具有直接同轴电缆附接的紧凑超声换能器的制作方法

本公开涉及超声换能器，更具体地涉及在同轴电缆和换能器阵列之间具有简化的电互连的换能器和用于制造其的方法。

背景技术：

在当前制造换能器组件中，利用柔性端接部(termination)将印刷电路板(pcb)连接到超声换能器阵列。pcb用作携载信号的同轴电缆的端接部，所述同轴电缆通过焊料被连接到该pcb。所述柔性端接部还被连接到该pcb上与所述同轴电缆相同的一侧并且也被焊接。该pcb桥接所述同轴电缆与所述换能器阵列的换能器元件之间的电连接，所述换能器元件被安装于独立基板上并被连接到所述柔性端接部的另一端。在一些组件中，可能有一个以上的pcb或用于所述同轴电缆与所述超声换能器阵列之间的互连的其他中间基板。

典型的组装方法包括同轴电缆互连到pcb。然后，形成柔性端接部到所述阵列的连接。接下来，通过将所述柔性端接部焊接到所述pcb而在组件之间形成连接。所述柔性端接部被用于提供弯折，使得换能器阵列的取向能够垂直于同轴电缆方向，从而形成正视(forward-looking)换能器阵列设计，或者平行于同轴电缆且偏离轴线移动换能器阵列，从而允许侧视(side-looking)换能器阵列设计。

如文献所述，多层次互连虽然足够但会有很多不利后果。这些后果包括制造复杂、空间利用率低和产品成本。这些后果在导管设计中尤其不利，导管设计会受益于使配合换能器阵列所需的空间最小化，并会进一步受益于减小一次性产品的成本。

技术实现要素：

根据本发明的原理，一种超声设备包括形成于基板的第一侧上的换能器阵列。至少一个通孔在所述第一侧和与所述第一侧相对的第二侧之间穿过所述基板的厚度。导线被电耦合至在所述第二侧上的所述至少一个通孔以往返于所述换能器阵列提供信号。

另一种超声设备包括形成于硅基板的第一侧上的换能器阵列。多个穿硅通孔在所述第一侧和与所述第一侧相对的第二侧之间穿过所述基板的厚度。导电凸块被连接到在所述第二侧上的所述多个穿硅通孔。所述导电凸块包括焊料帽。同轴电缆包括中心导线和接地屏蔽。所述中心导线和所述接地屏蔽被电连接到所述焊料帽。所述同轴电缆往返于所述换能器阵列提供信号。

一种制造超声设备的方法包括：在基板的第一侧上提供换能器阵列，所述基板包括在所述第一侧和与所述第一侧相对的第二侧之间穿过所述基板的厚度的至少一个通孔；将导线电耦合至在所述第二侧上的所述至少一个通孔，所述导线往返于所述换能器阵列提供信号；并且将所述换能器阵列和导线装入超声窗口中。

本公开的这些和其他的目的、特征和优点将从本公开的例示性实施例的以下详细描述中变得显而易见，要结合附图阅读所述描述。

附图说明

本公开将参考以下附图详细给出优选实施例的以下描述，附图中：

图1是示出了根据一个实施例的具有紧凑超声换能器的超声系统的方框/流程图；

图2是示出了根据一个实施例的超声设备的剖视图，所述超声设备的导线通过采用通孔被连接到基板与电容性微加工超声换能器阵列相对；

图3是示出了根据一个实施例的超声设备的剖视图，所述超声设备的导线通过采用通孔被连接到中介(interposer)基板与一维超声换能器阵列相对；

图4是示出了根据一个实施例的超声设备的剖视图，所述超声设备的导线通过采用通孔被连接到专用集成电路与矩阵超声换能器阵列相对；

图5a是示出了根据一个实施例的基板的剖视图，所述基板的通孔终止于用于多个通孔的导电凸块和焊料帽；

图5b是示出了根据一个实施例的同轴电缆的剖视图，所述同轴电缆被移动到接近终止于导电凸块和焊料帽的通孔以进行激光焊接；

图5c是示出了根据一个实施例的焊接到所述基板中的所述通孔的所述同轴电缆的剖视图；

图5d是示出了根据一个实施例的经外涂的所述同轴电缆和电容器部件的剖视图；

图5e是示出了根据一个实施例的装入超声窗口中的换能器阵列、电容器和同轴电缆的剖视图；以及

图6是示出了根据例示性实施例的用于制造超声设备的方法的流程图。

具体实施方式

根据本发明的原理，提供了一种超声换能器、换能器组件和用于制造的方法。本发明的原理在基板上提供换能器阵列，其中能够采用通孔，尤其是穿硅通孔(tsv)。所述通孔穿过其上形成或安装有换能器元件的基板而被形成。然后能够通过同轴电缆连接所述通孔。通过这种方式，提供了一种容易制造的设计，其具有更紧凑的尺寸，对空间的利用更有效率，因此，显著降低了成本。

在一个实施例中，采用电容性微加工超声换能器(cmut)。cmut基板提供了更小的外形轮廓并对紧凑设计有用。此外，cmut基板允许形成通孔以将同轴电缆连接到换能器元件。在另一实施例中，可以在硅中介基板上提供换能器元件的一维阵列。所述中介基板允许形成通孔以将同轴电缆连接到换能器元件。在又一实施例中，可以在专用集成电路(asic)芯片上提供换能器元件的二维阵列(xmatrix)。所述asic允许形成通孔以将同轴电缆连接到换能器元件。此外，能够在所述asic与同轴电缆连接相同一侧上增加解耦电容器元件。这样在所述asic上或附近提供了非常接近微束形成电路的电容器。这些设计是例示性的，对于侧视换能器尤其有用；不过，也想到了其他设计和配置。通过采用通孔，消除了现有技术中采用的柔性端接部、中间部件和其他桥接设备。

应当理解，本发明的原理将参照超声换能器进行描述；但是，本发明的教导要宽得多且适用于任何换能器元件。在一些实施例中，在跟踪或分析复杂生物学或机械系统时采用本发明的原理。具体而言，本发明的原理可应用于可以在身体的所有区域，例如软组织、器官等中对生物系统成像时采用的成像技术。不过，本发明的原理不限于生物成像，而是还可以应用于对机械或结构系统，例如管路、机械系统、流体流等的成像中。附图中描绘的元件可以实现为硬件和软件的各种组合并提供可以在单个元件或多个元件中组合的功能。

能够通过利用专用硬件以及能执行与适当软件相关联的软件的硬件，提供附图中所示的各种元件的功能。在由处理器提供时，所述功能能够由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个个体处理器(其中一些可以共享)来提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为排他地指代能够运行软件的硬件，而是能够隐含地包括，但不限于数字信号处理器(“dsp”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“rom”)、随机存取存储器(“ram”)、非易失性存储器等。

此外，本文中述及本发明原理、方面和实施例以及本发明具体范例的所有叙述都旨在涵盖本发明的结构和功能等价物两者。此外，意图是这样的等价物既包括当前已知的等价物也包括将来开发的等价物(即，开发的执行相同功能的任何元件，不论其结构如何)。于是，例如，本领域技术人员将认识到，本文给出的方框图代表体现本发明原理的例示性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，将认识到，任何流程图表、流程图等都代表可以基本在计算机可读存储介质中表示并因此由计算机或处理器执行的各种过程，无论这样的计算机或处理器是否被明确示出。

此外，本发明的实施例能够采取可从计算机可用或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品的形式，该介质提供了供计算机或任何指令执行系统使用或结合其使用的程序代码。出于本说明书的目的，计算机可用或计算机可读存储介质能够是可以包括、存储、传输、传播或传送程序以供或结合指令执行系统、装置或设备使用的任何装置。该介质可以是电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的或半导体的系统(或装置或设备)抑或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前范例包括紧致盘-只读存储器(cd-rom)、紧致盘-读/写(cd-r/w)、blu-ray^tm和dvd。

还将理解，当诸如层、区域或基板的一元件被称为在另一元件“之上”或“上方”时，它可以直接在另一元件之上或者也可以存在居间(intervening)元件。相反，当一元件被称为在另一元件“直接之上”或“直接上方”时，不存在居间元件。还将理解，当一元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它能够直接连接或耦合到另一元件抑或可以存在居间元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在居间元件。

现在参考附图，其中类似数字代表相同或相似元件，一开始参考图1，以方框图形式示出了根据本发明原理构造的超声成像系统10。所述超声系统10包括换能器设备或探头12，其具有换能器阵列14，用于发射超声波并接收回波信息。换能器阵列14可以被配置为例如线性阵列、二维阵列、相控阵列等，并能够包括压电元件或电容性微加工超声换能器(cmut)元件。换能器阵列14例如能够包括能为2d和/或3d成像在仰角维度和方位角维度上扫描的换能器元件的二维阵列。例如，利用同轴电缆19向换能器阵列14传输电信号。同轴电缆19包括同心或同轴配置的中心导线和接地屏蔽。接地屏蔽辅助减少相邻导线之间的串扰。

换能器阵列14被耦合到探头12中的微波束成形电路或微波束成形器16，其控制由所述阵列中换能器元件对信号的发射和接收。微波束成形器16可以被包括在基板15上或中，例如，在专用集成电路(asic)中，或者可以被包括在独立芯片或设备(例如，用于1d阵列的硅中介板或cmut基板)上。根据本发明原理，换能器阵列14形成于基板15(例如，asic、硅中介板、cmut基板等)上，并且基板15包括至少一个通孔17。通孔17将同轴电缆19连接到基板15相对侧上的换能器阵列14。

在本范例中，微波束成形器16被耦合到发射/接收(t/r)开关18，其在发射和接收之间切换并保护主波束成形器22免受高能量发射信号的影响。在一些实施例中，所述系统中的t/r开关18和其他元件能够被包括在换能器探头中而非在独立的超声系统基体中。换能器阵列14在微波束成形器16的控制下发射超声波束是由耦合到t/r开关18和所述波束成形器22的发射控制器20指导的，其可以从用户操作用户界面或控制面板24接收输入。

发射控制器20控制的一个功能是波束被导引的方向。可以从(正交于)换能器阵列14向正前方或对于更宽的视场在不同角度导引波束。由微波束成形器16产生的部分波束成形的信号被耦合到主波束成形器22，在此将来自换能器元件的各个面片(patch)的部分波束成形信号组合成完全波束成形信号。

所述波束成形的信号被耦合到信号处理器26。信号处理器26能够通过各种方式，例如带通滤波、抽取(decimation)、i和q分量分离以及谐波信号分离，来处理接收到的回波信号。信号处理器26还可以执行额外的信号增强，例如散斑减少、信号混合和噪声消除。经处理的信号被耦合到b模式处理器28，其能够采用幅度检测对身体中的结构进行成像。b模式处理器产生的信号被耦合到扫描转换器30。扫描转换器30以期望的图像格式在接收回波信号的空间关系中布置回波信号。例如，扫描转换器30可以将回波信号布置成二维(2d)扇形格式或锥形三维(3d)图像。将所述2d或3d图像从扫描转换器30耦合到图像处理器36，以进一步增强、缓存和暂时存储，供在图像显示器38上显示。图形处理器40能够产生图形叠加图，以与超声图像一起显示。这些图形叠加图或参数块可以包含例如标准识别信息，例如患者姓名、图像的日期与时间、成像参数、帧索引等。出于这些目的，图形处理器40从用户界面24接收输入，例如键入的患者姓名。用户界面24还能够被用于选择和控制图像的显示。

参考图2，示出了根据一个实施例的用于电连接方案的剖视图。在这一实施例中，换能器阵列102形成于基板104上，并被配置为集成于其中的电容性微加工超声换能器(cmut)元件。基板104优选包括晶体半导体材料，例如si、sige、gaas等。在特别有用的实施例中，基板104包括单晶硅。换能器元件形成于基板104的第一侧114上。换能器元件被电连接到通孔106。通孔106是穿过基板104的整个厚度而形成的，并允许从基板104的第一侧114电连接到第二侧116。

第一侧114上的部件(例如，换能器元件)被连接到通孔106的第一端。诸如同轴电缆的电缆108被连接到通孔106的第二端。应当理解，为简单起见描绘了一个电缆108；不过，多个电缆108可以彼此相邻排列并连接到具有多个通孔106的同一基板。

在一个实施例中，通孔106包括在其第二端连接的焊料球112。诸如同轴电缆的中心导线的导线110连接到焊料球112，因此连接到通孔106的第二端。通孔106可以包括穿硅通孔(tsv)，并且焊料球112可以包括到基板104的背侧(第二侧116)的同轴焊料端接部。根据图2的实施例，电缆108被直接端接到其上形成有换能器阵列102的基板104的背侧116。这尤其适合于cmut一次性导管设备。该技术也能被用于如图3所示的采用硅中介板的1d阵列。

参考图3，示出了根据另一个实施例的用于电连接方案的剖视图。在这一实施例中，换能器阵列202形成于基板204上或中。基板204可以是中介基板，其优选包括晶体半导体材料，例如si、sige、gaas等。在特别有用的实施例中，基板204包括单晶硅。换能器元件形成于基板204的第一侧214上。换能器元件被电连接到通孔206。通孔206是穿过基板204的整个厚度而形成的，并允许从基板204的第一侧214电连接到第二侧216。基板204可以包括电线或导线，用于连接到基板204任一侧上的其他部件或设备(例如，集成电路)。

第一侧214上的部件(例如，换能器元件)被连接到通孔206的第一端。诸如同轴电缆的电缆208被连接到通孔206的第二端。应当理解，为简单起见描绘了一个电缆208；不过，多个电缆208可以彼此相邻排列并连接到具有多个通孔206的同一基板。

换能器阵列202包括基板204的第一侧214上的1d元件阵列。在一个实施例中，通孔206包括在其第二端连接的焊料球212。诸如同轴电缆的中心导线的导线210连接到焊料球212，因此连接到通孔206的第二端。通孔206可以包括穿硅通孔(tsv)，并且焊料球212可以包括到基板204的背侧(第二侧216)的同轴焊料端接部。根据图3的实施例，电缆208被直接端接到其上形成有换能器阵列202的基板204的背侧216。

可以采用多个1d阵列以形成更大阵列。更大的阵列可以包括用于若干同轴电缆的连接方案或图案，其可以被实现为主要实现有效的封装并减小尺寸和成本。

参考图4，示出了根据另一个实施例的用于电连接方案的剖视图。在这一实施例中，换能器阵列302形成于基板304上或中。换能器阵列302包括二维阵列或xmatrix。基板304优选包括晶体半导体材料，例如si、sige、gaas等。基板304可以包括专用集成电路(asic)或其他集成电路(ic)。在一个实施例中，asic或其他ic可以包括微波束成形电路。

在特别有用的实施例中，基板304包括单晶硅。换能器元件或阵列302形成于基板304的第一侧314上。换能器元件被电连接到一个或多个通孔306。通孔306是穿过基板304的整个厚度而形成的，并允许从基板304的第一侧314电连接到第二侧316。

第一侧314上的部件(例如，换能器元件)被连接到通孔306的第一端。诸如同轴电缆的电缆308被连接到通孔306的第二端。应当理解，为简单起见描绘了一个电缆308；不过，多个电缆308可以彼此相邻排列并连接到具有多个通孔306的同一基板。可以实施多种连接方案，主要为了实现有效的封装并减小尺寸和成本。

换能器阵列302包括基板304的第一侧314上的2d元件阵列。在一个实施例中，通孔306包括在其第二端连接的焊料球312。诸如同轴电缆的中心导线的导线310连接到焊料球312，因此连接到通孔306的第二端。通孔306可以包括穿硅通孔(tsv)，并且焊料球312可以包括到基板304的背侧(第二侧316)的同轴焊料端接部。根据图4的实施例，电缆308被直接端接到其上形成有换能器阵列302的基板304的背侧316。

(一个或多个)解耦电容器320被焊接或以其他方式连接到基板304的第二侧316，非常接近在基板304上形成的或通过电缆308连接的微波束成形电路。能够利用类似技术与电缆焊接同时(或不同时)将电容器320焊接到基板304的背面。

应当理解，在一些实施例中，焊料球或凸块112、212、312利用金属垫(未示出)被分别连接到通孔106、206、306。通孔结束于基板背侧上的金属垫(凸块)。金属垫(凸块)可以利用其上的“焊料帽”(例如，焊料球或凸块)制造。尽管一种方案可以包括在铜凸块的尖端上预先涂布的焊料，但能够实施导电连接应用的其他方式，包括，但不限于焊料球印刷、导电聚合物印刷(利用气溶胶喷射技术或利用精确点胶)或其他互连技术。

参考图5a-5e，根据一个例示性实施例示出了用于将同轴电缆连接到换能器基板的处理步骤。图5a-5e示出了基板402，其可以包括参考图2-4所述的任何实施例。换能器阵列404形成于与通往同轴电缆408的6连接相对的一侧。换能器阵列404可以包括1d阵列、2d阵列、cmut等。

参考图5a，基板402包括通孔406。通孔406间隔开，以允许连接到同轴电缆的中心导线和屏蔽两者。通孔406是利用凸块或柱422端接的。凸块422可以置于连接到通孔406的导电垫上。凸块422和垫优选包括高导电金属材料，例如，铜、金等。焊料帽或球412形成于凸块422上。

参考图5b，定位准备的同轴电缆408(例如，通过激光技术剥皮)，从而使中心导线410和接地屏蔽424紧密接触与基板402背面上的焊料帽412对应的区域。一个通孔406对应于所述屏蔽424的位置，而一个通孔406对应于中心导线410的位置。可以采用利用激光426或其他方法的回流焊技术以在惰性气体中熔化焊料帽412的焊料，以形成连接。

参考图5c，焊接的同轴电缆408被示为连接到通孔406。中心导线410和接地屏蔽424通过基板402背面上回流的焊料区域(电连接)428而被连接到凸块422。注意，其他部件，例如电容器、热敏电阻等，也可以被焊接或以其他方式连接到基板402的背面。

参考图5d，执行背衬外涂(backingovercoat)工艺以密封同轴电缆408并保护电连接428。外涂层材料432包括电介质材料，并可以包括环氧树脂或尿烷。在这一实施例中例示性描绘了电容器430。电容器430也被密封在外涂层材料432中。

参考图5e，窗口(外壳)434被置于经过外涂的基板402上方以形成侧视超声探头440。采用粘合剂以将窗口434密封并固定在适当的位置。窗口434可以由诸如pebaxtm等塑料材料注塑成型。可以在超声探头或导管(例如，心腔内超声(ice))中采用探头440。所述导管可以是一次性的或可重复使用的。

根据本发明原理，相对于现有技术设备显著减小了探头440的厚度。在特别有用的实施例中，探头440的厚度被减小到大约基板402的厚度、同轴电缆的直径(408)和(在探头440两侧的)窗口434的厚度。

参考图6，例示性示出了用于制造超声设备的方法。在方框502中，在基板的第一侧上提供换能器阵列。基板包括在第一侧和与第一侧相对的第二侧之间穿过基板厚度的至少一个通孔。基板可以包括电容性微加工超声换能器(cmut)元件、具有换能器元件的一维阵列的中介基板或具有换能器元件的矩阵阵列的专用集成电路内插器基板。还想到了其他配置。

在方框504中，导线被电耦合到至少一个通孔。导线往返于换能器阵列提供信号。在方框506中，导电凸块可以被连接到至少一个通孔。导电凸块可以包括用于焊接到所述导线的焊料帽。所述导线可以包括同轴电缆的中心导线和接地屏蔽。中心导线和接地屏蔽可以被焊接到不同通孔。也可以采用其他连接技术和方法。

在方框510中，解耦电容器、热敏电阻或其他部件可以被安装于基板的第二侧上。在方框512中，在基板的第二侧上安装的导线和任何部件上提供外涂层材料。在方框514中，将换能器阵列和导线装入超声窗口中，例如，以形成换能器探头。设定换能器探头的尺度以容易与导管或用于医疗或其他应用的其他内部成像探头一起使用。

在解释权利要求书时，应当理解：

a)“包括”一词不排除存在给定权利要求中列出的那些元件或动作之外的其他元件或动作；

b)元件前的“一”一词不排除存在多个这样的元件；

c)权利要求书中的任何附图标记都不限制其范围；

d)可以由同一项目或硬件或软件实现的结构或功能代表几个“模块”；并且

e)除非具体指出，并不要求动作有具体的顺序。

已经描述了具有直接同轴电缆附接的紧凑超声换能器的优选实施例(其旨在是例示性的而非限制性的)，要指出的是，本领域技术人员根据以上教导能够做出修改和变化。因此，要理解，可以在所披露的公开的特定实施例中做出改变，这些改变在权利要求书勾勒出的所公开实施例的范围之内。这样描述完专利法要求的细节和特性之后，权利要求书阐述了专利证书主张并希望保护的范围。