CN101006360A - 用于医学超声的换能器阵列 - Google Patents

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Abstract

一种超声换能器(40，70，100)包括组合的单个管芯集成电路(42，72，102)和通过倒装凸块阵列(46，76，106)耦合到该组合的单个管芯集成电路的声学元件阵列(44，74，104)。该组合的单个管芯集成电路包括与至少一个附加的集成电路管芯(50，80，(110，112))对准的第一集成电路管芯(48，78，108)。此外，该第一集成电路管芯、该至少一个附加的集成电路管芯以及该声学元件阵列一起形成大孔径换能器阵列。

Description

用于医学超声的换能器阵列
本申请涉及与本案同时提出的Attorney Docket US040333的Wojtek Sudol题为″Ultrasound Transducer and Method ForImplementing High Aspect Ratio Bumps for Flip-Chip Two-Dimensional Arrays″的专利申请，该专利申请于此全文引入作为参考。
技术领域
本发明通常涉及用于医学超声的换能器阵列，更具体地涉及用于实施倒装二维阵列的方法和设备。
背景技术
在医学超声中，二维换能器阵列通常用于在超声诊断成像期间发射和接收超声波或声学波。现有技术的二维阵列通常包含具有约三千(3,000)个换能器元件的平坦阵列。在一种类型的超声换能器设计中，阵列的所有换能器元件通过使用导电凸块的倒装技术贴附并分别电学连接到集成电路(IC)的表面。该IC提供了对元件的电学控制，例如用于束形成、信号放大等。
超声换能器典型设计的一个示例示于图1。超声换能器10包含声学元件12的平坦阵列，这些声学元件通过倒装导电凸块16耦合到集成电路14的表面。倒装底充(underfil1)材料18包含在倒装导电凸块16、集成电路14、以及声学元件12的平坦阵列之间的区域内。换能器10进一步包含换能器基底20和互连线缆22。互连线缆22用于集成电路14和外部线缆(未示出)之间的互连。利用本领域已知的技术，通过引线接合的引线24将集成电路14电学耦合到互连线缆22。
图2为用于图1的传统超声换能器10的集成电路芯片14的顶视平面图。集成电路芯片14包括置于芯片中心的倒装连接阵列16，该阵列16包括约2500至3000个连接。此外，集成电路芯片14包括分别置于芯片14的第一和第二侧边(分别为27和29)上的第一和第二多个IC至电线(IC-to-flex)连接(分别为26和28)。第一和第二多个IC至电线连接均可包括约100个连接。
倒装组装是使裸露的集成电路(IC)芯片以面向下的配置直接贴附到基板的技术。IC芯片也可以称为管芯。采用倒装组装，通过导电的“凸块”实现了IC芯片和基板之间的电连接。导电凸块的高度限定了IC芯片和基板之间的距离。因此，倒装组装技术提供了许多优点，包括例如高密度I/O计数以及短的互连距离。
集成电路和倒装技术可以应用于大部分超声换能器应用，但是也存在重大限制。也就是说，IC制造技术限于小尺寸部件，并因此限制了将IC技术应用于小换能器阵列。此外，目前存在用于更大换能器阵列的大的应用基底。然而，使用当前的集成电路和倒装技术无法容易地处理该应用基底。
制作大尺寸集成电路是一种挑战。也就是说，大尺寸集成电路的制作受到制作工艺中所用光刻版的尺寸限制。换而言之，整个IC的电路系统必须容纳在该光刻版的尺寸内。光刻版的典型尺寸小于2cm×2cm。
因此，期望一种改进的超声换能器及其制作方法以克服现有技术的问题。
发明内容
根据本发明的一个实施方案，超声换能器包括组合的单个管芯集成电路以及通过倒装凸块阵列耦合到该组合的单个管芯集成电路的声学元件阵列。该组合的单个管芯集成电路包括与至少一个附加的集成电路管芯对准的第一集成电路管芯。此外，该第一集成电路管芯、该至少一个附加的集成电路管芯、以及该声学元件阵列一起形成大孔径换能器阵列。此外，该大孔径换能器阵列可包括1D、1.5D或2D换能器阵列。
附图说明
图1为传统超声传感器的平面视图；
图2为图1的传统超声换能器中使用的集成电路芯片的俯视平面图；
图3为根据本发明一个实施方案，用于制作大孔径阵列二维超声换能器的晶片上的多个集成电路芯片的俯视平面图；
图4为根据本发明一个实施方案，使用图3的集成电路形成大孔径阵列二维超声换能器时的超声换能器一部分的俯视平面图；
图5为根据本发明另一个实施方案，用于制作大孔径阵列二维超声换能器的晶片上的多个集成电路芯片的俯视平面图；
图6为根据本发明另一个实施方案，使用图5的集成电路形成大孔径阵列二维超声换能器时的超声换能器一部分的俯视平面图；
图7为根据本发明又一个实施方案，用于制作大孔径阵列二维超声换能器的晶片上的多个集成电路芯片的俯视平面图；
图8为根据本发明又一个实施方案，使用图7的集成电路形成大孔径阵列二维超声换能器时的超声换能器一部分的俯视平面图；
图9为根据本发明另一个实施方案，形成大孔径阵列二维超声换能器时的超声换能器一部分的俯视平面图；以及
图10为具有根据本发明一个实施方案的超声换能器的超声诊断成像系统的方框图。
在图示中，相同的参考数字表示相同的元件。此外应该注意，图示未按比例绘制。
具体实施方式
在集成电路制造中，半导体晶片通常包含尚未分离成单个器件的多个集成电路管芯(die)。每个集成电路管芯通常包含用于根据具体集成电路应用的需要来执行期望功能的电路系统(circuitry)。例如，集成电路应用可包括超声信号处理电路系统。此外，超声换能器应用可包括心脏应用、腹部应用、经食管(TEE)应用或者其他诊断或治疗超声应用。此外，换能器阵列的形状可以是平坦的，或者可以弯曲形成弯曲线性阵列。
对于超声装置，简化的超声换能器构造工序可包含以下步骤。例如，该工艺开始于从专用集成电路(ASIC)销售者获得包含期望的超声换能器IC的晶片。在该晶片上执行根据本发明一个实施方案的晶片凸块形成工艺。在晶片凸块形成之后，使用标准技术减薄该晶片并将晶片分离成单个管芯。随后执行倒装操作。在倒装操作之后，划片(dicing)操作对声学元件(超声换能器或传感器组件)进行分离。根据具体超声换能器IC应用的要求，该传感器可随后贴附到框架。
图3为根据本发明一个实施方案，用于制作大孔径阵列二维超声换能器的晶片32上的多个集成电路芯片30的俯视平面图。沿参考数字34指示的划片线单个化(singulate)晶片32的各个集成电路芯片30。图4为根据本发明一个实施方案，使用图3的集成电路芯片30形成大孔径阵列二维超声换能器时的超声换能器40一部分的俯视平面图。
在一个实施方案中，超声换能器40包括组合的单个管芯集成电路42以及通过倒装凸块阵列(通常用参考数字46表示)和适当的底充材料(未示出)耦合到该组合的单个管芯集成电路的声学元件阵列(通常用参考数字44表示)。该组合的单个管芯集成电路42包括与至少一个附加的集成电路管芯50对准的第一集成电路管芯48。此外，第一集成电路管芯48、该至少一个附加的集成电路管芯50、以及声学元件阵列44一起形成大孔径二维换能器阵列40。
在另一个实施方案中，第一集成电路管芯48和至少一个附加的集成电路管芯50分别包括相应集成电路管芯的倒装贴附表面54上的焊盘(bond pad)阵列(通常分别用参考数字49和51表示)。所述焊盘具有相邻焊盘之间的节距。第一集成电路管芯与所述至少一个附加的集成电路管芯的对准，保持了该第一和至少一个附加的集成电路管芯各自上焊盘之间节距的延续。
组合的单个管芯集成电路42进一步包括安装在对准基板56上的第一集成电路管芯48和所述至少一个附加的集成电路管芯50。在一个实施方案中，该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括两个集成电路管芯。在另一个实施方案中，该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括三个集成电路管芯。此外，该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯可包括两个单独的单个化集成电路管芯。在后一种情形中，该两个单独的单个化集成电路管芯相互对准并安装在对准基板上。
图5为根据本发明另一个实施方案，用于制作大孔径阵列二维超声换能器的晶片62上的多个集成电路芯片60的俯视平面图。沿参考数字64指示的划片线单个化晶片62的集成电路芯片60中期望的那些。图6为根据本发明另一个实施方案，使用图5的集成电路60形成大孔径阵列二维超声换能器时超声换能器70一部分的俯视平面图。超声换能器70包括组合的单个管芯集成电路72以及通过倒装凸块阵列(通常用参考数字76表示)和适当的底充材料(未示出)耦合到该组合的单个管芯集成电路的声学元件阵列(通常用参考数字74表示)。该组合的单个管芯集成电路72包括与至少一个附加的集成电路管芯80对准的第一集成电路管芯78。也就是说，第一集成电路管芯78和该至少一个附加的集成电路管芯80包括在晶片62上相互对准的两个单独的集成电路管芯60。在这种情况下，这两个单独的集成电路管芯60沿划片线64一起从晶片62单个化，作为组合的单个管芯集成电路72。此外，在特定超声换能器应用的设计部分期间，晶片上单个管芯图形保证了在相邻管芯之间倒装凸块(通常分别使用参考数字79和81表示)的阵列节距延续。
图7为根据本发明又一个实施方案，用于制作大孔径阵列二维超声换能器的晶片92上的多个集成电路芯片90的俯视平面图。沿参考数字94指示的划片线单个化晶片92的集成电路芯片90中期望的那些。图8为根据本发明又一个实施方案，使用图7的集成电路90形成大孔径阵列二维超声换能器时超声换能器100一部分的俯视平面图。超声换能器100包括组合的单个管芯集成电路102以及通过倒装凸块阵列(通常用参考数字106表示)和适当的底充材料(未示出)耦合到该组合的单个管芯集成电路的声学元件阵列(通常用参考数字104表示)。该组合的单个管芯集成电路102包括在晶片92上连续地相互对准的三个单个集成电路管芯90。三个单个集成电路管芯90(对应于图8的管芯108、110和112)一起从晶片92单个化，作为组合的单个管芯集成电路102。此外，在特定超声换能器应用的设计部分期间，晶片上单个管芯图形保证了，在相邻管芯之间倒装凸块(通常分别使用参考数字109、111和113表示)的阵列节距延续。
在又一个实施方案中，该组合的单个管芯集成电路进一步包括同时从晶片单个化的一组两个或更多个单个管芯。晶片上单个管芯图形保证了，在所述两个或更多个单个管芯的组的相邻管芯之间，倒装凸块的阵列节距延续。此外，所述两个或更多个单个管芯的组的相邻管芯之间的倒装凸块阵列节距基本上保持恒定。
图9为根据本发明另一个实施方案，形成大孔径阵列二维超声换能器时超声换能器120一部分的俯视平面图。第一集成电路管芯和所述至少一个附加的集成电路管芯可包括两个或更多个集成电路管芯(通常分别用参考数字132、134和136表示)。在该另一个实施方案中，第一集成电路管芯132包括沿其至少一个侧部的迹线138。该至少一个附加的集成电路管芯134进一步包括沿其至少一个侧部的迹线142。相邻的第一集成电路管芯和至少一个附加的集成电路管芯，在沿相邻的第一和至少一个附加的集成电路管芯的相邻侧部的迹线处针脚式接合在一起。
现在参考图10，该图示出了根据本发明一个实施方案的具有超声换能器的超声诊断成像系统140的方框图。超声诊断成像系统140包含适用于超声换能器探头144的基本单元142。超声换能器探头144包含如此处所述的超声换能器40。基本单元142包含合适的电子装置，用于根据具体超声诊断应用要求执行超声诊断成像。超声换能器探头144通过适当的连接耦合到基本单元142，该连接为例如电缆、无线连接或者其他恰当的装置。超声诊断成像系统140可用于执行各种类型的医学诊断超声成像。此外，超声换能器探头144还可以包括此处所描述和讨论的换能器70、100和130。
因此，适于使用超声换能器40的超声诊断成像系统包括组合的单个管芯集成电路以及通过倒装凸块阵列耦合到该组合的单个管芯集成电路的声学元件阵列。该组合的单个管芯集成电路包括与至少一个附加的集成电路管芯对准的第一集成电路管芯。此外，该第一集成电路管芯、该第二集成电路管芯以及该声学元件阵列一起形成大孔径二维换能器阵列。
一种超声换能器制造方法，包括形成组合的单个管芯集成电路，以及通过倒装凸块阵列将声学元件阵列耦合到该组合的单个管芯集成电路。该组合的单个管芯集成电路包括与至少一个附加的集成电路管芯对准的第一集成电路管芯。该组合的单个管芯集成电路进一步包括分别位于该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯的倒装贴附表面上的倒装凸块阵列。此外，该第一集成电路管芯、该至少一个附加的集成电路管芯、以及该声学元件阵列一起形成大孔径二维换能器阵列。
在另一个实施方案中，该方法进一步包括将该第一集成电路管芯与该至少一个附加的集成电路管芯对准，以保持该第一和该至少一个附加的集成电路管芯各自上倒装凸块之间节距的延续。该方法可进一步包括：通过将该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯安装在对准基板上，形成该组合的单个管芯集成电路。
在另一个实施方案中，该方法包括进一步通过从一个或多个晶片单个化各个该第一集成电路管芯与该至少一个附加的集成电路管芯，由此形成组合的单个管芯集成电路。在一个示例中，该第一集成电路管芯与该至少一个附加的集成电路管芯包括两个单独的单个化集成电路管芯，其中该方法进一步包括将这两个单独的单个化集成电路管芯相互对准并将对准的管芯安装在对准基板上。
在另一个实施方案中，该组合的单个管芯集成电路进一步包括已经同时从晶片单个化的一组两个或更多个单个管芯。例如，该第一集成电路管芯与该至少一个附加的集成电路管芯可包括在晶片上相互对准的两个单个集成电路管芯。此外，这两个单个集成电路管芯一起从晶片单个化，作为所述组合的单个管芯集成电路。在另一个示例中，该第一集成电路管芯与该至少一个附加的集成电路管芯可包括在晶片上连续地相互对准的三个单个集成电路管芯。在后一示例中，该三个单个集成电路管芯一起从晶片单个化，作为所述组合的单个管芯集成电路。此外，晶片上单个管芯图形保证了相邻管芯之间倒装凸块的阵列节距的延续。
因此，本发明实施方案提供了对约大于2cm×2cm的大尺寸阵列实施倒装二维技术的方法。在为了获得大尺寸IC的阵列制造工艺的一个实施方案中，将两个或更多个单独的IC定位、对准并贴附到平坦基板。单个管芯的对准包括保持相邻管芯上焊盘之间节距的延续。在对准和贴附之后，可以执行正常倒装工艺。
在本发明另一个实施方案中，晶片的单个管芯图形布置成保证相邻管芯上阵列节距的延续。在晶片管芯分离工艺期间，可以一起单个化两个或更多个管芯的组。使用大尺寸IC的示例应用包括大尺寸足印腹部阵列(Large Footprint Abdominal Array)、线性换能器和大尺寸弯曲线性阵列(CLA)。
如此处所述，制作大IC尺寸换能器阵列的一个解决方案是彼此相邻地平铺大量小尺寸管芯。此外，针脚式接合技术可以用于通过连接任意数目的相邻管芯而生产大尺寸管芯。通过仔细的管芯设计实现将多个相邻管芯连接，其中该管芯设计成在分步重复的掩模产生工艺期间故意使管芯交叠。这种针脚接合技术的优点包括，所需要的与电线连接器的连接数目小于不采用针脚技术所需的数目。
典型的管芯尺寸约为15mm高乘20mm宽。采用本发明的实施方案，可以使用两个管芯并排形成线性阵列以产生15mm×40mm阵列。如此处结合各个实施方案所讨论的，可以使用三个管芯形成15mm×60mm的弯曲线性阵列。尽管在上文中仅详细描述了几个示范性实施方案，本领域技术人员将会容易地理解，在本质上不背离本发明实施方案的创新教导和优点的情况下，可以在示范性实施方案中进行许多修改。例如，此处揭示的阵列配置可以修改为包括一种或多种形式的弯曲线性阵列(CLA)。通过弯曲组件以形成弯曲线性阵列的期望曲率，由此可以形成弯曲线性阵列。此外，此处所揭示的实施方案并非仅限制于大孔径二维阵列，而且还可以实施为大孔径1D和1.5D阵列。1D阵列包括一行换能器元件。1.5D阵列包括若干行换能器阵列，其中行之间的节距大于行内节距。因此，所有这些修改应落在由所附权利要求界定的本发明实施方案的范围之内。在权利要求中，装置加功能的条款旨在涵盖执行所述功能的结构，且不仅涵盖结构上的等效，还涵盖等效的结构。

Claims (36)

1.一种超声换能器(40，70，100)，包括：
组合的单个管芯集成电路(42，72，102)，该组合的单个管芯集成电路包括与至少一个附加的集成电路管芯(50，80，110，112)对准的第一集成电路管芯(48，78，108)；以及
通过倒装凸块阵列(46，76，106)耦合到该组合的单个管芯集成电路的声学元件阵列(44，74，104)，其中该第一集成电路管芯、该至少一个附加的集成电路管芯以及该声学元件阵列一起形成大孔径换能器阵列。
2.权利要求1所述的超声换能器，其中该第一集成电路管芯(48，78，108)和该至少一个附加的集成电路管芯(50，80，80，112)每一个均包括位于相应集成电路管芯的倒装贴附表面上的焊盘，所述焊盘具有相邻焊盘之间的节距。
3.权利要求2所述的超声换能器，另外其中该第一集成电路管芯与该至少一个附加的集成电路管芯的对准，保持了该第一和该至少一个附加的集成电路管芯各自上焊盘之间节距的延续。
4.权利要求1所述的超声换能器，其中该组合的单个管芯集成电路进一步包括安装在对准基板(56)上的该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯。
5.权利要求4所述的超声换能器，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括两个集成电路管芯。
6.权利要求4所述的超声换能器，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括三个集成电路管芯。
7.权利要求1所述的超声换能器，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括两个单独的单个化的集成电路管芯。
8.权利要求7所述的超声换能器，另外其中所述两个单独的单个化的集成电路管芯相互对准并安装在对准基板上。
9.权利要求1所述的超声换能器，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括在晶片(62)上相互对准的两个单独的集成电路管芯(78，80)。
10.权利要求9所述的超声换能器，另外其中该两个单独的集成电路管芯一起从该晶片单个化，作为所述组合的单个管芯集成电路。
11.权利要求10所述的超声换能器，另外其中该晶片上的单个管芯图形保证了相邻管芯之间倒装凸块的阵列节距的延续。
12.权利要求1所述的超声换能器，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括在晶片(92)上连续地相互对准的三个单独的集成电路管芯(108，110，112)。
13.权利要求12所述的超声换能器，另外其中该三个单独的集成电路管芯一起从该晶片单个化，作为所述组合的单个管芯集成电路。
14.权利要求13所述的超声换能器，另外其中该晶片上的单个管芯图形保证了相邻管芯之间倒装凸块的阵列节距的延续。
15.权利要求1所述的超声换能器，其中该组合的单个管芯集成电路进一步包括同时从晶片单个化的一组两个或更多个单个管芯。
16.权利要求15所述的超声换能器，另外其中该晶片上的单个管芯图形保证了，所述两个或更多个单个管芯的组的相邻管芯之间倒装凸块的阵列节距的延续。
17.权利要求1所述的超声换能器，其中该第一集成电路管芯(132)进一步包括沿其至少一个侧部的迹线(138)，且该至少一个附加的集成电路管芯(134)进一步包括沿其至少一个侧部的迹线(142)，另外其中相邻的该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯在沿相邻的该第一和该至少一个附加的集成电路管芯的相邻侧部的迹线处针脚式接合在一起。
18.权利要求17所述的超声换能器，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括两个集成电路管芯。
19.权利要求17所述的超声换能器，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括三个集成电路管芯。
20.权利要求17所述的超声换能器，在所述两个或更多个单个管芯的组的相邻管芯之间，倒装凸块的阵列节距基本上维持恒定。
21.一种适于使用超声换能器(40，70，100，130)的超声诊断成像系统(140)，所述超声换能器包括：
组合的单个管芯集成电路，该组合的单个管芯集成电路包括与至少一个附加的集成电路管芯对准的第一集成电路管芯；以及
通过倒装凸块阵列耦合到该组合的单个管芯集成电路的声学元件阵列，其中该第一和第二管芯集成电路以及声学元件阵列一起形成大孔径换能器阵列。
22.一种制作超声换能器的方法，包括：
形成组合的单个管芯集成电路，该组合的单个管芯集成电路包括与至少一个附加的集成电路管芯对准的第一集成电路管芯，该组合的单个管芯集成电路进一步包括位于该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯各个的倒装贴附表面上的倒装凸块阵列；以及
通过倒装凸块阵列将声学元件阵列耦合到该组合的单个管芯集成电路，其中该第一集成电路管芯、该至少一个附加的集成电路管芯以及该声学元件阵列一起形成大孔径换能器阵列。
23.权利要求22所述的方法，另外其中将该第一集成电路管芯与该至少一个附加的集成电路管芯对准，以保持该第一和该至少一个附加的集成电路管芯各自上倒装凸块之间节距的延续。
24.权利要求22所述的方法，其中形成该组合的单个管芯集成电路进一步包括将该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯安装在对准基板上。
25.权利要求24所述的方法，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括两个集成电路管芯。
26.权利要求24所述的方法，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括三个集成电路管芯。
27.权利要求22所述的方法，其中形成该组合的单个管芯集成电路进一步包括，从一个或多个晶片单个化该第一集成电路管芯与该至少一个附加的集成电路管芯中的各个。
28.权利要求27所述的方法，另外其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括两个单独的单个化的集成电路管芯，该方法进一步包括：
将该两个单独的单个化的集成电路管芯相互对准并将对准的管芯安装在对准基板上。
29.权利要求22所述的方法，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括在晶片上相互对准的两个单独的集成电路管芯。
30.权利要求29所述的方法，另外其中该两个单独的集成电路管芯一起从该晶片单个化，作为所述组合的单个管芯集成电路。
31.权利要求30所述的方法，另外其中该晶片上单个管芯图形保证了相邻管芯之间倒装凸块的阵列节距的延续。
32.权利要求22所述的方法，其中该第一集成电路管芯和该至少一个附加的集成电路管芯包括在晶片上连续地相互对准的三个单独的集成电路管芯。
33.权利要求32所述的方法，另外其中该三个单独的集成电路管芯一起从该晶片单个化，作为所述组合的单个管芯集成电路。
34.权利要求33所述的方法，另外其中该晶片上单个管芯图形保证了相邻管芯之间倒装凸块的阵列节距的延续。
35.权利要求22所述的方法，其中该组合的单个管芯集成电路进一步包括已经同时从晶片单个化的一组两个或多个单个管芯。
36.权利要求22所述的方法，另外包括弯曲该大孔径换能器阵列以形成弯曲线性阵列。
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