位置和方向。 在動(dòng)作16中，在薄片32中放置一個(gè)或多個(gè)芯片44。圖4示出了 一個(gè)例子，其中在與切片50相關(guān)的每個(gè)區(qū)域中安置三個(gè)芯片44.每切 片50或每薄片32可使用更少的或更多的芯片44.插入物42也被放置 在薄片32中.每切片50或每薄片可使用更少的或更多的插入物42.
芯片44和插入物42(如果有的話)通過(guò)拾取和放置處理(pickand place processing)而被放置.芯片44與有源組件一起被向下安置，用 以插入到晶片帶或支持物上或由其保護(hù).在與薄片32的底面相同的平 面中提供有源表面.芯片有源表面可選地也可以被涂敷有保護(hù)層，其 中所述保護(hù)層稍后被去除或者在重新分配工藝期間被蝕刻.可以使用 其他現(xiàn)在已知的或今后開(kāi)發(fā)的用于在孔34、 40中放置芯片44和插入 物42的工藝.可以使用自動(dòng)的或手動(dòng)的放置.
芯片44和/或插入物42所具有的厚度大于、等于、或小于薄片32 的厚度.比如，芯片44和插入物42的厚度大致相同，但小5-10%. 芯片44和插入物42不伸出孔34、 40.孔34、 40的剩余部分被填充有 環(huán)氧樹脂用以回填.使用涂刷或其他工藝來(lái)跨薄片32的頂端提供平坦 表面.由于芯片44的有源表面朝下安置，所以環(huán)氧樹脂很可能不接觸 有源表面，可替代地，芯片44和/或插入物42伸出孔34、 40，并被研 磨、磨削、或蝕刻掉用以與薄片32—起形成平坦表面?？梢蕴峁┗靥?用以填充任何縫隙。
回填材料整治、形成復(fù)合薄片32. —旦被整治，薄片32就可以從 框架、帶、或其他支持物移除.在其他實(shí)施例中，在移除之前還進(jìn)行 其他工藝.
在動(dòng)作18中，從芯片44到薄片32的線48構(gòu)成導(dǎo)體46(見(jiàn)圖5). 線48對(duì)應(yīng)于要從薄片32上切割的切片的邊緣.線48對(duì)準(zhǔn)插入物42 或者導(dǎo)線36a、 36b,以便在進(jìn)行切割時(shí)暴露導(dǎo)線36a、 36b或者傳導(dǎo)表 面.導(dǎo)體46把芯片44上的焊盤、焊球、或其他導(dǎo)體與元件的導(dǎo)線36 以及輸出傳導(dǎo)表面相連接。導(dǎo)體46從芯片、經(jīng)由任何填充物、經(jīng)由聲 背襯材料延伸并延伸到導(dǎo)線36或傳導(dǎo)表面。
導(dǎo)體46通過(guò)沉積、光刻、蝕刻、電鍍、和/或其他半導(dǎo)體工藝來(lái)形 成.比如使用平面IC重新分配處理(planar 1C redistribution processing).導(dǎo)體46針對(duì)薄片32的不同切片50被困樣化，雖然示出 在薄片32上，但導(dǎo)體46可以位于分層的薄片32內(nèi)。 由于不同的陣列和/或芯片44可能具有不同的連接配置或間距，所 以導(dǎo)體46被圖樣化用以匹配差異.比如芯片44的輸入端的間距小于 要被連接到芯片44的元件58的間距，因此導(dǎo)體46呈扇狀分散開(kāi).可 以使用其他的重新分配.這種重新分配允許使用具有不同陣列的模塊
芯片，
為了電氣或機(jī)械保護(hù)，薄片32可以被涂敷有絕緣體.比如，整個(gè) 薄片32被旋轉(zhuǎn)涂敷，這種涂敷在朝上的表面、朝下的表面、或兩者上. 在替代實(shí)施例中，不提供涂敷，
在動(dòng)作20中，從薄片32切割一個(gè)或多個(gè)切片50。這種切割是比 如利用金剛石鋸或其他半導(dǎo)體切割技術(shù)的切成小方塊(dice).切割沿 著線48.這種切割暴露出沿著線48的導(dǎo)體，比如插入物42的導(dǎo)線36. 所暴露的導(dǎo)體具有用于與換能器的電極、其他導(dǎo)體、或元件相連接的 面積.在替代實(shí)施例中，所述切割不暴露導(dǎo)線36，導(dǎo)線36稍后通過(guò)磨 削而被暴露.
每個(gè)切片都包括一個(gè)或多個(gè)芯片44、重新分配導(dǎo)體46、以及所暴 露的邊緣表面導(dǎo)體52.在圖5所示的例子中，每個(gè)切片都包括三個(gè)芯 片44.導(dǎo)體46把所暴露的邊緣表面導(dǎo)體52連接到芯片44的輸入端， 并把芯片44的輸出端連接到其他所暴露的邊緣表面導(dǎo)體52.
切片50被定尺寸用以相鄰于陣列來(lái)安裝.比如，每個(gè)切片50被 定尺寸用以覆蓋元件的整個(gè)方位行，而僅覆蓋仰角元件的一列.芯片 44與切片50的元件側(cè)相距足夠的距離，用以提供所期望的聲衰減，比 如約為5-10毫米.從芯片44到其他邊緣可以設(shè)置任何的距離，包括沒(méi) 有被薄片32的背襯材料所復(fù)蓋的芯片44的一個(gè)或多個(gè)邊緣.
在動(dòng)作22中，多個(gè)切片50被堆疊在一起.圖6示出了形成背襯 塊54的堆疊.基準(zhǔn)(fiducial)、框架、或其他結(jié)構(gòu)使切片50對(duì)準(zhǔn). 絕緣涂層、環(huán)氣樹脂、或背襯材料將一個(gè)切片50的導(dǎo)體與其他切片50 相絕緣.
背村塊54提供所暴露的元件接觸52的表面，例如所暴露的導(dǎo)線 36a的表面.可替代地，背襯塊54被磨削以便暴露元件接觸52.元件 接觸52通過(guò)背襯材料和/或絕緣材料而彼此電絕緣。元件接觸52在表 面上以與換能器的元件分布相一致的方式被分配.每個(gè)元件接觸52都 可以被用作陣列的電極，或者用于與元件電極連接.在每個(gè)切片50在
一個(gè)維度中對(duì)應(yīng)于元件58的單個(gè)行的情況下，在另一維度中為多個(gè)元 件58提供足夠數(shù)目的切片50.可以使用具有兩行或多行用的所暴露的 元件接觸52的切片50.可以使用小于陣列的整個(gè)寬度伸展的切片50.
在動(dòng)作24中所堆疊的切片50被層壓在一起。可以使用加熱或其 他催化劑來(lái)用于層壓.可以使用環(huán)氣樹脂或其他粘合物.在替代實(shí)施 例中，在使用期間，剛性結(jié)構(gòu)或夾具將堆疊54保持在一起.
圖7示出添加換能器材料56的層.換能器材料56的層是固態(tài)壓 電陶瓷、合成物、或其他換能材料.該層可以包括電極和/或匹配層. 在一個(gè)實(shí)施例中，該層被結(jié)合到背襯塊54上，并然后通過(guò)切成小方塊 來(lái)形成元件58.也可以形成子元件.在其他實(shí)施例中，元件58在結(jié)合 到背村材料54之前被形成。元件58和相應(yīng)的切口對(duì)準(zhǔn)元件接觸52. 在任何匹配層之上或之下可以包括接地平面，用以將元件58的頂面接 地.
圖8示出了系統(tǒng)互連板60的連接.背村塊54被磨削以便在背襯 塊54的背面上暴露系統(tǒng)側(cè)傳導(dǎo)表面52,可替代地，動(dòng)作20的切片暴 露傳導(dǎo)表面52。表面52布置在背襯塊54上用以與板60中的導(dǎo)體緊密 配合，比如使用倒裝芯片(flip chip)型焊接.互連板60被結(jié)合、擠 壓、或者另外與背襯塊54相連接.通過(guò)對(duì)準(zhǔn)，板60的導(dǎo)體與由芯片 44輸出的背襯塊54的導(dǎo)體連接.
圖17示出了用于互連板60的連接的不同實(shí)施例. 一個(gè)實(shí)施例用 于模擬連接，另一個(gè)用于數(shù)字信號(hào)連接.可以使用其他模擬的、數(shù)字 的、或兩種連接.從與至互連板60的連接相關(guān)聯(lián)的背側(cè)以堆疊的方式 示出切片50.接觸80把板60連接到芯片44.對(duì)于數(shù)字實(shí)施，來(lái)自不 同切片50的接觸80對(duì)以串級(jí)鏈或其他格式連接在一起. 一行代表由 芯片44所處理的切片50部分的輸入，另一行代表由芯片44所處理的 用于切片50部分的輸出.每個(gè)輸出都是部分或子陣列和(比如在方位 上而不是在仰角上相加).另一切片的輸入可以與輸出相加，來(lái)提供 在方位上以及在仰角上的子陣列和。給定子陣列的接觸82懸浮或被接 地.另一接觸82是至系統(tǒng)的輸出.對(duì)于模擬實(shí)施例，每個(gè)接觸80是 部分子陣列(比如在方位上而不是在仰角上相加).接觸80的組連接 在一起用以形成子陣列(比如由"H"形來(lái)表示).全部子陣列信號(hào)被 接線到系統(tǒng).其他接觸88用于電源、接地、和/或控制信號(hào).這些接觸88被示出為每芯片44僅一個(gè)，但也可以提供多個(gè).互連板60提供用 于串級(jí)鏈、"H"連接、和/或電源/接地/控制連接的導(dǎo)線.可以使用其 他配置.
芯片44降低了用于每個(gè)給定切片50的通道數(shù).可以使用多路復(fù) 用、子陣列混合、部分波束形成、其組合、或用于減少通道的其他技 術(shù).輸入元件數(shù)據(jù)被組合到較少的輸出.輸出數(shù)據(jù)是模擬的或數(shù)字的. 輸出數(shù)據(jù)被提供給互連板60.互連板60是具有信號(hào)軌道(trace)和/ 或通孔(via)的絕緣材料的PC板.在互連板60上可以提供或不提供 有源或無(wú)源電路.比如，提供電容器用于功率存儲(chǔ)或DC退輛.
互連板60把芯片44的輸出端連接到電纜，諸如連接至互連板60 的同軸電纜.控制信號(hào)、功率、和/或發(fā)射波形可以利用一個(gè)或多個(gè)導(dǎo) 體46通過(guò)或者由互連板60被提供給芯片44.互連板60可以從一個(gè)切 片50向另一切片50的芯片44提供信號(hào)，比如用于進(jìn)行進(jìn)一步的通道 減少.比如，通過(guò)將來(lái)自元件的不同仰角行的信號(hào)相組合來(lái)提供部分 波束形成.
圖9-12示出了用于實(shí)現(xiàn)圖1的方法的替代實(shí)施例.在動(dòng)作12中由 塊形成背襯材料薄片.圖9示出了背村材料塊54，其被定尺寸和形狀
用于與多維換能器陣列一起運(yùn)行.可以使用與圖示不同的尺寸，比如 由于下述的切割而沿著高度具有較大的尺度.塊54是加栽的環(huán)氧樹脂， 但也可以使用其他的聲衰減材料.
塊54包括多個(gè)導(dǎo)線62.導(dǎo)線62a在聲側(cè)或換能器側(cè).導(dǎo)線62b在 系統(tǒng)側(cè)。作為導(dǎo)線62的替代方案，可以使用在柔性材料上的軌道或其 他導(dǎo)體.導(dǎo)線62a沿著塊54的整個(gè)高度延伸，并且以元件間距相間隔、 比如0,2mm.系統(tǒng)側(cè)的導(dǎo)線62b沿著整個(gè)高度延伸，并且適當(dāng)?shù)叵嚅g 隔用于在互連板60與背襯中的芯片44 (未示出)之間的系統(tǒng)側(cè)連接. 在芯片44 (未示出)減少通道數(shù)的情況下，可需要較少的導(dǎo)線62b. 導(dǎo)線62在外部邊緣上，但也可以嵌入到塊54內(nèi)，用以稍后通過(guò)磨削 暴露，
圖IO示出了給塊54添加換能器材料層56。塊54的聲側(cè)被磨削用 以在導(dǎo)線62a上提供平坦表面.換能器材料56被結(jié)合到或者否則被連 接到塊54.
換能器材料56被切成小方塊用以形成元件和/或子元件.切口 64中的一些穿過(guò)換能器材料56以及塊54延伸，形成切片50.這種切成 小方塊利用金剛石磨粒ID鋸來(lái)進(jìn)行，但也可以使用其他的切割裝置. 這種切割用于在仰角上的導(dǎo)線62，而維持導(dǎo)線62a與通過(guò)切成小方塊 所形成的元件58的接觸.圖12示出了所形成的切片50.與圖2-8的 實(shí)施例不同，切片50在堆疊之前可以在每個(gè)切片50上包含換能器材 料56.這種構(gòu)造方法不需要把換能器材料56施加到每個(gè)切片50.無(wú) 論塊54如何被構(gòu)造，換能器材料56的陣列可以作為一個(gè)整體被附在 端部.
在圖1的動(dòng)作14和16中，在切片50中形成孔34，并把芯片44 放置到孔34中，在動(dòng)作18中形成導(dǎo)體.動(dòng)作20與動(dòng)作12—起發(fā)生. 在動(dòng)作22和24中，切片50被堆疊并被層壓.
可以提供其他實(shí)施例用于形成切片50.比如，單獨(dú)地形成切片而 不是從塊或晶片上切割.
困8示出了超聲換能器70.在堆疊和層壓之后，提供具有嵌入芯 片44的衰減材料的背襯塊54.背襯塊54與換能器材料56—起被使用 來(lái)提供超聲換能器70.超聲換能器70包括換能器材料56、元件58上 的電極、背村塊54、以及互連板60.也可以提供額外的、不同的、或 更少的組件.比如，包含匹配層、接地平面柔性材料、透鏡、外殼、 同軸電纜、和/或無(wú)線收發(fā)器.作為另一例子，具有軌道的柔性材料或 電纜連接器在沒(méi)有互連板60的情況下與背襯塊54相連接.
換能器材料56被切成小方塊或被形成為多個(gè)元件58.元件58以 元件58的一維、二維、或其他多維陣列的形式相間隔.對(duì)于元件58 的多維陣列，元件58在方位和仰角上以矩形柵格的方式相間隔.也可 以使用其他柵格.元件58是具有或不具有子方塊(sub-dicing)的單層 或多層壓電元件58.其他類型的換能器材料(比如非壓電的)也是可 能的.在構(gòu)建塊S4之后，可以附上任何類型的換能器.比如，具有背 側(cè)接觸通孔的CMUT被附到塊54上.
每個(gè)元件58在元件58的相對(duì)面上包括電極.在換能器材料56與 背襯塊54之間布置一個(gè)電極.另一電極位于元件58的、發(fā)射和從患 者接收聲信號(hào)的側(cè).所述電極被沉積到元件上，通過(guò)在柔性材料上的 導(dǎo)體形成(比如在用于發(fā)射和接收的元件側(cè)的接地平面)，通過(guò)導(dǎo)線 62、傳導(dǎo)表面52、或背襯塊54的其他導(dǎo)體或其他技術(shù)來(lái)形成.鄰近背
襯塊54的電極比如通過(guò)切成與元件圖樣相匹配的圖樣而彼此電絕緣.
背襯塊54用于來(lái)自換能器70背側(cè)的能量的聲衰減。穿過(guò)換能器 材料56或者從遠(yuǎn)離患者的換能器材料56傳播的聲能被衰減.這種衰 減限制或避免了大得足以在由換能所生成的電信號(hào)中產(chǎn)生不期望的干 擾的聲能反射.背襯塊54防止或限制不是來(lái)自患者的回波的信號(hào)份額。
背襯塊54是任何現(xiàn)在已知的或今后開(kāi)發(fā)的用于以所期望的聲頻 率、比如l-20Hz衰減的材料.背村塊54包括用于衰減的回態(tài)或合成 材料.材料可以是可塑造的、可鑄造的、和/或可加工的.在一個(gè)實(shí)施 例中，使用環(huán)氧樹脂的合成材料和一種或多種填充物，比如鎢.
背襯塊54包含用于與換能器材料54的背側(cè)相接觸的表面72.表 面72包括多個(gè)間隔開(kāi)的或電絕緣的、所暴露的導(dǎo)體52，用于與電極和 /或元件58連接，可替代地，通過(guò)切成小方塊來(lái)提供電絕緣，
背村塊54包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體，比如芯片44.所述半導(dǎo)體包含
有源電路，比如晶體管.在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體是專用集成電路，
但也可以使用其他的集成電路(比如通用處理器).半導(dǎo)體減少了要
被通信至成像系統(tǒng)的信息的通道的數(shù)目.可以使用任何的減少技術(shù).
比如，半導(dǎo)體使用時(shí)間和/或頻率多路復(fù)用來(lái)復(fù)用.作為另一例子，半
導(dǎo)體包含脈沖發(fā)生器，比如開(kāi)關(guān)，用以生成波形.可以包含發(fā)射和/或
接收波束形成組件，比如延遲、相位旋轉(zhuǎn)器、放大器、加法器、或用
于使發(fā)射和接收孔徑相對(duì)延遲和變跡(apodizing)的其他組件.對(duì)于
接收波束形成，可以使用相加來(lái)為元件58的陣列的子孔徑部分地波束
形成。在其他例子中，半導(dǎo)體包含混合器或具有放大器的開(kāi)關(guān)，用于
把來(lái)自不同元件58的信號(hào)混合到較少的通道上.半導(dǎo)體可以包含有不
同于用于通道減少的其他電路，比如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、控制器、發(fā)射/
接收開(kāi)關(guān)、和/或過(guò)濾裝置.
半導(dǎo)體可操作用于特定的陣列和/或成像系統(tǒng).比如，半導(dǎo)體針對(duì)
給定的帶寬和運(yùn)行頻率為元件58的陣列以特定的間距實(shí)施部分或子陣 列波束形成.可替代地，半導(dǎo)體可被配置用以利用不同的元件間距、 成像系統(tǒng)、頻率、和/或帶寬運(yùn)行，通過(guò)配置，相同的半導(dǎo)體可以利用 不同的陣列運(yùn)行.在提供多個(gè)陣列的情況下，由于相同的芯片44可以 供任何陣列使用，所以可以降低制造集成電路的成本.
半導(dǎo)體位于背村材料內(nèi)，比如嵌入在聲衰減背襯材料中的集成電
路.背襯塊54的背襯材料位于半導(dǎo)體與表面72或換能器材料54之間. 比如，提供約5-10mm或其他的空隙.芯片44的一側(cè)鄰近于背襯材料 或與之連接.背村材料也可以鄰近一個(gè)或兩個(gè)其他側(cè)，比如與所述的 一側(cè)相連的側(cè).在一個(gè)實(shí)施例中，背村材料鄰近或環(huán)繞芯片44的四側(cè)。 對(duì)于切片50，背襯材料鄰近兩組相對(duì)側(cè).另外兩側(cè)鄰近其他芯片，但 通過(guò)環(huán)氧樹脂或一個(gè)或多個(gè)絕緣層相分隔.在其他實(shí)施例中，背襯材 料圍繞六個(gè)側(cè)或整個(gè)芯片44.背村材料可以完全地沿著所述側(cè)延伸， 或者僅僅鄰近一個(gè)或多個(gè)側(cè)的一部分.處于芯片44 "內(nèi)"可以包括芯 片44的至少一部分處于背襯塊54之外或者暴露在其邊緣上，
可以在整個(gè)背襯塊54中提供一個(gè)芯片44.在其他實(shí)施例中，在背 襯塊54中嵌入多于一個(gè)的芯片44.比如，多個(gè)切片50組成背襯塊54. 每個(gè)切片50都包括一個(gè)或多個(gè)芯片44.在背襯塊54中為與每個(gè)切片 相關(guān)聯(lián)的元件58提供集成電路.比如，每個(gè)切片50在方位或仰角維 度上對(duì)準(zhǔn)一行元件58.每個(gè)切片50的嵌入式集成電路為元件58的相 應(yīng)行進(jìn)行通道減少，
在聲衰減背襯材料內(nèi)，背襯塊54也包括多個(gè)軌道或?qū)w46.導(dǎo)體 46是所沉積的軌道，比如與切片50相關(guān)聯(lián)的?？商娲?，導(dǎo)體46是 導(dǎo)線、柔性材料、或者在背襯塊54中通過(guò)塑造或其他工藝所形成的其 他裝置.導(dǎo)體46可以包括不同的部分，比如焊接到或與焊盤、導(dǎo)線、 電極、或其他導(dǎo)體相連接的軌道.導(dǎo)體46可以包括用于暴露在背襯塊 54的表面上的部分以及用于接觸芯片44的輸入/輸出焊盤的部分.
導(dǎo)體46把元件58或相應(yīng)的電極連接到芯片44或集成電路的輸入 端.導(dǎo)體46從半導(dǎo)體通過(guò)背襯材料或在其之上延伸到元件58.在一個(gè) 實(shí)施例中，導(dǎo)體46在背村塊54的表面72上延伸到傳導(dǎo)表面52.
導(dǎo)體46從傳導(dǎo)表面52的元件間距至芯片44的集成電路的輸入端 間距重新分配，這些間距是不同的，但也可以是相同的.比如在采用 具有切片50的實(shí)施例的情況下，傳導(dǎo)表面52在表面72上成行地暴露. 導(dǎo)體46把每一行的傳導(dǎo)表面連接到相應(yīng)的半導(dǎo)體芯片44.導(dǎo)體46可 以朝向芯片44扇入(fan in)或扇出(fan out).在每切片一個(gè)芯片的 解決方案中，導(dǎo)體46可以扇出用以適合較大的芯片.由于可以使用導(dǎo) 體46的不同困樣，所以可以以不同的元件間距來(lái)使用相同的芯片44. 可以以相同的元件間距來(lái)使用不同的芯片44,其他的導(dǎo)體46從半導(dǎo)體通過(guò)背襯材料或在其之上延伸到背襯塊54 的背面，但也可以延伸到側(cè)面.四個(gè)表面可以用于至切片的接觸.換 能器陣列側(cè)以及系統(tǒng)互連側(cè)是主要表面，但塊54的與切片垂直的所者 四個(gè)表面可以具有接觸，比如，圖15和16示出在切片50的側(cè)面上的 接地接觸70，其可以用于陣列的接地或其他目的.作為另一例子，用 于至芯片44的功率、芯片44的控制信號(hào)、或來(lái)自芯片44的輸出的導(dǎo) 體46延伸到與換能器材料56相對(duì)的表面.由于通過(guò)集成電路所實(shí)施 的通道組合，所以可以提供較少數(shù)目的導(dǎo)體46.
圖15和16示出了側(cè)接觸70.接觸70連接到其他的導(dǎo)體46和/或 芯片44,在一個(gè)實(shí)施例中，接觸70用于接地.圖16示出了環(huán)繞的傳 導(dǎo)薄膜72用于將陣列56的前面接地.傳導(dǎo)薄膜72通過(guò)壓力、傳導(dǎo)膠、 焊料腫塊、或其他工藝而連接到接觸70,接觸70可以在一側(cè)或兩側(cè). 在其他實(shí)施例中， 一側(cè)或多側(cè)接觸70用于把塊54電接地到外部屏蔽. 在側(cè)面上可以不使用或使用多個(gè)接觸70.
圖13示出了具有冷卻的換能器70的另一實(shí)施例.換能器70在背 村塊54中包含一個(gè)或多個(gè)管子80.這些管子80通過(guò)背襯塊54延伸或 僅僅部分地延伸到背襯塊54中，管子80在堆疊和層壓之后形成，或 者通過(guò)在每個(gè)切片50中單獨(dú)制造的孔來(lái)形成.管子80是垂直的，但 也互連或成角度的.管子80是中空的.強(qiáng)制氣體或液體流經(jīng)管子80 用以主動(dòng)冷卻.可替代地，提供被動(dòng)冷卻。管子80可以是有襯里的 (lined)，也可以是沒(méi)有村里的.在替代實(shí)施例或附加實(shí)施例中，管 子80被填充有熱傳導(dǎo)材料，比如金屬.填充物把熱量從芯片44傳導(dǎo) 到熱排放口或泵.
圖14示出了切片50的另一實(shí)施例.在換能器材料56和元件58 后面的空間受限的情況下，比如在經(jīng)食道探頭中，芯片44可以布置在 背村材料的其他地方.導(dǎo)體46允許對(duì)來(lái)自元件58的信號(hào)路由.切片 50如所示在具有換能器材料56的情況下被形成.可替代地，切片50 在無(wú)換能器材料56的情況下被形成，并在堆疊之后添加材料56.
雖然在上文中通過(guò)參照不同實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng) 理解的是可以在不脫離本發(fā)明范疇的情況下進(jìn)行很多的改變和修改. 因此，前文的詳述應(yīng)認(rèn)為是解釋性的而不是限定的，并且應(yīng)理解的是， 后面的權(quán)利要求、包括所有的等效用來(lái)限定本發(fā)明的精神和范疇.
權(quán)利要求
1.在具有形成多個(gè)元件(58)的換能器材料(56)、每個(gè)元件(58)上的電極、以及聲衰減背襯材料(54)的超聲換能器中，一種改進(jìn)包括嵌入在聲衰減背襯材料(54)中的集成電路(44)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改進(jìn)，其中在聲衰減背襯材料(54)中 的多個(gè)軌道(46)把集成電路(44)連接到電極.
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改進(jìn)，其中集成電路(44)包括專用集 成電路(44).
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)，其中專用集成電路(44)包括發(fā) 射波束形成器、接收波束形成器、發(fā)射器、子陣列波束形成器、多路 復(fù)用器、混合器或其組合中的至少一部分.
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改進(jìn)，其中集成電路(44)包括可配置 的集成電路(44)，其可利用不同的元件間距和成像系統(tǒng)運(yùn)行.
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改進(jìn)，其中聲衰減背襯材料(54)位于 集成電路(44)的第一側(cè)與換能器材料(56)之間，并至少鄰近集成 電路(44)的第二和第三側(cè).
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的改進(jìn)，其中聲衰減背襯材料(54)鄰近 集成電路(44)的第四側(cè)，所述第四側(cè)與所述第一側(cè)相對(duì)，所述笫二 側(cè)與所述第三側(cè)相對(duì)，
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改進(jìn)，其中聲衰減背襯材料(54)包括 多個(gè)切片(50),所述切片(50)中的笫一個(gè)具有所述集成電路(44)、 以及其他切片(50)具有其他集成電路(44)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的改進(jìn)，其中元件(58)包含有在仰角和 方位上的多維布置；其中每個(gè)切片(50)對(duì)準(zhǔn)在方位或仰角維度上的一行元件(58), 切片(50)的導(dǎo)體從所述行中的元件間距連接為集成電路輸入端間距， 元件間距不同于集成電路間距。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)，其中聲衰減背襯材料(54)包 含加栽的環(huán)氣樹脂。
11. 一種用于對(duì)來(lái)自換能器背側(cè)的能量進(jìn)行聲衰減的背襯，所述 背襯包括具有用于與換能器的背側(cè)相接觸的第一表面(72)的背襯材料 (54);以及具有有源電路的半導(dǎo)體(44)，所述半導(dǎo)體(44)位于背村材料 (54)內(nèi).
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的背村還包括第一多個(gè)導(dǎo)體(46)，所述第一多個(gè)導(dǎo)體從半導(dǎo)體(44)通過(guò)背 襯材料(54)或在其之上延伸到第一多個(gè)傳導(dǎo)表面(52)，其中所述 笫一多個(gè)傳導(dǎo)表面(52 )與第一表面(72 )平行并暴露在第一表面(72 ) 上；以及第二多個(gè)導(dǎo)體(46)，所述笫二多個(gè)導(dǎo)體從半導(dǎo)體(44)通過(guò)背 襯材料(54)或在其之上延伸到與第一表面相對(duì)的笫二表面，其中笫 二多個(gè)導(dǎo)體少于笫一多個(gè)導(dǎo)體.
13. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的背村，其中半導(dǎo)體(44)包括發(fā)射波 束形成器、接收波束形成器、發(fā)射器、子陣列波束形成器、多路復(fù)用 器、混合器或其組合中的至少一部分，其中可針對(duì)不同的元件間距和 成像系統(tǒng)配置有源電路.
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的背村，其中背襯材料(54)位于半導(dǎo) 體(44)的第一側(cè)與第一表面(72)之間并至少鄰近半導(dǎo)體(44)的 第二和第三側(cè).
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的背襯，其中背襯材料(54)包括多個(gè) 切片(50),所述切片(50)中的第一個(gè)具有所述半導(dǎo)體(44),并 且其他切片(50)具有其他半導(dǎo)體(44)，多個(gè)切片(50)中的每一 個(gè)都具有在第一表面上以行的方式暴露的導(dǎo)體，所述導(dǎo)體以多行的多 維圖樣分布，其中多個(gè)軌道(46)把每一行的導(dǎo)體(46)連接到相應(yīng) 的半導(dǎo)體(44)，每一行中的導(dǎo)體(46)的間距大于、等于或小于在 相應(yīng)半導(dǎo)體(44)處軌道(46)的間距.
16. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的背村，其中背襯材料(54)包含加栽 的環(huán)氣樹脂，
17. —種用于制造超聲換能器陣列用的背襯的方法，所述方法包括形成(12)聲衰減材料的薄片； 在薄片內(nèi)放置(16)芯片；以及從芯片到薄片的線形成(18)導(dǎo)體.
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成(12)薄片包括形成 晶片，還包括在晶片中形成(14)孑L;其中放置(16)包括在晶片的孔中對(duì)芯片和其他芯片進(jìn)行拾取與 放置處理；以及 還包括從晶片切割(20)多個(gè)切片(50)，每個(gè)切片(50)包括所述芯 片中的一個(gè)；以及彼此相鄰地對(duì)切片(50)堆疊(22).
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成(18)導(dǎo)體包括把導(dǎo) 體沉積到芯片上、沉積到薄片的一部分上方、以及沉積到在線處延伸到薄片中的電極上，導(dǎo)體在電極處的間距大于、等于、或小于在芯片 處導(dǎo)體的間距。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中薄片的高度約是在超聲換 能器陣列的 一 個(gè)維度上的元件間距.
21. 根據(jù)權(quán)利要求n所述的方法，還包括 將薄片與其他薄片層壓(24).
22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成(18)導(dǎo)體包括平面 IC重新分配處理。
23. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成(12)薄片包括從加 栽的環(huán)氧樹脂的晶錠上對(duì)晶片切片，
24. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在薄片中形成(14)第一孔，所述第一孔針對(duì)芯片被定尺寸，所述芯片所具有的高度小于薄片的高度；在薄片中形成(14)至少一個(gè)第二孔，所述笫二孔沿著線；以及 在第二孔內(nèi)放置(16)具有多個(gè)電極的插入物；其中放置(16)包括在笫二孔內(nèi)放置芯片.
全文摘要
本發(fā)明涉及超聲換能器上的嵌入式電路以及制造方法。在背襯塊(54)內(nèi)嵌入一個(gè)或多個(gè)芯片、集成電路(44)、或半導(dǎo)體(44)。形成背襯材料(54)的平面薄片(32)，其中集成電路(44)位于薄片(32)中的孔(34)內(nèi)。軌道(46)把集成電路(44)連接到電極或所暴露的傳導(dǎo)表面(52)。多個(gè)平面薄片(32)可以利用晶片處理來(lái)制造，比如在背襯材料(54)的晶片中對(duì)芯片的拾取和放置(16)以及IC重新分配用于形成軌道(46)。從晶片切割不同的薄片(32)，并彼此相鄰地堆疊(22)。換能器與所暴露的電極或背襯(54)的傳導(dǎo)表面(52)相連接。
文檔編號(hào)G01S7/521GK101344588SQ20081013615
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月10日
發(fā)明者D·A·彼得森, S·C·恩隆德 申請(qǐng)人:美國(guó)西門子醫(yī)療解決公司