超音波探触子
【課題】ｃＭＵＴを用いて形成される超音波探触子と被検体との密着性を確保し、音響レンズによる減衰の増大を抑える。
【解決手段】バッキング層上に載置されたｃＭＵＴ型の振動子が形成された半導体基板及び外部配線の配線基板とを備え、振動子の電極端子と配線基板のリード電極のボンディングは、バッキング層の載置面からの高さが低い端子側から高い端子側にボンディングされてなる構成とする。
【解決手段】バッキング層上に載置されたｃＭＵＴ型の振動子が形成された半導体基板及び外部配線の配線基板とを備え、振動子の電極端子と配線基板のリード電極のボンディングは、バッキング層の載置面からの高さが低い端子側から高い端子側にボンディングされてなる構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に用いる超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置に用いられる超音波探触子は複数の振動子を備えて形成され、超音波周波数の電気信号（駆動信号）により振動子を駆動して超音波に変換して被検体に送波し、被検体内で反射される超音波の反射エコーを振動子により受波して電気信号に変換するものである。
【０００３】
超音波探触子を構成する振動子には、例えば、特許文献１に記載されているように、ｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer）と称される振動素子を用いることが提案されている。ｃＭＵＴは、容量型振動子であり、絶縁材からなる膜体に一方の電極を形成し、空間を挟んで他方の電極を対向させて配置し、その一対の電極間に駆動信号を印加し、膜体を振動させて超音波を発生させるように形成される。特に、駆動信号に直流のバイアス電圧を重畳させて膜体の緊張度を制御することにより、バイアス電圧の大きさに応じて超音波送受信感度つまり電気機械結合係数を変化させることができるようになっている。また、半導体微細加工プロセスにより製造できることから、開発が進められている。
【０００４】
このようなｃMUTを用いて超音波探触子を形成する場合、通常は、複数のｃMUTにより一つの振動子を形成し、その振動子を同一の半導体基板上に１次元又は２次元に複数配列して形成される。各ｃMUTの超音波送受信面側に配置される振動膜側の電極は、半導体基板の縁部に設けられた振動子の電極端子に個別に接続される。また、一つの振動子を複数のｃMUTで構成する場合は、複数のｃMUTを複数のグループに分けて、グループごとに電極端子を設ける場合もある。各電極端子はフレキシブル配線基板などの外部配線基板に形成されたリード端子にワイヤボンディングにより接続され、リード端子を介して外部から駆動信号が印加されるように構成される (非特許文献１)。
【０００５】
【特許文献１】米国特許公報 ＵＳ２００５／０２０３４０９ Ａ１
【非特許文献１】Omer Oralkan， et． a1． “Volumetric Ultrasound Imaging Using 2-D CMUT Arrays，" IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS，FERROELECTRICS，AND CONTROL，VOL．５０，N0．１９，PP．１５８１-１５９４，NOVEMBER ２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の従来技術では、電極端子とリード端子を接続するボンディングワイヤを収容する空間の大きさによっては、被検体の体表に接触させて用いる超音波探触子の接触面に凹部ができてしまうことについて配慮されていないという問題がある。
【０００７】
すなわち、ｃＭＵＴを用いて形成される超音波探触子は、ｃＭＵＴが形成された半導体基板をバッキング層の上面に接着層を介して固定し、ｃＭＵＴの超音波送受信面側に接着層を介して音響レンズを直接固定した構造を有している。音響レンズは、複数の振動子の配列方向に直交する短軸方向に凸状の曲率を有し、半導体基板の電極端子を除いたｃＭＵＴの超音波送受信面を覆う形状に形成される。また、電極端子は音響レンズの短軸方向の両端部に隣接する半導体基板面に形成され、その電極端子の近くにリード端子を配置して、両端子間をワイヤでボンディングする構造になる。そこで、音響レンズと同一の材料で一体に形成された保護部材を音響レンズの短軸方向の両端部から探触子ケーシングまで伸延させて、保護部材と電極端子面とに挟まれる空間にワイヤボンディング部を収納する構造が採用され、音響レンズと保護部材の外表面により、被検体の体表に接触する接触面が形成される。
【０００８】
ところで、ｃＭＵＴの超音波送受信面側には、音響整合層を設けずに音響レンズが直接接着される構造になり、ｃＭＵＴが形成された半導体基板はますます薄型に形成される傾向にある。したがって、保護部材とチップ電極面とに挟まれる空間の高さが小さくなるから、ループ状を有して形成されるボンディングワイヤを収納する高さの空間を確保するために、音響レンズの厚みを厚くするか、保護部材を外表面側に折り曲げて形成することが余儀なくされる。
【０００９】
しかし、音響レンズの厚みを厚くすると超音波が減衰するという問題につながり、保護部材を外表面側に折り曲げると被検体との接触面に凹部が形成されてしまうため、被検体との接触面に空気層が介在して被検体との密着性が低下し、これにより感度及び周波数特性の劣化が生じて超音波計測の障害になるという問題につながる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、容量型振動子を用いて形成される超音波探触子と被検体との密着性を確保し、音響レンズによる減衰の増大を抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明の超音波探触子は、容量型の振動子が形成された半導体基板と、該半導体基板が載置されたバッキング層と、前記半導体基板の超音波送受信面に載置された音響レンズと、前記振動子に接続され前記半導体基板の超音波送受信面から外れた領域に形成された振動子の電極端子と、前記バッキング層の前記半導体基板の搭載面に載置されたリード端子を有する外部配線に接続される配線基板と、前記電極端子と前記リード端子を接続してなるワイヤボンディング部とを有し、前記ワイヤボンディング部の前記電極端子と前記リード端子のボンディングは、前記バッキング層の載置面からの高さが低い端子側から高い端子側にボンディングされた構成とすることを特徴とする。この場合において、ワイヤボンディング部を覆って音響レンズの短軸方向の両端から探触子ケーシングまで延在させて保護部材を設けた構成とすることができる。
【００１２】
通常、ワイヤボンディングは、ワイヤの先端に電気火花等を飛ばして球状体を形成し、その球状体を半導体基板の電極端子に押し当ててバンプを形成し、そのバンプを介してワイヤ先端を溶着した後、ワイヤを引き伸ばしてワイヤ側面をリード電極に押し当てて溶着する方法が採用される。つまり、半導体基板の電極端子はワイヤボンディング時の機械的な衝撃に弱いから、球状体のバンプを介して溶着することにより衝撃を吸収するようにしている。これによれば、電極端子側のワイヤは電極端子に対して鉛直方向に立ち上がってループ部が形成されるから、電極端子の上方には、ループ部を収納するだけの高さの空間が必要になる。
【００１３】
そこで、本発明では、高さが低い端子側から高い端子側へボンディングすることにより、その段差の分だけ半導体基板面からのループ部の高さを抑えることができる。その結果、保護部材と半導体基板面とに挟まれる空間の高さを小さくできるから、保護部材を外表面側に折り曲げて形成することを回避できる。これにより、被検体との接触面に凹部が形成されるのを防止でき、被検体との密着性を確保して、感度及び周波数特性の劣化を防止できる。また、音響レンズの厚みを厚くするのを抑えることができるから、超音波の減衰を抑制できる。
【００１４】
具体的に、本発明の超音波探触子は、電極端子がリード端子よりも高い場合、ボンディングワイヤは、バンプを介してワイヤ先端がリード端子に溶着され、バンプを介してワイヤ側面が電極端子に溶着された構造とすることができる。また、リード端子が電極端子よりも高い場合、ボンディングワイヤは、バンプを介して電極端子のワイヤ先端が溶着され、バンプを介してワイヤ側面がリード端子に溶着された構造とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、容量型振動子を用いて形成される超音波探触子と被検体との密着性を確保し、音響レンズによる減衰の増大を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の超音波探触子の製造方法の実施形態を説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１に本発明の一実施形態の製造方法により製造されたｃＭＵＴを用いてなる超音波探触子の要部の短軸断面図を示し、図２にｃＭＵＴの振動素子の断面を模式的に示し、図３にｃＭＵＴにより形成された振動子群の一部を斜視図により示す。
【００１８】
図２に示すように、ｃＭＵＴの振動素子１は、半導体プロセスによる微細加工により形成されたものであり、シリコン等の半導体基板２の基板面に、内部に空隙層３を有する絶縁層４が形成されている。絶縁層４の上面には空隙層３に対応させて駆動電極５が形成され、駆動電極５の上面は膜体６により被覆されている。また、半導体基板２の背面には、空隙層３を挟んで駆動電極５に対向させて共通電極７が設けられている。
【００１９】
絶縁層４は、例えば、プラズマ・テトラ・エトキシシラン（ＰＴＥＯＳ）、テトラ・エトキシシラン（ＴＥＯＳ）、シリコン・ナイトライド（ＳｉＮ）等の半導体化合物から形成されている。また、膜体６は、例えば、シリコン化合物等の半導体化合物から形成されている。膜体６の図において上面が超音波送受信面となる。駆動電極５と共通電極７間には、駆動信号を供給する電源を含む送信手段８と、直流のバイアス電圧を印加するバイアス手段９が直列に接続される。また、空隙層３は、真空状態あるいは所定のガスが充填される。なお、ｃＭＵＴの振動素子１は、例えばｃＭｕｔ（Capative Micromachined Ultrasonic Transducer: IEEE Trans．Ultrason．Ferroelect. Freq．Contr．Vol 45 pp．678-690, May 1998）などに記載されているものを適用できる。
【００２０】
このように構成されるｃＭＵＴの振動素子１の駆動電極５と共通電極７の間に直流のバイアス電圧が印加されると、両電極間に電界が形成され、これにより膜体６が緊張してバイアス電圧に応じた電気機械結合係数になる。そして、送信手段８から駆動信号が両電極間に印加されると、その電気機械結合係数に基づいて超音波が膜体６から射出される。また、バイアス電圧を変化させると、電気機械結合係数が変化して、膜体６からはその電気機械結合係数に応じた超音波が膜体６から射出される。超音波を受波するときも同様に、被検体から発生した反射エコー信号により膜体６が励起されることにより、空隙層３の静電容量が変化し、その変化に応じた電気信号が両電極間から出力される。
【００２１】
図２に示したｃＭＵＴの振動素子１を同一の半導体基板１０上に形成することにより、例えば、図３に示すように、均等な複数ｎ個の振動子１１−１〜ｎのパターンをＹ軸方向に配列して１つの超音波探触子が形成される。各振動子１１には、複数ｍ個（図示例では、６個）のｃＭＵＴの振動素子１２−１〜ｍが形成されている。図において、Ｙ軸方向が超音波探触子の長軸方向であり、Ｘ軸方向が短軸方向である。
【００２２】
図３の実施形態では、各振動子１１を形成するｃＭＵＴの振動素子１２−１〜ｍの駆動電極５は、図示していない内部配線によって、半導体基板１０の上面にそれぞれ形成された共通の電極端子１５−１〜ｎに接続されている。また、振動素子１２−１〜ｍの共通電極７は、図示していないが、適宜分割されて長軸方向の両端部に設けられた共通電極に接続されている。
【００２３】
このように構成される各振動子１１は、バイアス手段９によって印加される直流バイアスの電位の大きさによって電気機械結合係数、すなわち送受信感度が変化する。そして、送信手段８から供給される駆動信号を電気機械結合係数に応じて膜体６が振動し、超音波に変換して被検体に送波する。また、被検体から受波した超音波を膜体６で電気信号の反射エコー信号に変換する。
【００２４】
このとき、振動子１１−１〜ｎに印加するバイアス電圧の大きさを変えることで膜体６の緊張度を制御すれば、同一振幅の駆動信号が入力されたときでも、振動子１１−１〜ｎから射出される超音波の音圧（例えば、振幅）を変化させることができる。
【００２５】
ここで、図１を参照して、本発明の特徴である超音波探触子の製造方法の一実施形態により製造された超音波探触子の構成を説明する。本実施形態では、リニアアレイ型の超音波探触子２０の例を示しているが、本発明は、これに限られるものではなく、コンベックス型あるいは二次元アレイ型の超音波探触子にも適用することができる。
【００２６】
図１（ａ）に示すように、図３のｃＭＵＴの複数の振動子が形成された半導体基板２１は、バッキング層２２の一方の面に接着材層２３を介して載置されている。半導体基板２１の超音波送受信面には音響レンズ２４が接着材層２５を介して載置されている。音響レンズ２４は、超音波送受信面の短軸方向に凸状の曲率を有して形成され、音響レンズ２４の短軸方向の両端から延在させて保護部材２６が設けられている。半導体基板２１の超音波送受信面から外れた短軸方向の縁部の領域に、複数の振動子に対応させて複数の電極端子２７が設けられている。
【００２７】
また、外部配線に接続されるフレキシブル配線基板２８が、バッキング層２２の短軸方向の両側面に配置されている。フレキシブル配線基板２８の端部に設けられたリード端子２９は、バッキング層２２の半導体基板２１が搭載される面に載置され、接着材層３０により固定されている。電極端子２７とリード端子２９は、ボンディングワイヤ３１により接続されている。音響レンズ２４の両端から延在された保護部材２６は、電極端子２７とリード端子２９とを接続するワイヤボンディング部を覆って設けられ、その端部は接着材層３２によりケーシング３３の内面に固定されている。なお、フレキシブル配線基板２８に代えて、硬質配線基板を用いてもよい。
【００２８】
本実施形態の電極端子２７のバッキング層２２の上面からの高さは、リード端子２９のバッキング層２２の上面からの高さよりも高く形成されている。つまり、半導体基板２１の厚みが、フレキシブル配線基板２８の厚みよりも厚く形成されている。その結果、図１（ｂ）に示すように、電極端子２７とリード端子２９は、リード間高低差ｄを有して配置されている。
【００２９】
本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、バッキング層２２の半導体基板２１の載置面からの高さが低いリード端子２９側から、電極端子２７側に向ってボンディングする、いわゆる逆ボンディングすることにより、ボンディングワイヤの立ち上がり部に形成されるループ部３４の半導体基板２１の上面からの高さを抑えるようにしている。これにより、保護部材２６を外側へ折り曲げなくてもワイヤボンディング部を保護部材２６と半導体基板２１との間に形成される空間に収納できるから、音響レンズ２４の両端と保護部材２６との外表面を滑らかにつなげることができ、被検体との密着性を確保できる。また、音響レンズ２４の厚みの増大を抑えて、超音波の減衰を抑えることができる。
【００３０】
これに対して、図４に示す比較例のように、電極端子２７側から先にワイヤボンディングを行うと、電極端子２７側にボンディングワイヤのループ部が形成され、後にワイヤボンディングされるリード端子２９側は、ボンディングワイヤのワイヤ側面が溶着される。つまり、ワイヤボンディングにより形成されるループ部の半導体基板２１の上面からの高さが高いと、保護部材２６の内面と半導体基板２１の上面との間の空間にループ部が収まらなくなる。ループ部を収めるためには、保護部材２６に折り曲げ部３５を設けて音響レンズ２４につなぐことが考えられるが、折り曲げ部３５により被検体との接触面に窪みが生じてしまうため、被検体との密着性が低下し、感度、周波数特性の劣化が生じて超音波計測の障害になるという問題がある。これに代えて、音響レンズ２４の全体の厚みを増大して折り曲げ部３５による窪みを小さくすることが考えられるが、音響レンズ２４の厚みを増大すると、超音波の減衰が大きくなるという問題がある。
【００３１】
ここで、図５を参照して、本実施形態のワイヤボンディングの手順を具体的に説明する。
【００３２】
工程１： 金等のワイヤ４１をクランプ４２及びキャピラリ４３で保持し、ワイヤ４１の先端に電気火花等を飛ばして球状のボール４４を形成する。
【００３３】
工程２： その状態でクランプ４２を開いてキャピラリ４３を電極端子２７に向って降下させて、ボール４４をターゲットの電極端子２７に接触させ、キャピラリ４３でボール４４を捕捉したまま、加熱及び加圧状態で超音波をボール４４に印加してバンプを形成する。
【００３４】
工程３： キャピラリ４３を一定の高さまで上昇させた後に、バンプの接合部上に再降下してワイヤ４１の先端を押し付ける。この際にも加熱及び加圧状態で超音波をボール４４に印加して、ワイヤ４１を電極端子２７上に接合させて、バンプ４５を形成する。
【００３５】
工程４： キャピラリ４３はバンプ４５を残したまま、接合部からワイヤ４１をひきちぎる。キャピラリ４３の先端に確保されたワイヤ４１の先端部に高電圧をかけて火花を飛ばし、キャピラリ先端にボールを形成する。以上の工程にて電極端子２７上にバンプ４５を形成する。
【００３６】
工程５： ワイヤ４１の先端にボールが捕捉された状態で、クランプ４２が開いてキャピラリ４３をリード端子２９に降下させる。キャピラリ４３はボール４４を捕捉したまま、加熱及び加圧状態で超音波をボール４４に印加してターゲット上にバンプ４６を介してワイヤ４１の先端をリード端子２９に溶着する。
【００３７】
工程６： キャピラリ４３が一定の高さ(ループ高さ)まで上昇し、ワイヤ４１を引き伸ばして電極端子２７上に形成されているバンプ４５上まで移動し、再降下してワイヤ４１の側面をバンプ４５上に押し付ける。この際にも加熱及び加圧状態で超音波をバンプ４５に印加して、ワイヤ４１をターゲット上に接合させる。
【００３８】
工程７： キャピラリ４３はワイヤ４１を残したまま、接合部からワイヤ４１をひきちぎる。キャピラリ４３の先端に確保されたワイヤ４１の先端部に高電圧をかけて火花を飛ばし、キャピラリ先端にボールを形成する。
【００３９】
このように逆ボンディングすることにより、図１（ｂ）に示すように、リード端子２９側にワイヤの立ち上がり部が形成されるため、(ループ高さ)＝(立ち上がり部高さ)−(電極端子２７とリード端子２９間高低差)の関係になる。その結果、立ち上がり部高さを低くすることなく、ループ部の高さ（ループ高さ）を低くできる。なお、逆ボンディングの場合、電極端子２７への機械的衝撃によるダメージを避けるため、予め電極端子２７側にバンプ４５を形成しておく必要がある。
【００４０】
（実施形態２）
図６に、図１に本発明の他の実施形態の製造方法により製造されたｃＭＵＴを用いてなる超音波探触子の要部の短軸断面図を示す。図１の実施形態と同一構成の部品には、同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態が、実施形態１と異なる点は、電極端子２７の高さがリード端子２９の高さと同等もしくは電極端子２７の高さがリード端子２９の高さよりも低い場合に本発明を適用したことにある。
【００４１】
本実施形態の場合は、図６（ａ）に示すように、電極端子２７とリード端子２９を通常ボンディングにより接続している。つまり、製造技術等の進歩によって半導体基板２１の厚みがフレキシブル配線基板２８の厚みと同等、もしくはフレキシブル配線基板２８の厚みよりも薄く形成された場合に相当する。この場合のループ高さは、バッキング層２２の上面からの高さが高いリード端子２９によって支配されるので、バッキング層２２の上面からの高さが低い電極端子２７側からボンディングを行う。この場合は、電極端子２７にワイヤ側面を直接ボンディングしないので、機械的衝撃を緩和するためのバンプを予め形成する工程を省略できる。
【００４２】
本実施形態の場合は、音響レンズ５０の全体の厚みを厚くして、保護部材５１を半導体基板２１の上面から離して配置することにより、ボンディングワイヤ部を収納する空間を確保している。これにより、音響レンズ５０の両端と保護部材５１との外表面を滑らかにつなげることができ、窪みが形成されないので、被検体との密着性を確保できる。なお、音響レンズ５０の厚みが若干増大するが、超音波の減衰量の増加は十分抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態の製造方法により製造された超音波探触子の要部の断面図である。
【図２】ｃＭＵＴの振動素子の断面を模式的に示す図である。
【図３】ｃＭＵＴにより形成された振動子の一部を示す斜視図である。
【図４】比較例の製造方法により製造された超音波探触子の要部の断面図である。
【図５】図１実施形態のボンディングの具体的手順を説明する工程図である。
【図６】本発明の他の実施形態の製造方法により製造された超音波探触子の要部の断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
２１ 半導体基板
２２ バッキング層
２３ 接着材層
２４ 音響レンズ
２５ 接着材層
２６ 保護部材
２７ 電極端子
２８ フレキシブル配線基板
２９ リード端子
３０ 接着材層
３１ ボンディングワイヤ
３４ ループ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に用いる超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置に用いられる超音波探触子は複数の振動子を備えて形成され、超音波周波数の電気信号（駆動信号）により振動子を駆動して超音波に変換して被検体に送波し、被検体内で反射される超音波の反射エコーを振動子により受波して電気信号に変換するものである。
【０００３】
超音波探触子を構成する振動子には、例えば、特許文献１に記載されているように、ｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer）と称される振動素子を用いることが提案されている。ｃＭＵＴは、容量型振動子であり、絶縁材からなる膜体に一方の電極を形成し、空間を挟んで他方の電極を対向させて配置し、その一対の電極間に駆動信号を印加し、膜体を振動させて超音波を発生させるように形成される。特に、駆動信号に直流のバイアス電圧を重畳させて膜体の緊張度を制御することにより、バイアス電圧の大きさに応じて超音波送受信感度つまり電気機械結合係数を変化させることができるようになっている。また、半導体微細加工プロセスにより製造できることから、開発が進められている。
【０００４】
このようなｃMUTを用いて超音波探触子を形成する場合、通常は、複数のｃMUTにより一つの振動子を形成し、その振動子を同一の半導体基板上に１次元又は２次元に複数配列して形成される。各ｃMUTの超音波送受信面側に配置される振動膜側の電極は、半導体基板の縁部に設けられた振動子の電極端子に個別に接続される。また、一つの振動子を複数のｃMUTで構成する場合は、複数のｃMUTを複数のグループに分けて、グループごとに電極端子を設ける場合もある。各電極端子はフレキシブル配線基板などの外部配線基板に形成されたリード端子にワイヤボンディングにより接続され、リード端子を介して外部から駆動信号が印加されるように構成される (非特許文献１)。
【０００５】
【特許文献１】米国特許公報 ＵＳ２００５／０２０３４０９ Ａ１
【非特許文献１】Omer Oralkan， et． a1． “Volumetric Ultrasound Imaging Using 2-D CMUT Arrays，" IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS，FERROELECTRICS，AND CONTROL，VOL．５０，N0．１９，PP．１５８１-１５９４，NOVEMBER ２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の従来技術では、電極端子とリード端子を接続するボンディングワイヤを収容する空間の大きさによっては、被検体の体表に接触させて用いる超音波探触子の接触面に凹部ができてしまうことについて配慮されていないという問題がある。
【０００７】
すなわち、ｃＭＵＴを用いて形成される超音波探触子は、ｃＭＵＴが形成された半導体基板をバッキング層の上面に接着層を介して固定し、ｃＭＵＴの超音波送受信面側に接着層を介して音響レンズを直接固定した構造を有している。音響レンズは、複数の振動子の配列方向に直交する短軸方向に凸状の曲率を有し、半導体基板の電極端子を除いたｃＭＵＴの超音波送受信面を覆う形状に形成される。また、電極端子は音響レンズの短軸方向の両端部に隣接する半導体基板面に形成され、その電極端子の近くにリード端子を配置して、両端子間をワイヤでボンディングする構造になる。そこで、音響レンズと同一の材料で一体に形成された保護部材を音響レンズの短軸方向の両端部から探触子ケーシングまで伸延させて、保護部材と電極端子面とに挟まれる空間にワイヤボンディング部を収納する構造が採用され、音響レンズと保護部材の外表面により、被検体の体表に接触する接触面が形成される。
【０００８】
ところで、ｃＭＵＴの超音波送受信面側には、音響整合層を設けずに音響レンズが直接接着される構造になり、ｃＭＵＴが形成された半導体基板はますます薄型に形成される傾向にある。したがって、保護部材とチップ電極面とに挟まれる空間の高さが小さくなるから、ループ状を有して形成されるボンディングワイヤを収納する高さの空間を確保するために、音響レンズの厚みを厚くするか、保護部材を外表面側に折り曲げて形成することが余儀なくされる。
【０００９】
しかし、音響レンズの厚みを厚くすると超音波が減衰するという問題につながり、保護部材を外表面側に折り曲げると被検体との接触面に凹部が形成されてしまうため、被検体との接触面に空気層が介在して被検体との密着性が低下し、これにより感度及び周波数特性の劣化が生じて超音波計測の障害になるという問題につながる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、容量型振動子を用いて形成される超音波探触子と被検体との密着性を確保し、音響レンズによる減衰の増大を抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明の超音波探触子は、容量型の振動子が形成された半導体基板と、該半導体基板が載置されたバッキング層と、前記半導体基板の超音波送受信面に載置された音響レンズと、前記振動子に接続され前記半導体基板の超音波送受信面から外れた領域に形成された振動子の電極端子と、前記バッキング層の前記半導体基板の搭載面に載置されたリード端子を有する外部配線に接続される配線基板と、前記電極端子と前記リード端子を接続してなるワイヤボンディング部とを有し、前記ワイヤボンディング部の前記電極端子と前記リード端子のボンディングは、前記バッキング層の載置面からの高さが低い端子側から高い端子側にボンディングされた構成とすることを特徴とする。この場合において、ワイヤボンディング部を覆って音響レンズの短軸方向の両端から探触子ケーシングまで延在させて保護部材を設けた構成とすることができる。
【００１２】
通常、ワイヤボンディングは、ワイヤの先端に電気火花等を飛ばして球状体を形成し、その球状体を半導体基板の電極端子に押し当ててバンプを形成し、そのバンプを介してワイヤ先端を溶着した後、ワイヤを引き伸ばしてワイヤ側面をリード電極に押し当てて溶着する方法が採用される。つまり、半導体基板の電極端子はワイヤボンディング時の機械的な衝撃に弱いから、球状体のバンプを介して溶着することにより衝撃を吸収するようにしている。これによれば、電極端子側のワイヤは電極端子に対して鉛直方向に立ち上がってループ部が形成されるから、電極端子の上方には、ループ部を収納するだけの高さの空間が必要になる。
【００１３】
そこで、本発明では、高さが低い端子側から高い端子側へボンディングすることにより、その段差の分だけ半導体基板面からのループ部の高さを抑えることができる。その結果、保護部材と半導体基板面とに挟まれる空間の高さを小さくできるから、保護部材を外表面側に折り曲げて形成することを回避できる。これにより、被検体との接触面に凹部が形成されるのを防止でき、被検体との密着性を確保して、感度及び周波数特性の劣化を防止できる。また、音響レンズの厚みを厚くするのを抑えることができるから、超音波の減衰を抑制できる。
【００１４】
具体的に、本発明の超音波探触子は、電極端子がリード端子よりも高い場合、ボンディングワイヤは、バンプを介してワイヤ先端がリード端子に溶着され、バンプを介してワイヤ側面が電極端子に溶着された構造とすることができる。また、リード端子が電極端子よりも高い場合、ボンディングワイヤは、バンプを介して電極端子のワイヤ先端が溶着され、バンプを介してワイヤ側面がリード端子に溶着された構造とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、容量型振動子を用いて形成される超音波探触子と被検体との密着性を確保し、音響レンズによる減衰の増大を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の超音波探触子の製造方法の実施形態を説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１に本発明の一実施形態の製造方法により製造されたｃＭＵＴを用いてなる超音波探触子の要部の短軸断面図を示し、図２にｃＭＵＴの振動素子の断面を模式的に示し、図３にｃＭＵＴにより形成された振動子群の一部を斜視図により示す。
【００１８】
図２に示すように、ｃＭＵＴの振動素子１は、半導体プロセスによる微細加工により形成されたものであり、シリコン等の半導体基板２の基板面に、内部に空隙層３を有する絶縁層４が形成されている。絶縁層４の上面には空隙層３に対応させて駆動電極５が形成され、駆動電極５の上面は膜体６により被覆されている。また、半導体基板２の背面には、空隙層３を挟んで駆動電極５に対向させて共通電極７が設けられている。
【００１９】
絶縁層４は、例えば、プラズマ・テトラ・エトキシシラン（ＰＴＥＯＳ）、テトラ・エトキシシラン（ＴＥＯＳ）、シリコン・ナイトライド（ＳｉＮ）等の半導体化合物から形成されている。また、膜体６は、例えば、シリコン化合物等の半導体化合物から形成されている。膜体６の図において上面が超音波送受信面となる。駆動電極５と共通電極７間には、駆動信号を供給する電源を含む送信手段８と、直流のバイアス電圧を印加するバイアス手段９が直列に接続される。また、空隙層３は、真空状態あるいは所定のガスが充填される。なお、ｃＭＵＴの振動素子１は、例えばｃＭｕｔ（Capative Micromachined Ultrasonic Transducer: IEEE Trans．Ultrason．Ferroelect. Freq．Contr．Vol 45 pp．678-690, May 1998）などに記載されているものを適用できる。
【００２０】
このように構成されるｃＭＵＴの振動素子１の駆動電極５と共通電極７の間に直流のバイアス電圧が印加されると、両電極間に電界が形成され、これにより膜体６が緊張してバイアス電圧に応じた電気機械結合係数になる。そして、送信手段８から駆動信号が両電極間に印加されると、その電気機械結合係数に基づいて超音波が膜体６から射出される。また、バイアス電圧を変化させると、電気機械結合係数が変化して、膜体６からはその電気機械結合係数に応じた超音波が膜体６から射出される。超音波を受波するときも同様に、被検体から発生した反射エコー信号により膜体６が励起されることにより、空隙層３の静電容量が変化し、その変化に応じた電気信号が両電極間から出力される。
【００２１】
図２に示したｃＭＵＴの振動素子１を同一の半導体基板１０上に形成することにより、例えば、図３に示すように、均等な複数ｎ個の振動子１１−１〜ｎのパターンをＹ軸方向に配列して１つの超音波探触子が形成される。各振動子１１には、複数ｍ個（図示例では、６個）のｃＭＵＴの振動素子１２−１〜ｍが形成されている。図において、Ｙ軸方向が超音波探触子の長軸方向であり、Ｘ軸方向が短軸方向である。
【００２２】
図３の実施形態では、各振動子１１を形成するｃＭＵＴの振動素子１２−１〜ｍの駆動電極５は、図示していない内部配線によって、半導体基板１０の上面にそれぞれ形成された共通の電極端子１５−１〜ｎに接続されている。また、振動素子１２−１〜ｍの共通電極７は、図示していないが、適宜分割されて長軸方向の両端部に設けられた共通電極に接続されている。
【００２３】
このように構成される各振動子１１は、バイアス手段９によって印加される直流バイアスの電位の大きさによって電気機械結合係数、すなわち送受信感度が変化する。そして、送信手段８から供給される駆動信号を電気機械結合係数に応じて膜体６が振動し、超音波に変換して被検体に送波する。また、被検体から受波した超音波を膜体６で電気信号の反射エコー信号に変換する。
【００２４】
このとき、振動子１１−１〜ｎに印加するバイアス電圧の大きさを変えることで膜体６の緊張度を制御すれば、同一振幅の駆動信号が入力されたときでも、振動子１１−１〜ｎから射出される超音波の音圧（例えば、振幅）を変化させることができる。
【００２５】
ここで、図１を参照して、本発明の特徴である超音波探触子の製造方法の一実施形態により製造された超音波探触子の構成を説明する。本実施形態では、リニアアレイ型の超音波探触子２０の例を示しているが、本発明は、これに限られるものではなく、コンベックス型あるいは二次元アレイ型の超音波探触子にも適用することができる。
【００２６】
図１（ａ）に示すように、図３のｃＭＵＴの複数の振動子が形成された半導体基板２１は、バッキング層２２の一方の面に接着材層２３を介して載置されている。半導体基板２１の超音波送受信面には音響レンズ２４が接着材層２５を介して載置されている。音響レンズ２４は、超音波送受信面の短軸方向に凸状の曲率を有して形成され、音響レンズ２４の短軸方向の両端から延在させて保護部材２６が設けられている。半導体基板２１の超音波送受信面から外れた短軸方向の縁部の領域に、複数の振動子に対応させて複数の電極端子２７が設けられている。
【００２７】
また、外部配線に接続されるフレキシブル配線基板２８が、バッキング層２２の短軸方向の両側面に配置されている。フレキシブル配線基板２８の端部に設けられたリード端子２９は、バッキング層２２の半導体基板２１が搭載される面に載置され、接着材層３０により固定されている。電極端子２７とリード端子２９は、ボンディングワイヤ３１により接続されている。音響レンズ２４の両端から延在された保護部材２６は、電極端子２７とリード端子２９とを接続するワイヤボンディング部を覆って設けられ、その端部は接着材層３２によりケーシング３３の内面に固定されている。なお、フレキシブル配線基板２８に代えて、硬質配線基板を用いてもよい。
【００２８】
本実施形態の電極端子２７のバッキング層２２の上面からの高さは、リード端子２９のバッキング層２２の上面からの高さよりも高く形成されている。つまり、半導体基板２１の厚みが、フレキシブル配線基板２８の厚みよりも厚く形成されている。その結果、図１（ｂ）に示すように、電極端子２７とリード端子２９は、リード間高低差ｄを有して配置されている。
【００２９】
本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、バッキング層２２の半導体基板２１の載置面からの高さが低いリード端子２９側から、電極端子２７側に向ってボンディングする、いわゆる逆ボンディングすることにより、ボンディングワイヤの立ち上がり部に形成されるループ部３４の半導体基板２１の上面からの高さを抑えるようにしている。これにより、保護部材２６を外側へ折り曲げなくてもワイヤボンディング部を保護部材２６と半導体基板２１との間に形成される空間に収納できるから、音響レンズ２４の両端と保護部材２６との外表面を滑らかにつなげることができ、被検体との密着性を確保できる。また、音響レンズ２４の厚みの増大を抑えて、超音波の減衰を抑えることができる。
【００３０】
これに対して、図４に示す比較例のように、電極端子２７側から先にワイヤボンディングを行うと、電極端子２７側にボンディングワイヤのループ部が形成され、後にワイヤボンディングされるリード端子２９側は、ボンディングワイヤのワイヤ側面が溶着される。つまり、ワイヤボンディングにより形成されるループ部の半導体基板２１の上面からの高さが高いと、保護部材２６の内面と半導体基板２１の上面との間の空間にループ部が収まらなくなる。ループ部を収めるためには、保護部材２６に折り曲げ部３５を設けて音響レンズ２４につなぐことが考えられるが、折り曲げ部３５により被検体との接触面に窪みが生じてしまうため、被検体との密着性が低下し、感度、周波数特性の劣化が生じて超音波計測の障害になるという問題がある。これに代えて、音響レンズ２４の全体の厚みを増大して折り曲げ部３５による窪みを小さくすることが考えられるが、音響レンズ２４の厚みを増大すると、超音波の減衰が大きくなるという問題がある。
【００３１】
ここで、図５を参照して、本実施形態のワイヤボンディングの手順を具体的に説明する。
【００３２】
工程１： 金等のワイヤ４１をクランプ４２及びキャピラリ４３で保持し、ワイヤ４１の先端に電気火花等を飛ばして球状のボール４４を形成する。
【００３３】
工程２： その状態でクランプ４２を開いてキャピラリ４３を電極端子２７に向って降下させて、ボール４４をターゲットの電極端子２７に接触させ、キャピラリ４３でボール４４を捕捉したまま、加熱及び加圧状態で超音波をボール４４に印加してバンプを形成する。
【００３４】
工程３： キャピラリ４３を一定の高さまで上昇させた後に、バンプの接合部上に再降下してワイヤ４１の先端を押し付ける。この際にも加熱及び加圧状態で超音波をボール４４に印加して、ワイヤ４１を電極端子２７上に接合させて、バンプ４５を形成する。
【００３５】
工程４： キャピラリ４３はバンプ４５を残したまま、接合部からワイヤ４１をひきちぎる。キャピラリ４３の先端に確保されたワイヤ４１の先端部に高電圧をかけて火花を飛ばし、キャピラリ先端にボールを形成する。以上の工程にて電極端子２７上にバンプ４５を形成する。
【００３６】
工程５： ワイヤ４１の先端にボールが捕捉された状態で、クランプ４２が開いてキャピラリ４３をリード端子２９に降下させる。キャピラリ４３はボール４４を捕捉したまま、加熱及び加圧状態で超音波をボール４４に印加してターゲット上にバンプ４６を介してワイヤ４１の先端をリード端子２９に溶着する。
【００３７】
工程６： キャピラリ４３が一定の高さ(ループ高さ)まで上昇し、ワイヤ４１を引き伸ばして電極端子２７上に形成されているバンプ４５上まで移動し、再降下してワイヤ４１の側面をバンプ４５上に押し付ける。この際にも加熱及び加圧状態で超音波をバンプ４５に印加して、ワイヤ４１をターゲット上に接合させる。
【００３８】
工程７： キャピラリ４３はワイヤ４１を残したまま、接合部からワイヤ４１をひきちぎる。キャピラリ４３の先端に確保されたワイヤ４１の先端部に高電圧をかけて火花を飛ばし、キャピラリ先端にボールを形成する。
【００３９】
このように逆ボンディングすることにより、図１（ｂ）に示すように、リード端子２９側にワイヤの立ち上がり部が形成されるため、(ループ高さ)＝(立ち上がり部高さ)−(電極端子２７とリード端子２９間高低差)の関係になる。その結果、立ち上がり部高さを低くすることなく、ループ部の高さ（ループ高さ）を低くできる。なお、逆ボンディングの場合、電極端子２７への機械的衝撃によるダメージを避けるため、予め電極端子２７側にバンプ４５を形成しておく必要がある。
【００４０】
（実施形態２）
図６に、図１に本発明の他の実施形態の製造方法により製造されたｃＭＵＴを用いてなる超音波探触子の要部の短軸断面図を示す。図１の実施形態と同一構成の部品には、同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態が、実施形態１と異なる点は、電極端子２７の高さがリード端子２９の高さと同等もしくは電極端子２７の高さがリード端子２９の高さよりも低い場合に本発明を適用したことにある。
【００４１】
本実施形態の場合は、図６（ａ）に示すように、電極端子２７とリード端子２９を通常ボンディングにより接続している。つまり、製造技術等の進歩によって半導体基板２１の厚みがフレキシブル配線基板２８の厚みと同等、もしくはフレキシブル配線基板２８の厚みよりも薄く形成された場合に相当する。この場合のループ高さは、バッキング層２２の上面からの高さが高いリード端子２９によって支配されるので、バッキング層２２の上面からの高さが低い電極端子２７側からボンディングを行う。この場合は、電極端子２７にワイヤ側面を直接ボンディングしないので、機械的衝撃を緩和するためのバンプを予め形成する工程を省略できる。
【００４２】
本実施形態の場合は、音響レンズ５０の全体の厚みを厚くして、保護部材５１を半導体基板２１の上面から離して配置することにより、ボンディングワイヤ部を収納する空間を確保している。これにより、音響レンズ５０の両端と保護部材５１との外表面を滑らかにつなげることができ、窪みが形成されないので、被検体との密着性を確保できる。なお、音響レンズ５０の厚みが若干増大するが、超音波の減衰量の増加は十分抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態の製造方法により製造された超音波探触子の要部の断面図である。
【図２】ｃＭＵＴの振動素子の断面を模式的に示す図である。
【図３】ｃＭＵＴにより形成された振動子の一部を示す斜視図である。
【図４】比較例の製造方法により製造された超音波探触子の要部の断面図である。
【図５】図１実施形態のボンディングの具体的手順を説明する工程図である。
【図６】本発明の他の実施形態の製造方法により製造された超音波探触子の要部の断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
２１ 半導体基板
２２ バッキング層
２３ 接着材層
２４ 音響レンズ
２５ 接着材層
２６ 保護部材
２７ 電極端子
２８ フレキシブル配線基板
２９ リード端子
３０ 接着材層
３１ ボンディングワイヤ
３４ ループ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量型の振動子が形成された半導体基板と、該半導体基板が載置されたバッキング層と、前記半導体基板の超音波送受信面に載置された音響レンズと、前記振動子に接続され前記半導体基板の超音波送受信面から外れた領域に形成された振動子の電極端子と、前記バッキング層の前記半導体基板の搭載面に載置されたリード端子を有する外部配線に接続される配線基板と、前記電極端子と前記リード端子を接続してなるワイヤボンディング部とを有し、
前記ワイヤボンディング部の前記電極端子と前記リード端子のボンディングは、前記バッキング層の載置面からの高さが低い端子側から高い端子側にボンディングされていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探触子において、
前記ワイヤボンディング部を覆って前記音響レンズの短軸方向の両端から探触子ケーシングまで延在させて保護部材が設けられたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波探触子において、
前記電極端子が前記リード端子よりも高い場合、ボンディングワイヤは、バンプを介してワイヤ先端が前記リード端子に溶着され、バンプを介してワイヤ側面が前記電極端子に溶着されてなることを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波探触子において、
前記リード端子が前記電極端子よりも高い場合、ボンディングワイヤは、バンプを介して前記電極端子のワイヤ先端が溶着され、バンプを介してワイヤ側面が前記リード端子に溶着されてなることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１】
容量型の振動子が形成された半導体基板と、該半導体基板が載置されたバッキング層と、前記半導体基板の超音波送受信面に載置された音響レンズと、前記振動子に接続され前記半導体基板の超音波送受信面から外れた領域に形成された振動子の電極端子と、前記バッキング層の前記半導体基板の搭載面に載置されたリード端子を有する外部配線に接続される配線基板と、前記電極端子と前記リード端子を接続してなるワイヤボンディング部とを有し、
前記ワイヤボンディング部の前記電極端子と前記リード端子のボンディングは、前記バッキング層の載置面からの高さが低い端子側から高い端子側にボンディングされていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探触子において、
前記ワイヤボンディング部を覆って前記音響レンズの短軸方向の両端から探触子ケーシングまで延在させて保護部材が設けられたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波探触子において、
前記電極端子が前記リード端子よりも高い場合、ボンディングワイヤは、バンプを介してワイヤ先端が前記リード端子に溶着され、バンプを介してワイヤ側面が前記電極端子に溶着されてなることを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波探触子において、
前記リード端子が前記電極端子よりも高い場合、ボンディングワイヤは、バンプを介して前記電極端子のワイヤ先端が溶着され、バンプを介してワイヤ側面が前記リード端子に溶着されてなることを特徴とする超音波探触子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１９３３５７（Ｐ２００８−１９３３５７Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４７７５（Ｐ２００７−２４７７５）
【出願日】平成１９年２月２日（２００７．２．２）
【出願人】（０００１５３４９８）株式会社日立メディコ (1,613)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２日（２００７．２．２）
【出願人】（０００１５３４９８）株式会社日立メディコ (1,613)
【Ｆターム（参考）】
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