CN120476027A - 用于多维矩阵换能器的连接 - Google Patents

Abstract

对于具有阵列上芯片布置结构的换能器，去匹配层延伸超出阵列的占位面积，从而在没有侧壁金属化的情况下允许接地平面的连接。柔性电路材料被平铺，从而减少热变形，降低成本，并且提高制程良率。在给定的换能器中，去匹配层延伸和平铺柔性电路可一起使用或单独使用。

Description

用于多维矩阵换能器的连接

背景技术

本实施例涉及换能器阵列与电子器件的互连。典型的超声成像系统具有由电缆的数量确定的有限数量的通道（例如，64至256个通道），系统通过这些电缆与超声换能器通信。由于二维（2D）矩阵超声换能器可具有比系统通道更多的元件（例如，超过数万个声学元件），因此尽可能靠近声学元件放置的微波束成形专用集成芯片（ASIC）直接操作声学元件。对于阵列上芯片（chip-on-array，COA），放置在切割好的声学元件下方的一个或多个ASIC直接单独地或以小组驱动声学元件，以用于各种波束成形。为了连接ASIC，可使用不那么理想的低温连接，以避免因对声学元件的层压堆叠施加热而引起的问题。对于柔性电路而言布线发送所有元件信号的成本可能高，并且具有不佳的制程良率。为了将来自PZT层的地线连接到ASIC，使用PZT的侧壁金属化。这种金属化导致连接的厚度有限，从而增加不期望的电阻，并且易于断裂。

发明内容

作为介绍，下面描述的优选实施例包括用于具有COA的换能器的方法、系统和部件。去匹配层延伸超出阵列的占位面积（footprint），从而在没有侧壁金属化的情况下允许接地平面的连接。柔性电路材料被平铺，从而减少热变形，降低成本，并且提高制程良率。在给定的换能器中，去匹配层延伸和平铺柔性电路可一起使用或单独使用。

在第一方面，提供了一种多维换能器阵列系统。声学阵列具有在第一区域中在两个维度上呈网格分布的换能器元件。去匹配层与声学阵列相邻。去匹配层具有大于第一区域的第二区域，使得至少第一部分延伸超出声学阵列的占位面积。去匹配层是导电的。接地返回层在与去匹配层相对的一侧上与声学阵列相邻。接地返回层延伸到去匹配层。柔性电路材料层与去匹配层相邻。柔性电路材料被分成多个拼块（tile）。集成电路芯片与柔性电路材料层连接。接地路径从集成电路芯片，通过柔性电路材料层，并且通过去匹配层连接到接地返回层。

在一个实施例中，所述换能器元件通过所述去匹配层的切缝部分和所述柔性电路材料层中的过孔分别电连接到所述集成电路芯片。在另一个实施例中，所述集成电路芯片是安装到所述柔性电路材料层的专用集成电路倒装芯片。

作为又一个实施例，所述换能器元件由切缝分隔，并且各自包括匹配层、压电层、所述去匹配层的切缝部分和信号电极。所述接地返回层没有切缝并且与所述匹配层相邻。

根据一个实施例，所述接地返回层是金属片，所述金属片在所述声学阵列的边缘处弯曲，以与所述去匹配层的延伸超出所述声学阵列的占位面积的所述第一部分连接。在一个示例中，所述去匹配层具有延伸超出所述声学阵列的占位面积的所述第一部分和第二部分。所述金属片与所述去匹配层的所述第一部分和所述第二部分两者连接。可替代地，接地返回层是涂覆有薄金属（例如，层压件中或由其他材料支撑的金属片）的聚合物层（例如，聚酯薄膜）。

在一个实施例中，去匹配层是碳化钨。

在其他实施例中，柔性电路材料被分成多个拼块，作为相同平面中的单独片材，或者作为其中形成有缝隙的片材。

在第二方面，提供了一种换能器阵列系统。换能器元件处于阵列中。接地层分布在所述阵列的换能器元件上方。集成电路芯片电连接到换能器元件。去匹配层处于阵列和集成电路芯片之间。去匹配层是导电的并且具有未被阵列覆盖的部分。所述接地层从所述阵列的换能器元件上方延伸到所述去匹配层的未被所述阵列覆盖的部分。

根据一个实施例，去匹配层是碳化钨。

作为另一个实施例，所述阵列在与声学面平行的平面中具有第一区域。去匹配层具有与该平面平行的第二区域。第二区域比第一区域大所述部分的面积。

在另一个实施例中，所述接地层是金属片，所述金属片在所述阵列的边缘处弯曲，以连接到所述去匹配层。

在另一实施例中，柔性电路材料的片材处于所述去匹配层和所述集成电路芯片之间。所述片材分成两个或更多个拼块，使得不同的拼块电连接到所述换能器元件中的不同换能器元件。

在第三方面，提供了一种用于形成声换能器的方法。柔性电路材料的拼块被结合到去匹配层。半导体芯片被附接到柔性电路材料。该附接使用施加热来实现。换能器元件的阵列被堆叠在去匹配层上。

在一个实施例中，相同平面中的柔性电路材料的分开的片材被结合到所述去匹配层的不同部分。

根据一个实施例，柔性电路材料的片材被结合到去匹配层。该片材具有形成拼块的缝隙。

在另一个实施例中，在所述柔性电路材料的拼块结合到所述去匹配层之后，所述半导体芯片附接到所述柔性电路材料。所述施加热来自回流焊接（solder reflow）或者各向异性导电膜热压键合。

作为又一个实施例，所述阵列被堆叠在所述去匹配层上，其中与所述阵列的最大表面的面积相比，所述去匹配层在第一表面上具有更大的表面积，使得所述去匹配层延伸超出所述阵列。接地平面被铺设在所述阵列上，并且在所述阵列的最大表面的占位面积之外连接到所述去匹配层。

本发明由所附权利要求限定，并且本部分中的任何内容均不应被视为对这些权利要求的限制。本发明的其他方面和优点在下文中结合优选实施例来论述，并且以后可独立地或组合地要求保护。不同的实施例可实现或没有实现不同的目的或优点。

附图说明

部件和附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，贯穿不同的视图，相同的附图标记标示对应的部分。

图1是多维换能器阵列系统的一个实施例的剖面图；

图2是扩展去匹配层上的阵列的一个实施例的顶视图；

图3和图4是示出了平铺柔性电路材料的示例的底视图；

图5是用于使用扩展去匹配层和/或平铺柔性电路材料来形成声换能器的方法的一个实施例的流程图；以及

图6-11图示了图5的方法中的形成的各阶段。

具体实施方式

2D矩阵超声换能器具有各种方面来改进COA技术。2D矩阵换能器中提供了更简单的接地返回路径。去匹配层相对于换能器元件阵列具有扩展的占位面积，从而允许接地平面连接到去匹配层，而不是使用金属化侧壁。为了使得能够实现具有改善的可靠性的高温ASIC附接，并以具有成本效益的方式集成柔性电路，使用平铺柔性电路材料。提供了更好的制程良率和设计自由度。

各种矩阵换能器，例如经胸超声（TTE）换能器、经食道超声（TEE）换能器、导管换能器或者使用具有最低寄生的COA的其他超声换能器，可使用平铺或扩展去匹配。

图1是换能器阵列系统的一个实施例的剖面图。该剖面处于深度-高度维度，其中深度在图上是竖直的，并且高度在图上是水平的。

该系统用于超声换能器探头，例如用在用于从患者外部扫描的手持式探头或者用于从患者体内扫描的腔内（例如，TEE或TTE）或基于导管的探头中。该系统包括一维或多维换能器阵列，例如具有在方位角和仰角两者上分布的元件135的矩阵阵列。可提供多维换能器阵列系统。

该阵列系统包括匹配层100、120、接地层150、阵列层（例如，压电层130）、去匹配层140、柔性电路材料层160、芯片170（例如，专用集成电路）和声学背衬180。可包括附加的、不同的或更少的层，例如不包括声学背衬180、芯片170和/或第二匹配层100。在一个示例中，在换能器系统周围或者与第二声匹配层100相邻设置透镜和/或壳体。在其他示例中，在没有去匹配层140的情况下设置柔性电路材料层160，或者反之亦然。

该阵列系统和对应的探头使用图5的方法或另一种方法形成。

匹配层100和120为1/4波长厚度材料层。可使用声阻抗逐渐变化的多个层，但在其他实施例中仅提供一个匹配层。第二匹配层100提供患者、透镜或其他材料与第一匹配层120之间的声阻抗的过渡。类似地，第一匹配层120提供从第二匹配层100到压电或其他换能器阵列层130的声阻抗过渡。在一个示例中，第二匹配层100是聚氨酯或者具有或不具有填料的其他材料。第一匹配层120为石墨或者其他导电材料。石墨可浸渍铜或其他金属，以增强导电性。

阵列层被示出为PZT层130，但可包括第一匹配层120和/或去匹配层140。PZT层130为PZT材料的厚板或板。可使用固体PZT。可使用单晶或多晶PZT材料。在其他实施例中，使用压电体和环氧树脂或另一种聚合物的复合材料。可使用微机电（电容膜）元件135来代替PZT。本文使用压电示例，因此阵列层将参考PZT层130。

多维换能器阵列132是PZT元件135的阵列。切缝190将PZT层130的元件135分开。切缝190还将第一声匹配层120和去匹配层140分开。在其他实施例中，切缝190将第二匹配层100分开。在又其他的实施例中，切缝190不延伸穿过去匹配层140和/或第一声匹配层120。从换能器的声学面观察，切缝190可呈网格图案，例如在仰角和方位角方向上形成分开的元件135。阵列层包括在声能和电能之间转换的元件135，例如由PZT材料形成的换能器元件135的阵列。阵列层的换能器元件135在一个或两个维度上呈网格分布。

该阵列是平坦的、凹形的或凸形的。在一个实施例中，元件135沿二维分布。元件135沿两个维度（例如，方位角和仰角）以全采样间隔沿各种间距中的任何间距分布，例如每150、250、400或500微米分布。提供元件135的放置的完全或稀疏采样。

阵列的每个换能器元件135包括至少两个电极。导电接地返回层150提供电极中的一个。其他电极通过切缝190与PZT层130分隔，例如作为沉积在PZT层130或去匹配层140的导电单体分割部分上的电极。元件135在电能和声能之间转换。接地层150限定0伏或接地信号。由PZT产生或提供给PZT的电能被提供到与接地层150相对的电极上。该信号电极对于每个元件135是单独的，从而提供从PZT层130并通过去匹配层140到柔性电路材料层160的单独导电路径。由于切缝190延伸穿过去匹配层140，因此去匹配层140的不同的单独部分形成用于信号的导电路径的一部分。

由于整个接地层150覆盖PZT层130的元件135，因此切缝190可能用空气或另一种气体填充。通过用接地层150和去匹配层140（或柔性电路材料层160）包裹堆叠，可使用与环氧树脂或另一种填充物相比具有更好灵敏度的充气切缝190。在替代实施例中，切缝190用环氧树脂或另一种填料填充。

PZT层130的阵列在方位角和仰角上具有一定占位面积。PZT层130的最大表面处于法向于发射和接收方向的平面中，例如限定阵列的声学面的平面。元件135分布在与声学面平行的该平面上，从而产生限定阵列的占位面积的区域。可使用针对元件在方位角和仰角上的分布的弯曲或凸形表面。

去匹配层140为1/4、1/8、1/16或另一波长厚度材料层。可使用任何材料，例如碳化钨（WC）或石墨。去匹配层140提供固支边界条件（clamped boundary condition），从而导致超声换能器的更好的灵敏度和更宽的带宽。去匹配层140处于阵列（PZT层130）和集成电路芯片（170）之间。

去匹配层140是导电的。该层本身的材料可以是导电的和/或添加填料或复合材料以提供导电性。去匹配层140用于形成2D矩阵换能器的公共接地连接。为了驱动PZT元件135，通过将所有单体分割的声学元件135的顶部电极（接地层150）连接到超声系统的电气地来完成接地返回路径。接地层150被连接到系统地。在一个替代实施例中，使用阵列的最外部声学元件135的侧壁上的金属化涂层。该金属化涂层可导致接地路径中的高电阻，并且易于在压电层130的尖锐角部处断裂，因此在易碎的压电陶瓷层130的角部处需要昂贵的斜切加工。

在一个实施例中，去匹配层140被用于接地连接。声学去匹配层140延伸超出有效声学区域。图2示出了一个示例。PZT层130具有限定阵列的声学面的区域的占位面积。该区域由换能器元件135的分布限定。去匹配层140尺寸设定成延伸超出阵列的占位面积。图2示出了去匹配层140在两侧上延伸超出PZT层130的阵列的区域，但是当从上方或下方（即，法向于阵列和/或去匹配层140的最大表面）观察时，去匹配层140的仅一侧、三侧或所有四侧可延伸超出阵列130。

去匹配层140具有的面积大于阵列的面积，使得至少一个部分200、210延伸超出声学阵列的占位面积。与阵列的平面、声学面或穿过阵列的平均平面平行的去匹配层140的面积比阵列的面积大该部分200、210的面积。

延伸超出阵列或PZT层130的部分200、210形成用于接地连接的焊盘。去匹配层140的未被PZT层130的阵列覆盖的部件或部分200、210可用于连接到接地层150。通过延伸超出有效声学区域，接地返回层150可在去匹配层140上、与去匹配层140相邻或抵靠去匹配层140终止。去匹配层140本身是导电的，并且连接到柔性电路材料层160的电气地，使得在声学元件135上没有任何侧壁金属化的情况下，从经切割阵列的顶部到柔性电路材料层160完成导电接地路径。

接地层150为金属箔或金属片。例如，使用铜片或其他导电材料。可替代地，接地返回层是涂覆有薄金属的聚合物层（例如，聚酯薄膜）。

接地层150分布在PZT层和/或一个或两个匹配层100、120上。如图1中所示，接地层150覆盖第一匹配层120，并且被第二匹配层100覆盖。形成切缝190来将换能器元件135分开，并且随后没有切缝的接地层150被铺设在分开的换能器元件135上。接地层150在与去匹配层140相对的一侧上与声学阵列相邻（例如，抵靠元件135安置和/或导电连接到PZT层130）。

接地层150是接地回路，因此连接到芯片170或超声系统地。为了该连接，接地层150延伸到去匹配层140。接地层150从阵列的换能器元件135上方延伸到未被阵列覆盖的去匹配层140的部分200、210。接地层150可具有一些柔性。通过使导电去匹配层140延伸超出PZT层130和对应的换能器元件135的阵列的占位面积，接地层150可在阵列的边缘上弯曲，以向下延伸到并接触去匹配层140的一部分或铺设在该部分上。接地层150的至少一部分延伸到扩展去匹配层140并终止于该层处。该延伸允许接地层150以不那么强烈的弯曲接触去匹配层。可使用比金属化表面更厚的接地平面层150。金属片弯曲而没有在声学阵列的边缘处断裂或撕裂，以与部分200和/或210连接。

在一个实施例中，接地层150的金属片从整个周界（例如，方形或矩形阵列的所有四个边缘）延伸到去匹配层150，其中在所有（例如，四）侧上一部分延伸超出占位面积。接地层150没有切缝190。这允许密封阵列，使得空气被捕获在切缝中。在图1的示例中，接地层150从元件135的阵列的相对侧上的两个平行边缘延伸，并且靠置在部分200、210上。接地层150在少于所有侧上（例如，仅在2侧上）连接到去匹配层140。

接地层150连接到去匹配层150。可使用各种结合材料来将接地返回层150终止在去匹配层140上。例如，使用环氧树脂、银膏或各向异性导电膏（ACP）结合。使用相同或不同的结合来结合匹配层100、120、PZT层130、去匹配层140和/或柔性电路材料层160。

柔性电路材料层160为柔性材料片，可在其上和/或其中形成迹线和/或过孔（例如，沉积和/或蚀刻）。例如，使用聚酰亚胺的片材。该片材位于去匹配层140和芯片170之间。可附接无源和/或有源电子器件。

柔性电路材料层160包括多个过孔。为每个换能器元件135设置一个过孔，但也可设置附加的或更少的过孔。类似地，一个或多个过孔被设置用于接地回路（例如，电连接到接地层150所连接到的去匹配层140的部分200、210）。这些过孔在柔性电路材料层160中形成，例如通过蚀刻、沉积、钻孔或模制。诸如铜的导体沿孔形成线或填充孔，以创建穿过柔性电路材料层160的厚度的导电路径。这些过孔（具有或没有迹线）提供了从柔性电路材料层160的一侧到另一侧的导电路径，以便允许从元件135的信号电极到芯片170的电连接。

使用单层柔性电路材料。在其他实施例中，设置多于一个柔性电路材料层160。例如，提供两层、三层或更多层柔性电路材料的堆叠。迹线的内部布设和/或在柔性电路材料的不同层上的布设可允许元件135的阵列的间距和芯片170的连接焊盘的间距之间在间距上的重新分布或改变。

柔性电路材料层160与声学堆叠连接，以形成声学模块。从元件135的去匹配层140的分开部分到柔性电路材料层160上和/或其中的迹线、过孔或其他导体提供粗糙接触。信号电极（例如，PZT上的金属化电极或者导电去匹配层140的分开部分）连接到柔性电路材料层160的分开的焊盘和迹线。物理连接是通过结合，因此设置结合材料层，同时仍提供与去匹配层140相邻的柔性电路材料层160。结合材料可为环氧树脂、Ag膏或ACP。柔性电路材料层160被结合到声学堆叠或阵列，例如将柔性电路材料160保持到去匹配层140。

柔性电路材料层160与芯片170相邻。一个或多个芯片170连接到柔性电路材料层160。可使用焊接、ACF或其他芯片到柔性电路的连接。例如，设置焊料凸块或焊球，以用于焊接与柔性电路材料层160上的焊盘相邻的芯片170的焊盘。电气接头175的创建使用热，例如用于焊料流动。

考虑到与芯片170相对的相邻去匹配层140的刚性，为了对因用于附接相邻芯片170的热而引起的变形更具抵抗力，柔性电路材料层150是平铺的。柔性电路材料被分成多个（例如，两个、三个、四个或更多个）拼块。在大量（例如，数百或数千）换能器元件135的情况下，将芯片170连接到声学元件135的柔性电路材料层160大且复杂，具有更高的电路布线和越来越多数量的过孔，而柔性电路上的特征小（柔性电路上的过孔小并且线路/迹线较细）。对于COA技术，使用单个大型柔性电路来实现更大孔径的2D矩阵换能器并不经济。可替代地，不使用平铺。使用延伸整个阵列延伸范围的单个片材或片材堆叠。

参考图3和图4，柔性电路材料层160被分成两个或更多个拼块162，使得不同的拼块162电连接到换能器元件135中的不同换能器元件。分开的拼块162连接到不同组的元件135（通过圆圈表示），从而形成相同平面中或沿方位角和/或仰角分布的四个拼块162。

图3示出了使用平铺的一个实施例。柔性电路材料的四个单独的片材164形成柔性电路材料层160。每个单独的片材164是柔性电路材料层160的单独拼块162。分开的片材164被设置在相同平面中。多个小尺寸的柔性电路被平铺在去匹配层140上，以代替单个大型柔性电路。在柔性电路尺寸较小的情况下，柔性制程良率和成本可得到改善。与单个大型柔性电路相比，小型和平铺的柔性电路可进一步减少去匹配层140和柔性电路材料层160之间的热变形失配，从而使得能够实现芯片170附接的高温工艺，如回流焊接和ACF热压键合，由于其卓越的可靠性，它们是优选的ASIC互连。在每个拼块162上安装一个或多个芯片170。

图4示出了用于平铺柔性电路材料层160的另一种方法。柔性电路材料片或层160被分成多个拼块162，作为其中形成有缝隙400的片材。在柔性电路材料层160中引入小缝隙400，这些缝隙400最小化在芯片附接的高温工艺（如回流焊接和ACF热压键合）期间柔性电路材料层160和去匹配层140之间的热变形失配（如果存在）。图4示出了形成“+”图案的两个缝隙400。可使用缝隙400的其他图案，例如沿方位角或仰角的一个缝隙。缝隙400可为任何厚度，例如小于元件135的间距（例如，为1/2或1/4）。缝隙400延伸小于柔性电路材料层160的整个长度或宽度。可替代地，缝隙400沿整个宽度或长度延伸，从而形成分开的片材164。也可使用其他平铺。缝隙400完全穿过片材的厚度形成。可使用延伸小于柔性电路材料层160的整个厚度的缝隙400。

一个或多个集成电路芯片170与柔性电路材料层160连接。集成电路芯片170是集成电路，例如，如图1中所示的专用集成电路（ASIC）、模拟电路、数字电路、开关、多路复用器、控制器、处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或者其他现在已知或以后开发的有源电气部件。集成电路芯片170可呈作为集成电路的芯片形式。

有源电气部件为半导体，例如晶体管器件。“有源”电气部件用于表达器件的类型，而不是器件的操作。基于晶体管或基于开关的器件是有源的，而电阻器、电容器或电感器是无源器件。有源电气器件是一个或多个集成电路，例如ASIC。

半导体或有源电子器件包括用于利用元件135的声学阵列的超声扫描的发射和/或接收电路。例如，多个发射电路被设置为半导体芯片，多个接收电路被设置为半导体芯片，并且控制器被设置为半导体芯片。发射部件与接收部件分开，或者可与接收部件集成。发射部件包括高压脉冲发生器、滤波器、存储器、延迟器、相位旋转器、乘法器、它们的组合或者其他现在已知或以后开发的发射波束成形器部件。接收部件包括滤波器、放大器、延迟器、加法器、它们的组合或者其他现在已知或以后开发的接收波束成形器部件。由于接收波束成形器部件可在比发射部件更低的电压下操作，因此接收和发射部件是分开的器件（例如，分开的芯片或集成电路），但可提供用于发射和接收操作的组合器件。集成电路芯片170包括发射波束成形器、脉冲发生器、接收波束成形器、放大器、相位旋转器、延迟器、加法器和/或用于超声扫描的其他有源电子器件的全部或一部分。

半导体芯片包括输入/输出（I/O）焊盘。半导体芯片包括暴露在最大表面上的I/O导体。在替代实施例中，焊盘沿边缘离开芯片，并且通过引线接合或柔性电路布设到最大表面上的分布。I/O焊盘是形成在芯片170上的导体。Cu柱、电极、迹线、过孔或其他导电结构可用于输入/输出焊盘。

柔性电路材料层160例如利用倒装芯片安装来结合到芯片170。环氧树脂或其他结合材料在接头175处将柔性电路材料层160保持到集成电路芯片170。结合材料另外可在芯片的输入/输出焊盘和柔性电路材料层160的焊盘或过孔之间形成电连接。例如，使用各向异性导电膜（ACF）或焊料。在一个实施例中，使用具有焊料帽的Cu柱凸块接头（例如，Sn-Ag-Cu组合物）。芯片170面向下放置在柔性电路材料层160上。接头175通过高温回流以熔化焊料帽（例如，温度>250℃）来形成到焊盘（Cu柱凸块接头的帽）。可使用用于物理和/或电气连接的其他连接，例如与环氧树脂结合剂的粗糙接触。

图1示出了一个实施例，其中两个或更多个平铺芯片170与柔性电路材料层160连接，但由于缝隙400而连接到不同的拼块162。在一个实施例中，使用单个芯片170，因此其连接到所有拼块162，或者在不使用平铺的情况下连接到单个柔性电路片材。较大数量的声学元件135和对应的孔径导致较大尺寸的芯片170来处理声学信号。更大的芯片170更昂贵，因为在半导体加工期间，更大的芯片有更多可能具有缺陷。为了减小芯片170的尺寸，两个或更多个芯片170以与柔性电路材料层160的拼块162相同或不同的平铺方式（占位面积、形状和/或定向）平铺。

芯片170的I/O电连接到换能器元件135。换能器元件135分别通过去匹配层140的切缝部分和柔性电路材料层160中的过孔来电连接到集成电路芯片170。从一个或多个集成电路芯片170到每个元件135提供电气独立的路径。接地返回路径从一个或多个集成电路芯片170，通过柔性电路材料层160，并且通过去匹配层140，连接到接地返回层150。

图9是用于形成声换能器的方法的一个实施例的流程图。接地路径通过扩展尺寸的去匹配层连接，和/或平铺柔性电路材料层。

该方法形成图1的阵列系统或另一阵列系统。该方法作为阵列系统和/或探头的制造来实现。技术人员或机器人例如使用路标或框架来堆叠和对准。使用烤箱、熨斗、感应焊接机、压机和/或波槽（wave bath）来结合或互连。使用框架、壳体、夹具或保持器在探头壳体中成形和定位。

可使用附加的、不同的或更少的动作。例如，动作500在不平铺的情况下结合柔性电路。作为另一个示例，不执行动作540。在另一个示例中，提供用于添加匹配层、透镜或其他探头部件的动作。在又一个示例中，提供对部件或部分、子组件和/或整个组件的测试。这些动作按照所示的顺序或其他顺序执行。

在动作500中，柔性电路材料的拼块被结合到去匹配层140。例如，分开的柔性电路材料片在相同平面中结合到去匹配层140的不同部分（参见图3）。作为另一个示例，具有形成拼块162的缝隙400的柔性电路材料片被结合到去匹配层140（参见图4）。图6示出了结合到柔性电路材料层160的去匹配层140的示例。去匹配层140将结合到压电层130，因此也充当用于后续附接的结合层。

在一个实施例中，去匹配层140通过各种结合材料（例如，环氧树脂、Ag膏、焊料、各向异性导电膜（AFC）、各向异性导电膏（ACP））中的一种或另一种方法来电连接到柔性电路材料层160。ACF/ACP相应地为基础树脂（环氧树脂或丙烯酸树脂）和分散在基础树脂中的导电球/珠（聚合物芯，其上镀有Ni/Au）的复合膜/膏。这些材料放置在去匹配层140和柔性电路材料层160的焊盘之间。在热压键合期间，ACF/ACP内的导电球被捕获在焊盘之间，从而提供电流路径。柔性电路材料层160在动作510中将安装在柔性电路材料层160下方的集成电路芯片170与稍后在动作520中形成的声学元件135之间竖直地提供电连接，以及提供从换能器朝向超声系统的信号路由。

在动作510中，一个或多个半导体芯片170与去匹配层140相对地附接到柔性电路材料层160。该附接使用热的施加来提供物理和电气连接。在柔性电路材料的拼块162结合到去匹配层140之后，半导体芯片170被附接到柔性电路材料。图7示出了一个示例。

该附接使用任何芯片附接，例如回流焊接或ACF热压键合。该附接使用热形成接头175。由于去匹配层140固有地非常刚性（弹性模量>530GPa），因此去匹配层140为柔性电路材料层160提供尺寸稳定性，以用于各种芯片附接工艺。与柔性电路材料层160的弹性模量和热膨胀系数（20GPa和18 ppm/℃）相比，去匹配层140的更高的弹性模量和更低的热膨胀系数（5~6 ppm/℃）使得能够在各种高温工艺（例如，焊接或ACF键合）期间抑制柔性电路材料的热膨胀，从而减少集成电路芯片170和柔性电路材料层160之间的热变形失配。这也将有助于使芯片-柔性电路组件平坦，而没有任何不期望的弯曲或翘曲。另外，这种构造可减少因在~250℃的温度下的回流焊接之后的冷却期间集成电路芯片170和柔性电路材料之间的热变形失配而在焊接接头175处引起的应力，从而提高接头可靠性。

在动作520中，换能器元件135的阵列被堆叠在去匹配层140上。该堆叠可具有切割之前的层，或者可具有已经切割的阵列。切割之前的堆叠在下面进一步描述。

在动作510中附接集成电路芯片（参见图7）之后，各种声学层（例如，PZT层130和第一声匹配层120）被层压在去匹配层140上，如图8中所示。

阵列层被堆叠在去匹配层上。与阵列的最大表面的面积相比，去匹配层在第一表面上具有更大的表面积。这导致去匹配层延伸超出阵列，如图1和图8中所示。

在层压或结合之后，形成元件135。匹配层120、PZT层130和去匹配层140被切割，从而形成切缝190。可使用任何切割图案，例如十字交叉或平行切割图案。该切割由单体分割的元件190创建阵列。图9示出了一个示例。

在动作530中，接地平面层150被铺设在阵列上。接地平面层150是层叠在阵列的元件135上方并层叠到去匹配层140上的片或箔。去匹配层140的延伸部被用作用于电气和物理连接到接地平面层150的焊盘。

接地平面层150是导电的，并且附接在经切割的阵列上，以在换能器中提供接地返回路径。图10示出了一个示例。去匹配层140长于压电层130和第一声匹配层120。导电接地平面层150的一端终止于延伸超出压电层130和第一声匹配层120的去匹配层140上。

在动作540中，接地平面150被连接到处于阵列的最大表面的占位面积之外的去匹配层140。可使用各种结合材料来将接地返回层150终止在去匹配层140上，例如环氧树脂、银膏和ACP。

铺设的接地平面150也可例如利用环氧树脂来结合到阵列。可替代地，提供松配合或压配合。压电层130和第一声匹配层120是有源声孔径（acoustic aperture），以在换能器的发射模式下生成超声波，并且在接收模式下接收反射的超声波。

如图11中所示，第二声匹配层100可被堆叠或铺设在接地层150上。第二声匹配层100被结合或压配合到接地层150。

各种结合或附接按顺序发生。PZT层130和第一匹配层120可在一个结合步骤中（即同时）结合在一起并结合到去匹配层140。可在堆叠上添加透镜。

无论语法术语用法如何，该术语内都包括具有男性、女性或其他认同的个体。

虽然上面通过参考各种实施例来描述本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出许多改变和修改。因此，前述详细描述旨在被视为说明性的而非限制性的，并且要理解的是，所附权利要求，包括所有等同形式，旨在限定本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种多维换能器阵列系统，所述系统包括：

声学阵列，其具有在第一区域中在两个维度上呈网格分布的换能器元件；

与所述声学阵列相邻的去匹配层，所述去匹配层具有大于所述第一区域的第二区域，使得至少第一部分延伸超出所述声学阵列的占位面积，所述去匹配层是导电的；

接地返回层，其在与所述去匹配层相对的一侧上与所述声学阵列相邻，所述接地返回层延伸到所述去匹配层；

与所述去匹配层相邻的柔性电路材料层，所述柔性电路材料分成多个拼块；以及

与所述柔性电路材料层连接的集成电路芯片，其中接地路径从所述集成电路芯片，通过所述柔性电路材料层，并且通过所述去匹配层连接到所述接地返回层。

2.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中，所述换能器元件通过所述去匹配层的切缝部分和所述柔性电路材料层中的过孔分别电连接到所述集成电路芯片。

3.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中，所述集成电路芯片包括安装到所述柔性电路材料层的专用集成电路倒装芯片。

4.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中，所述换能器元件由切缝分隔，并且各自包括匹配层、压电层、所述去匹配层的切缝部分和信号电极，并且其中，所述接地返回层没有切缝并且与所述匹配层相邻。

5.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中，所述接地返回层包括金属片，所述金属片在所述声学阵列的边缘处弯曲，以与所述去匹配层的延伸超出所述声学阵列的占位面积的所述第一部分连接。

6.根据权利要求5所述的多维换能器阵列系统，其中，所述去匹配层具有延伸超出所述声学阵列的占位面积的所述第一部分和第二部分，并且其中，所述金属片与所述去匹配层的所述第一部分和所述第二部分两者连接。

7.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中，所述去匹配层包括碳化钨。

8.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中，所述柔性电路材料层被分成作为相同平面中的单独片材的多个拼块。

9.根据权利要求1所述的多维换能器阵列系统，其中，所述柔性电路材料层被分成多个拼块，作为其中形成有缝隙的片材。

10.一种换能器阵列系统，包括：

呈阵列的换能器元件；

在所述阵列的所述换能器元件上方分布的接地层；

电连接到所述换能器元件的集成电路芯片；以及

处于所述阵列和所述集成电路芯片之间的去匹配层，所述去匹配层是导电的，并且具有未被阵列覆盖的部分；

其中，所述接地层从所述阵列的所述换能器元件上方延伸到所述去匹配层的未被所述阵列覆盖的部分。

11.根据权利要求10所述的换能器阵列系统，其中，所述去匹配层包括碳化钨。

12.根据权利要求10所述的换能器阵列系统，其中，所述阵列在平行于声学面的平面中具有第一区域，并且所述去匹配层具有与所述平面平行的第二区域，所述第二区域比所述第一区域大所述部分的面积。

13.根据权利要求10所述的换能器阵列系统，其中，所述接地层包括金属片，所述金属片在所述阵列的边缘处弯曲，以连接到所述去匹配层。

14.根据权利要求10所述的换能器阵列系统，还包括处于所述去匹配层和所述集成电路芯片之间的柔性电路材料的片材，所述片材分成两个或更多个拼块，使得不同的拼块电连接到所述换能器元件中的不同换能器元件。

15.一种用于形成声换能器的方法，所述方法包括：

将柔性电路材料的拼块结合到去匹配层；

将半导体芯片附接到所述柔性电路材料，所述附接使用施加热来实现；以及

在所述去匹配层上堆叠换能器元件的阵列。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，结合拼块包括将相同平面中的所述柔性电路材料的分开的片材结合到所述去匹配层的不同部分。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，结合拼块包括将所述柔性电路材料的片材结合到所述去匹配层，所述片材具有形成所述拼块的缝隙。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，附接包括在所述柔性电路材料的拼块结合到所述去匹配层之后，将所述半导体芯片附接到所述柔性电路材料，并且其中，所述施加热包括回流焊接或者各向异性导电膜热压键合。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，堆叠包括将所述阵列堆叠在所述去匹配层上，其中与所述阵列的最大表面的面积相比，所述去匹配层在第一表面上具有更大的表面积，使得所述去匹配层延伸超出所述阵列，并且还包括在所述阵列上铺设接地平面，并将所述接地平面在所述阵列的所述最大表面的占位面积之外连接到所述去匹配层。