JP2017018390A

JP2017018390A - 超音波プローブ

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Publication number: JP2017018390A
Application number: JP2015139345A
Authority: JP
Inventors: 和也元木; Kazuya Motoki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-13
Also published as: JP6661290B2

Abstract

【課題】超音波プローブ内において、電子回路チップと熱伝導体との絶縁性を担保しつつ、両者間の十分な熱伝導性を確保する。【解決手段】裏面５４ａが導電性であるＡＳＩＣ５４、及び金属製の後側熱伝導体３４が、絶縁機能及び熱伝導機能を有する複合層９０ｂを介して、互いに接合される。複合層９０ｂは、絶縁性の薄膜状のフィルム９６、フィルム９６とＡＳＩＣ５４とを接着する前側接着層９８、及びフィルム９６と後側熱伝導体３４とを接着する後側接着層１００を含んで構成される。フィルム９６によりＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４との間の絶縁性が担保される。また、フィルム９６を絶縁耐力の比較的高い物質で形成することで、フィルム９６を数μｍ程度に薄くしても絶縁性を担保可能となる。フィルム９６の厚みを数μｍ程度にすることで複合層９０ｂの厚みも数μｍ〜数十μｍまで小さくすることが可能になり、複合層９０ｂの熱伝導性が高く維持される。【選択図】図５

Description

本発明は、超音波プローブに関し、特に、超音波プローブ内に配置される電子回路チップと熱伝導体との接合構造に関する。

医療の分野において超音波診断装置が活用されている。超音波診断装置は、被検体に対して超音波を送受波し、これにより得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する装置である。超音波の送受波は、装置本体に有線あるいは無線で接続される超音波プローブにより行われる。超音波プローブの中には、チャンネルリダクション（装置本体と超音波プローブ間における信号線の本数削減）などのための電子回路チップが搭載されたものがある。

電子回路チップが搭載された超音波プローブが動作すると、電子回路チップにおいて多大な熱が発生する。一方、超音波プローブは被検体に当接させるものであることから、被検体に接触する部分の表面温度が所定値を超えてはならないという規定が設けられている。そこで、電子回路チップにおいて発生した熱を被検体に接触する部分にできるだけ伝わらないように放熱する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、電子回路チップにおいて発生した熱を電子回路チップの後ろ側、つまり被検体との接触面から離れる方向に移送するよう、熱伝導率の高い物質で形成されたバッキング材（音響エネルギーを減衰させるための支持ブロック）を電子回路チップの後ろ側に配置する構造が開示されている。

特表２０１４−５０８０２２号公報

電子回路チップにおいて生じた熱を放熱するためには、高い熱伝導率を示す金属で形成される熱伝導体を電子回路チップに直接接触させるのが好適である。このようにすれば、より多くの熱量を電子回路チップから熱伝導体に移送（吸収）させることができる。そして、熱伝導体に吸収された熱を被検体との接触面から離れる方向に移送させることができる。

一方、放熱性能向上のため、若しくは超音波プローブの小型化又は軽量化などのために、パッケージ化されていないチップ、つまりベアチップが電子回路チップとして用いられる場合がある。ベアチップは、電子回路を構成するシリコン基板の表面（裏面）が露出しているものである。これにより、その裏面から効果的な放熱を行える。その結果、電子回路チップの表面が導電性となっている。

電子回路チップとしてベアチップが利用されている場合は、電子回路チップの表面が導電性となっているから、導体である熱伝導体を直接電子回路チップに接触させることはできない。熱伝導体に一定の電位（例えばグランド電位）が与えられていれば当然に接触させることはできないし、たとえ熱伝導体の電位が不定だったとしても、熱伝導体は一般に高い熱吸収量を得るために体積が大きくなっており、体積の大きい導体が電子回路の一部に接触すると当該回路の容量リアクタンスが変動するなどして回路の性能に問題が生じる可能性があるため、やはり熱伝導体を直接電子回路チップに接触させることはできない。一方において、熱伝導体は電子回路チップにおいて発生した熱を吸収して移送するためのものであるから、電子回路チップと熱伝導体との間の良好な熱伝導性も確保しなければならない。

本発明の目的は、超音波プローブ内において、電子回路チップと熱伝導体との絶縁性を担保しつつ、両者間の十分な熱伝導性を確保することにある。

本発明に係る超音波プローブは、複数の振動素子と、前記複数の振動素子に供給される複数の送信信号及び前記複数の振動素子から出力される複数の受信信号の少なくとも一方を処理する電子回路と、少なくとも一部が導電性であるチップ面とを有する熱源としての電子回路チップと、前記チップ面に対向する対向面を有する熱伝導体と、前記チップ面と前記対向面との間において熱伝導機能及び電気的絶縁機能を発揮する複合機能層と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、表面（チップ面）の少なくとも一部が導電性である、つまりベアチップである電子回路チップのチップ面と熱伝導体の対向面との間に、熱伝導機能及び電気的絶縁機能を発揮する複合機能層が設けられる。これにより、チップ面と対向面との間の電気的短絡を防ぎつつ、電子回路チップにおいて発生した熱を好適に熱伝導体へ移送することができる。

電気的絶縁機能は、複合層に含まれる絶縁体によって実現される。当該絶縁体によりチップ面と対向面の接触を防ぐ、あるいは、チップ面と対向面との間で絶縁破壊が起こり得る程度に両者が近接することを防ぐことで電気的絶縁機能が発揮される。

熱伝導機能は、複合機能層をできるだけ薄くすること、つまりチップ面と対向面とをできるだけ近づけることで実現される。あるいは、絶縁性であって熱伝導率の高い物質を複合層に含めるようにしてもよい。その場合であっても、チップ面と対向面との間の距離はできるだけ小さい方が好ましい。チップ面と対向面との距離は、両者の電気的絶縁が担保される（つまりチップ面と対向面との間で絶縁破壊が生じない）限りにおいて最小に設定されるのが好ましい。当該距離は、例えば複合機能層に含まれる絶縁体の絶縁耐力とチップ面と対向面との間に生じ得る電位差を考慮して決定される。なお、当該熱伝導機能により、少なくとも、電子回路チップにおいて生じた熱により超音波プローブの被検体当接面の温度上昇が所定値（例えば規定により定められる温度）以上とならない程度に電子回路チップからの熱を熱伝導体へ移送できればよい。

望ましくは、前記複合機能層は、更に前記電子回路チップと前記熱伝導体とを接着する接着機能を発揮する。

複合機能層が接着機能を有することで、熱伝導体を電子回路チップに対して、複合機能層を介して密着固定させることができる。これにより、チップ面と対向面とが不意に離れたりすることがないので、電子回路チップにおいて生じた熱がより好適に熱伝導体へ移送される。

望ましくは、前記複合機能層は、更に衝撃吸収機能を発揮する。

超音波プローブは人の手によって動かされる部品であるため、ぶつけたり、あるいはケーブルが引っ張られたりすることなどによって衝撃を受けやすい。特に、ベアチップである電子回路チップは、衝撃耐性がパッケージチップよりも低い。したがって、電子回路チップが衝撃から保護されることが好ましい。複合機能層が衝撃吸収機能を有することで、少なくとも超音波プローブの後方（超音波送受波面とは反対の方向）から電子回路チップへ伝わる衝撃（例えばケーブルから伝わってくる衝撃）を低減させることができる。

望ましくは、前記複合機能層において、前記チップ面と前記対向面との間に所定の距離を設定し維持する距離設定手段により前記電気的絶縁機能の絶縁性能が一定に維持される。

上述のように、電子回路チップから熱伝導体への熱伝導性を高く保つという観点から、チップ面と対向面との間の距離は電気的絶縁が担保される限りにおいて最小に設定される。チップ面と対向面とが極限まで近接していると、チップ面と対向面との間の距離が不意に縮まり電気的短絡を生じるおそれがある。そこで、チップ面と対向面との間の距離を一定に保つ距離設定手段を設けることで両者間の距離が一定に保たれ、複合機能層の絶縁性能が一定に維持される。もちろん、チップ面と対向面との間の距離が維持されることで、複合機能層の熱伝導性能も一定に維持される。

望ましくは、前記複合機能層は、絶縁体で形成される薄膜状の絶縁フィルム、前記絶縁フィルムと前記電子回路を接着する第１接着層、及び、前記絶縁フィルムと前記熱伝導体とを接着する第２接着層を含む。

当該構成によれば、絶縁フィルム、第１接着層、及び第２接着層によりチップ面と対向面との間の絶縁性が担保される。つまり、絶縁フィルム、第１接着層、及び第２接着層によって、チップ面と対向面との間の距離が、電気的絶縁を担保する限りにおける最小距離に設定される。もちろん第１及び第２の接着層においては、絶縁性の接着剤が用いられるのが好ましい。また、複合機能層に薄膜状の絶縁フィルムを設けることで、複合機能層の厚さ（つまりチップ面と対向面との間の距離）をより小さくすることが可能になる。もちろん、絶縁フィルムとしては絶縁耐圧が大きい物質で形成されるのが好ましい。これにより、電子回路チップから熱伝導体への熱伝導性が高く維持される。また、第１接着層及び第２接着層により接着機能が発揮される。

望ましくは、前記絶縁フィルムの弾性率は、前記第１接着層及び前記第２接着層の弾性率よりも小さい。

第１及び第２接着層をできるだけ薄くしつつ、且つ、高い接着力を発揮するために、第１及び第２接着層においては弾性率の高い（つまり硬い）硬化型の接着剤を用いなければならない場合がある。そのような場合、第１及び第２接着層では衝撃吸収機能を発揮するのが難しいため、少なくとも第１及び第２接着層よりも弾性率が小さく柔らかい絶縁フィルムを用いることで、絶縁フィルムにおいて衝撃吸収機能を発揮することができる。

望ましくは、前記対向面の面積は、前記チップ面の面積よりも大きく、前記絶縁フィルムは、前記対向面の全体を覆うように設けられる。

対向面の面積がチップ面の面積よりも大きい場合、電子回路チップの側面と対向面との間で絶縁破壊により電気的短絡が生じるおそれがある。対向面の全体が絶縁フィルムで覆われていることにより、このような電子回路チップの側面と対向面との間の電気的短絡を防止することができる。

本発明によれば、超音波プローブ内において、電子回路チップと熱伝導体との絶縁性を担保しつつ、両者間の十分な熱伝導性を確保することができる。

本実施形態に係る超音波プローブの外観斜視図である。本実施形態に係る超音波プローブの分解斜視図である。送受波ユニットの拡大図である。後側熱伝導体の構造を示す斜視図である。複合層の例を示す断面図である。図５（ｂ）に示す複合層の変形例を示す図である。複合層の熱抵抗と超音波送受波面との温度上昇値との関係を示すグラフである。反りが生じたＡＳＩＣに複合層を接合した場合の断面図である。ＡＳＩＣの研磨量の例を示す図である。好適な研磨方向の例を示す図である。研磨後のＡＳＩＣを複合層に接合した場合の断面図である。

以下、本発明に係る用超音波プローブの実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係る超音波プローブ１０の外観斜視図である。超音波プローブ１０は前後方向に伸長した形状であり、最前部に設けられた超音波送受波面１２から超音波を送受波する。つまり、超音波送受波面１２が被検体に対して当接される面である。超音波プローブ１０は、防水あるいは防菌のための外皮として前側ケース１４及び後側ケース１６を有している。前側ケース１４及び後側ケース１６は組み合わされることで一体となる。これによりプローブケースが構成される。前側ケース１４及び後側ケース１６は、防水性、防菌性、及び絶縁性の高い物質で構成されるのが好適である。本実施形態では、前側ケース１４及び後側ケース１６は樹脂で構成されている。超音波プローブ１０の最後部からは超音波診断装置本体に接続されるケーブル１８が伸びている。ケーブル１８と後側ケース１６との接合部を保護するためにケーブル保護ブーツ２０が設けられる。なお、本明細書においては、超音波プローブ１０の短手方向をｘ軸、長手方向をｙ軸、ｘ軸及びｙ軸に直交する方向をｚ軸とする。また、超音波送受波面１２が設けられる側（ｙ軸の正方向側）を「前側」と、その反対方向（ｙ軸の負方向側）を「後側」と記載する。

図２は、超音波プローブ１０の分解斜視図である。超音波プローブ１０は、ケース内部に、振動子及び電子回路チップを含む送受波ユニット３０、振動子からの熱を前側ケース１４に伝える前側熱伝導体３２、電子回路からの熱を後側ケース１６に伝える後側熱伝導体３４、中継基板を介して電子回路チップに電気的に接続され超音波診断装置本体からの信号の経路となるＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）４２、ＦＰＣ４２へ接続される線材４４、及びＦＰＣ４２と線材４４とを中継するコネクタ４６を含んで構成されている。

図３は、送受波ユニット３０の拡大図である。送受波ユニット３０は、複数の振動素子を含み超音波を送受波する振動子アレイ５０、振動子アレイ５０に含まれる各振動素子とＡＳＩＣ５４とを電気的に接続し、またＦＰＣ４２とＡＳＩＣ５４とを電気的に接続する中継基板５２、電子回路チップとしてのＡＳＩＣ５４、振動子アレイ５０の不要な振動を抑えるバッキング材５６、振動子アレイ５０と被検体との間の音響インピーダンスの整合を取り超音波の反射を抑制する音響整合層５８、及び音響レンズ６０を含んで構成されている。図３に示される通り、送受波ユニット３０においては、前側から、音響レンズ６０、音響整合層５８、振動子アレイ５０、バッキング材５６、中継基板５２、ＡＳＩＣ５４の順番に配置される。

中継基板５２は、例えばガラスエポキシなどの材質で形成される基板である。中継基板５２は多層基板であり、各層において電気的配線が施されている。中継基板５２の面積は、ＡＳＩＣ５４の面積よりも大きくなっており、その裏面５２ａ（後側の面）において、略中央にＡＳＩＣ５４が、ＡＳＩＣ５４の周囲にコンデンサあるいはサーミスタなどのチップ部品が表面実装されている。中継基板５２のおもて面（前側の面）には、バッキング材５６に設けられる複数のリード線（後述）と電気的に接触するための複数のパッドが設けられている。

ＡＳＩＣ５４は、送信サブビームフォーマー及び受信サブビームフォーマーとして機能するものである。送信サブビームフォーマーは、振動子アレイ５０が有する各振動素子に、遅延関係をもった複数の送信信号を生成する。受信サブビームフォーマーは、各振動素子から得られる複数の受信信号に対して整相加算処理を行い、受信信号を生成する。受信信号は、ＦＰＣ４２あるいは線材４４などを経由して超音波診断装置本体に送られ、装置本体内において処理され１つのビームデータが生成される。ＡＳＩＣ５４が上記処理を行うことにより、超音波プローブ１０と装置本体との間の信号線の本数が低減される。

ＡＳＩＣ５４は、ＡＳＩＣ５４において生じた熱を好適に放熱するため、あるいは超音波プローブ１０の小型・軽量化の観点から、パッケージングされていないチップ、つまりベアチップとなっている。したがって、その裏面５４ａ（後側の面）に電子回路の一部が露出しており、裏面５４ａの一部又は全部が導電性となっている。本実施形態では、ＡＳＩＣ５４の裏面５４ａに数十ボルトの電圧が印加される場合がある。

超音波プローブ１０が動作することによりＡＳＩＣ５４において熱が生じる。振動子アレイ５０においても発熱するが、ＡＳＩＣ５４の発熱量は振動子アレイ５０の発熱量に比して数倍あるいは十数倍大きくなっている。したがって、超音波プローブ１０における主な発熱源はＡＳＩＣ５４である。

バッキング材５６は、振動子アレイ５０に含まれる各振動素子の余分な振動を抑えるものである。それと同時に、本実施形態においては、バッキング材５６が振動子アレイ５０と中継基板５２との間に設けられていることから、バッキング材５６は、各振動素子と中継基板５２とを電気的に接続するための複数のリード線を有している。バッキング材５６は、比較的前後に長い形状となっている。これにより、より好適に各振動素子の振動を抑えることができると同時に、主熱源であるＡＳＩＣ５４を被検体との接触面である超音波送受波面１２（図１参照）からより遠ざけるという効果も奏する。

図４は、後側熱伝導体３４の構造を示す図である。図２を参照しながら図４を用いて後側熱伝導体３４の構造を説明する。後側熱伝導体３４は、送受波ユニット３０よりも後側、つまり主熱源であるＡＳＩＣ５４よりも後側に配置される。図４に示される通り、後側熱伝導体３４は、メインフレーム３６、上側フレーム３８、下側フレーム４０を含んで構成される。メインフレーム３６、上側フレーム３８、及び下側フレーム４０は互いに組み合わせ可能な形状となっており、これらが組み合わされることで後側熱伝導体３４が構成される。具体的には、メインフレーム３６は、上下が解放された構造となっており、板状の上側フレーム３８がメインフレーム３６の上側解放部を覆うように組み合わされ、同じく板状の下側フレーム４０がメインフレーム３６の下側解放部を覆うように組み合わされる。

本実施形態においては、メインフレーム３６後部には凸部７４と凹部７６が設けられる。上側フレーム３８後部には、凸部７４に対向する位置に凹部８０が設けられ、凹部７６に対向する位置に凸部７８が設けられている。凸部７４と凹部８０が、凹部７６と凸部７８とがそれぞれ嵌め合わされる。さらに、上側フレーム３８の両側に突出辺８２が設けられる。メインフレーム３６の突出辺８２に対向する位置には溝部８４が設けられる。突出辺８２と溝部８４が嵌め合わされる。上記構造によりメインフレーム３６と上側フレーム３８とが組み合わされる。下側フレーム４０についても同様にメインフレーム３６と組み合わされる。

メインフレーム３６、上側フレーム３８、及び下側フレーム４０が組み合わされた後側熱伝導体３４は、ｘｚ断面の輪郭が楕円状となる。後側ケース１６の内周面のｘｚ断面も同様に楕円状となっており、後側熱伝導体３４の外周面が後側ケース１６の内周面に丁度収まるようになっている。これにより、後側熱伝導体３４と後側ケース１６との接触面積が大きくなり、後側熱伝導体３４に伝わった熱をより効率的に後側ケース１６に伝えることができる。ただし、必ずしも後側熱伝導体３４のｘｚ断面輪郭は楕円状である必要はなく、少なくとも一部において後側ケース１６の内周面に接触する外周面を有していればよい。もちろん、後側ケース１６と後側熱伝導体３４の接触面積が大きい方が好ましいため、上述のように後側熱伝導体３４の形状は後側ケース１６の内周面に即した形状であることが好ましい。

メインフレーム３６は、その前側の面であって、ＡＳＩＣ５４の裏面５４ａに対向する前側面７０を有している。前側面７０の面積は、ＡＳＩＣ５４の裏面５４ａの面積よりも大きくなっている。前側面７０がＡＳＩＣ５４と後述の複合層を介して間接的に接触することで、ＡＳＩＣ５４において発生した熱は、後側熱伝導体３４へ吸収され後方へ移送される。これによりＡＳＩＣ５４からの熱が超音波送受波面１２へと伝わることを防ぐ。前側面７０と裏面５４ａとの接合構造については後に詳述する。

また、メインフレーム３６には、前側面７０から後側へ伸びるブロック７２を有している。ブロック７２を有することで、後側熱伝導体３４は、筒状の中空構造ではなくある程度中身の詰まった中実構造となる。これにより、後側熱伝導体３４の体積が増えることで熱容量が増え、ひいては後側熱伝導体３４の熱吸収性あるいは熱伝導性が向上されることになる。熱吸収率や熱伝達率のみを考慮すれば、後側熱伝導体３４を完全な中実構造とするのが好ましく、このような態様も採用し得る。しかし、本実施形態では、超音波プローブの軽量化の観点、あるいはＦＰＣ４２や線材４４、あるいはコネクタ４６を後側熱伝導体内に収めるためにある程度の空間（隙間部）を残している。

上述のように、メインフレーム３６と上側フレーム３８及び下側フレーム４０とが組み合わされた状態において、ブロック７２と上側フレーム３８との間、ブロック７２と下側フレーム４０との間、及びブロック７２の後端部より後側の部分において隙間部が生じる。この隙間部にＦＰＣ４２、コネクタ４６及び線材４４が配置される。これにより、ＦＰＣ４２、コネクタ４６及び線材４４も後側熱伝導体３４の内部に配置されることになるため、ＦＰＣ４２、コネクタ４６及び線材４４によって後側熱伝導体３４と後側ケース１６との接触が妨げられることがない。

後側熱伝導体３４は、熱伝導率の良い物質で形成されるのが好ましい。例えば、銅、アルミ、マグネシウムなどの金属又はその合金、あるいは炭素材料などで形成される。超音波プローブ１０の軽量化の観点から、本実施形態においては、後側熱伝導体３４の材質として比較的比重の軽いアルミニウムが用いられる。このように、後側熱伝導体３４は、金属などで形成されることから導電性となっている。本実施形態では、後側熱伝導体３４は、ケーブル１８に含まれるグランドシースなどに接続されておりグランド電位となっている。

以下、ＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４との間に設けられ、熱伝導機能、電気的絶縁機能、及びその他の機能を発揮する複合層について説明する。上述の通り、ＡＳＩＣ５４はベアチップであり、その裏面５４ａの一部又は全部が導電性となっている。また、後側熱伝導体３４は導電性である。したがって、ＡＳＩＣ５４の裏面５４ａと後側熱伝導体３４の前側面７０とを直接接触させることができない。そのため、本実施形態では、両者の間に複合層を設けている。

図５には、複合層として利用可能な４つの構造が示されている。図５（ａ）〜（ｄ）においては、上側が超音波プローブ１０の前側であり、下側が超音波プローブ１０の後側であり、中継基板５２、ＡＳＩＣ５４、複合層９０ａ〜ｄ、及び後側熱伝導体３４のｘｙ断面図が示されている。

図５（ａ）に示される複合層９０ａは、接着剤９２及びフィラー９４を含んで構成されている。

接着剤９２としては絶縁性の接着剤が用いられる。そのため、ＡＳＩＣ５４の裏面５４ａと後側熱伝導体３４の前側面７０との間に接着剤９２が設けられるだけで、裏面５４ａと前側面７０との間における絶縁が実現され得る。しかし、複合層９０ａにおける熱伝導性を高める（つまりＡＳＩＣ５４において発生した熱をより多く後側熱伝導体３４へ移送する）ために接着剤９２の厚さを非常に薄くした場合、局地的に裏面５４ａと前側面７０とが接触、あるいは近接して絶縁破壊を生じることで、両者の間に電気的短絡が生じるおそれがある。

そのため、複合層９０ａにおいては、絶縁性であり球形の複数のフィラー９４を接着剤９２に混合させている。複数のフィラー９４の直径は、フィラー９４あるいは接着剤９２の絶縁耐力と、裏面５４ａと前側面７０との間に生じ得る電位差を考慮して決定される。つまり、裏面５４ａと前側面７０との間において絶縁破壊が起きない距離と同等に設定される。本実施形態では、フィラー９４の径は４０μｍに設定される。接着剤９２に複数のフィラー９４が混合されることにより、裏面５４ａと前側面７０との間の距離は、フィラー９４の直径以下になることはなく、つまり両者の間の絶縁性が担保され、且つ、絶縁性が担保される限りにおける最小の距離にとなり、つまり複合層９０ａの熱伝導性が高く維持される。

フィラー９４は、接着剤９２と同等の絶縁性能を有し、且つ、高い（少なくとも接着剤９２よりも高い）熱伝導率を有する部材で形成される。例えば、窒化アルミニウム（アルミナイトライド）や酸化アルミニウム（アルミナ）などで形成される。これにより、ＡＳＩＣ５４で生じた熱を、熱伝導性のよいフィラー９４を介して後側熱伝導体３４へ移送させることができる。つまり、フィラー９４は、裏面５４ａと前側面７０との間の絶縁性を担保すると共に、複合層９０ａの熱伝導性を向上させる役割を果たしている。

また、複合層９０ａにおいては、接着剤９２がＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４とを密着及び固定するための接着機能を発揮する。これにより、ＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４との位置関係が固定され、つまり両者の間の距離がフィラー９４の直径以上に離れることがなくなり、好適な熱伝導性が維持される。

図５（ｂ）に示される複合層９０ｂは、薄膜状のフィルム９６、フィルム９６とＡＳＩＣ５４とを接着するための前側接着層９８、及びフィルム９６と後側熱伝導体３４とを接着するための後側接着層１００を含んで構成されている。

フィルム９６、前側接着層９８、及び後側接着層１００はいずれも絶縁性の物質で形成される。これらの絶縁性の物質が裏面５４ａと前側面７０との間に挟まれることで両者間の絶縁性が担保される。

フィルム９６は、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、あるいはポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）などで形成されてよい。これらの物質は、絶縁耐力が比較的大きく、フィルム９６を例えば４μｍ程度に薄くしても裏面５４ａと前側面７０との間の絶縁性を担保することができる。もちろん、フィルム９６の材質としては、熱伝導率の高い材質である方が好ましい。

また、複合層９０ｂにおいては、前側接着層９８及び後側接着層１００により接着機能が発揮される。もちろん、前側接着層９８及び後側接着層１００は、接着機能が発揮し得る限りにおいてできるだけ薄いのが好ましい。前側接着層９８及び後側接着層１００は、できるだけ薄く形成され、且つ、確実な接着機能を発揮するため、接着力の強い硬化型の接着剤（例えばエポキシなど）が用いられる。

このように、極薄にしても絶縁性が担保できるフィルム９６を用いることで、裏面５４ａと前側面７０との距離を数μｍ程度まで小さくすることができる（つまり複合層９０ｂの厚さを数μｍ程度まで薄くすることができる）。それにより、複合層９０ｂの熱伝導性が高く維持される。

フィルム９６は、弾性率が比較的低く、比較的柔らかい材質で形成されるのが好適である。少なくとも硬化型の接着剤で形成され弾性率が比較的大きい（つまり硬い）前側接着層９８及び後側接着層１００よりも柔らかい材質で形成されるのが好適である。これにより、フィルム９６が、ＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４との間における衝撃吸収材として機能する。

ベアチップであるＡＳＩＣ５４は、パッケージされていないことから衝撃耐性が比較的弱い。また、超音波プローブ１０のように、ケーブル１８により装置本体と接続されるタイプの超音波プローブにおいては、使用中にケーブル１８が引っかかったり引っ張られたりすることによって、超音波プローブ１０の後側において衝撃を受ける場合がある。したがって、本実施形態ではフィルム９６を比較的柔らかい材質で形成し衝撃吸収材としての機能も持たせることで、衝撃に弱いベアチップであるＡＳＩＣ５４を後方からの衝撃から守っている。

絶縁性及び衝撃吸収性などを考慮すると、フィルム９６は、優れた絶縁性を有し、且つ弾性率が比較的小さく比較的柔らかいポリイミドで形成されるのが好適である。

図５（ｂ）に示される通り、前側面７０の面積はＡＳＩＣ５４の面積よりも大きくなっており、フィルム９６は前側面７０の全体を覆うように設けられている。また、フィルム９６が前側面７０の全体において接着されるよう後側接着層１００も前側面７０の全体を覆うように設けられている。この効果について図６を用いつつ説明する。

図６（ａ）には、図５（ｂ）に示す複合層９０ｂの変形例である複合層９０ｅが示されている。複合層９０ｅにおいては、フィルム９６、前側接着層９８、及び後側接着層１００のｘｚ面の面積がＡＳＩＣ５４の裏面５４ａと同じ面積となっている。つまり、フィルム９６は前側面７０の全体を覆っておらず、前側面７０はむき出し部分７０ａを有している。

複合層９０ｅにおいても絶縁性のフィルム９６が設けられているから、複合層９０ｅは裏面５４ａと前側面７０との間における好適な絶縁機能及び熱伝導機能を発揮し得る。現に、複合層９０ｅの態様も採用し得る。しかし、複合層９０ｅの厚さは数μｍ程度まで小さくなることから、図６（ａ）に示される通り、ＡＳＩＣ５４の側面５４ｂと前側面７０のむき出し部分７０ａとの間の距離がかなり近接する。この状態において、側面５４ｂとむき出し部分７０ａとの間に比較的大きい電位差が生じると、絶縁破壊が生じて両者の間に電気的短絡が生じるおそれがある。

この点、図５（ｂ）に示す複合層９０ｂによれば、前側面７０の全体がフィルム９６で覆われているから、前側面７０においてむき出し部分７０ａが存在しないため、ＡＳＩＣ５４の側面５４ｂとの間で電気的短絡が生じるおそれが無い。なお、フィルム９６は、必ずしも前側面７０の全てを覆う必要はなく、ＡＳＩＣ５４の側面５４ｂと前側面７０との間において絶縁破壊が生じないようにＡＳＩＣ５４付近においてある程度前側面７０を覆っていればよい。

また、図６（ｂ）に示すように、複合層９０ｅにおいて、ＡＳＩＣ５４（送受波ユニット３０）と後側熱伝導体３４との接着工程において、両者が互いに押しつけられるなどして前側接着層９８及び後側接着層１００がフィルム９６の側端部よりも側方へはみ出してしまい、フィルム９６の側方において前側接着層９８と後側接着層１００とが結合してしまう場合が考えられる。このような場合、エポキシなどの硬化型の接着剤で形成された前側接着層９８及び後側接着層１００とが一体となってしまい、後方からの衝撃が結合部を介してＡＳＩＣ５４へ伝わってしまう。つまり、フィルム９６による衝撃吸収機能が好適に発揮できなくなる。

この点においても、図５（ｂ）に示す複合層９０ｂによれば、フィルム９６は前側面７０の全体を覆っていることから、ＡＳＩＣ５４の側端部から前側接着層９８が多少はみ出したとしても、それが後側接着層１００と結合することがない。つまり、前側接着層９８と後側接着層１００との間に常にフィルム９６が挟みこまれる形になるから、複合層９０ｂは好適に衝撃吸収機能を発揮することができる。なお、この観点においてもフィルム９６が必ずしも前側面７０の全てを覆っている必要はなく、前側接着層９８のはみ出し部分と後側接着層１００とが結合しない程度にＡＳＩＣ５４付近においてある程度前側面７０を覆っていればよい。

上述の通り、複合層９０ｂの厚さによりその熱伝導性が決定する。図７に、複合層９０ｂの熱抵抗と超音波送受波面１２の温度上昇値との関係を示すグラフが示されている。熱抵抗とは、温度の伝えにくさを表す値である。つまり複合層９０ｂの熱抵抗が大きければ、ＡＳＩＣ５４において生じた熱が複合層９０ｂ側に伝わりにくくなり、その分の熱が前側、つまり超音波送受波面１２へ移送されるため超音波送受波面１２の温度上昇値が大きくなる。超音波プローブ１０における種々の条件（ＡＳＩＣ５４の発熱量、その他の構造体における放熱量など）により、超音波送受波面１２の上昇温度は１０℃以下に抑える必要があるとする。その場合、図７に示すグラフから、複合層９０ｂの熱抵抗を２×１０^−４［Ｋ・ｍ^２／Ｗ］以下にする必要があることになる。本実施形態においては、複合層９０ｂの厚さが約４０μｍのときに複合層９０ｂの熱抵抗が約２×１０^−４［Ｋ・ｍ^２／Ｗ］となるため、複合層９０ｂの厚みは４０μｍ以下に設定される。

もちろん、複合層９０ｂがあまりに薄い場合は、フィルム９６による絶縁機能及び衝撃吸収機能、あるいは前側接着層９８及び後側接着層１００による接着機能が十分に発揮されないおそれがあることから、複合層９０ｂの厚さにはおのずと下限がある。つまり、複合層９０ｂの厚さは、熱伝導性と、絶縁性、衝撃吸収性、及び接着性とを考慮して決定される。

本実施形態においては、複合層９０ｂの熱伝導性、絶縁性、衝撃吸収性、及び接着性を考慮し、複合層９０ｂが取り得る厚みの範囲として、取り得る範囲は５〜４０μｍ（このときフィルム９６の厚みは４〜３５μｍを取り得る）、望ましい範囲は、７〜２０μｍ（このときフィルム９６の厚みは４〜１５μｍを取り得る）、好適には８〜１０μｍ（このときフィルム９６の厚みは４μｍ）となっている。

図５（ｃ）に示される複合層９０ｃは、後側熱伝導体３４の前側面７０の表面において形成される絶縁性の酸化被膜１０２、及び酸化被膜１０２とＡＳＩＣ５４の裏面５４ａとを接着する接着剤１０４を含んで構成される。

酸化被膜１０２は、例えば、後側熱伝導体３４がアルミニウムの場合アルマイト処理によって形成される。アルマイトは高い絶縁性を示すため、酸化被膜１０２により絶縁機能が発揮される。また、一般的に金属酸化物の熱伝導率は比較的高いために、酸化被膜１０２を設けたとしても複合層９０ｃの熱伝導性は高く維持される。もちろん、酸化被膜１０２の厚さは、絶縁性が担保される限りにおいてできるだけ薄いのが好ましい。

複合層９０ｃにおいては、接着剤１０４がＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４とを密着及び固定するための接着機能を発揮する。もちろん、接着剤１０４も、熱伝導性の観点から、接着機能を発揮し得る限りにおいてできるだけ薄い方が好ましい。

図５（ｄ）に示される複合層９０ｄは、ＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４との間に挟みこまれる複数のスペーサ１０６と、絶縁性の接着剤１０８とを含んで構成される。

複数のスペーサ１０６がＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４との間に挟みこまれることにより、ＡＳＩＣ５４の裏面５４ａ及び後側熱伝導体３４の前側面７０との間の距離が一定（スペーサ厚）に保たれる。それにより、裏面５４ａと前側面７０との間の絶縁性が担保される。もちろん、スペーサ１０６は絶縁性の材質で形成される。スペーサ１０６の厚さも、スペーサ１０６あるいは接着剤１０８の絶縁耐力と、裏面５４ａと前側面７０との間に生じ得る電位差を考慮して決定される。

また、スペーサ１０６としては、熱伝導率の高い材質で形成される。これにより、ＡＳＩＣ５４において生じた熱が複数のスペーサ１０６を介して後側熱伝導体３４へ移送される。つまり、スペーサ１０６は複合層９０ｄの熱伝導性を向上させる役割を果たしている。スペーサ１０６は、熱伝導率が比較的高く、また絶縁性も比較的大きい窒化アルミニウム（アルミナイトライド）や酸化アルミニウム（アルミナ）などで形成される。

複合層９０ｄにおいては、接着剤１０８がＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４とを密着及び固定するための接着機能を発揮する。また、接着剤１０８は、複数のスペーサ１０６の位置を固定する機能も果たしている。

以上説明した各複合層によれば、ＡＳＩＣ５４の裏面５４ａと後側熱伝導体３４の前側面７０との間において電気的絶縁性が担保されつつ、ＡＳＩＣ５４から後側熱伝導体３４への熱伝導性が高く維持される。つまり、上記各複合層によれば、ＡＳＩＣ５４としてベアチップが設けられた場合においても、ＡＳＩＣ５４において生じた熱を好適に後側（つまり被検体との接触面である超音波送受波面１２とは反対側）へ移送することができる。

以下、図８〜図１１を用いて、中継基板５２にＡＳＩＣ５４をリフロー処理によりはんだ付けする際に、ＡＳＩＣ５４に反りが生じた場合における処理について説明する。

図８には、リフロー処理により反りが生じた中継基板５２及びＡＳＩＣ５４が複合層９０ａを介して後側熱伝導体３４に接合された場合の断面図が示されている。図８に示すように、中継基板５２及びＡＳＩＣ５４が反った状態において後側熱伝導体３４に複合層９０ａを介して接合されると、裏面５４ａと前側面７０の間の距離がｘｚ平面における各位置において異なることになる。これにより、複合層９０ａの厚さが余分に大きくなって好適な熱伝導性が維持できなくなったり、あるいは、裏面５４ａと前側面７０との間の距離が絶縁のために必要な距離以下となってしまう箇所ができてしまい絶縁破壊が生じたりするおそれがある。

本実施形態においては、ＡＳＩＣ５４に反りが生じた場合、反った状態の裏面５４ａを平坦化して処理後の裏面を前側面７０と平行にした上で、ＡＳＩＣ５４と後側熱伝導体３４とが複合層を介して接合させられる。例えば、図９を参照して、リフロー処理により反ってしまったＡＳＩＣ５４のうち、１点鎖線よりも後側の部分を削り取ることによりＡＳＩＣの裏面を平坦化する。

平坦化は、例えばダイシング装置や平面研削盤を用いて行う。平坦化処理において、チップ割れを防ぐために、研削方向をＡＳＩＣ５４の劈開方向とは異なる方向に設定する。図１０を参照して、ＡＳＩＣ５４においてはｘ軸方向及びｚ軸方向が劈開方向であるとすると、その方向を避けた矢印方向を研削方向とする。

図１１に、平坦化処理後のＡＳＩＣ５４が複合層９０ａを介して後側熱伝導体３４に接合させられている状態が示されている。図１１に示される通り、リフロー処理によりＡＳＩＣ５４に反りが生じた場合であっても、平坦化処理を行うことで、ＡＳＩＣ５４の反りの影響を生じさせずに、ＡＳＩＣ５４の裏面５４ａと後側熱伝導体３４の前側面７０との距離を好適に保つことができる。

以上、本発明に係る実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

１０超音波プローブ、１２超音波送受波面、１４前側ケース、１６後側ケース、１８ケーブル、２０ケーブル保護ブーツ、３０送受波ユニット、３２前側熱伝導体、３４後側熱伝導体、３６メインフレーム、３８上側フレーム、４０下側フレーム、４２ＦＰＣ、４４線材、４６コネクタ、５０振動子アレイ、５２中継基板、５４ＡＳＩＣ、５４ａ裏面、５４ｂ側面、５６バッキング材、５８音響整合層、６０音響レンズ、７０前側面、７０ａむき出し部分、７２ブロック、７４，７８凸部、７６，８０凹部、８２突出辺、８４溝部、９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ，９０ｅ複合層、９２，１０４，１０８接着剤、９４フィラー、９６フィルム、９８前側接着層、１００後側接着層、１０２酸化被膜、１０６スペーサ。

Claims

複数の振動素子と、
前記複数の振動素子に供給される複数の送信信号及び前記複数の振動素子から出力される複数の受信信号の少なくとも一方を処理する電子回路と、少なくとも一部が導電性であるチップ面とを有する熱源としての電子回路チップと、
前記チップ面に対向する対向面を有する熱伝導体と、
前記チップ面と前記対向面との間において熱伝導機能及び電気的絶縁機能を発揮する複合機能層と、
を備えることを特徴とする超音波プローブ。
前記複合機能層は、更に前記電子回路チップと前記熱伝導体とを接着する接着機能を発揮する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波プローブ。
前記複合機能層は、更に衝撃吸収機能を発揮する、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波プローブ。
前記複合機能層において、前記チップ面と前記対向面との間に所定の距離を設定し維持する距離設定手段により前記電気的絶縁機能の絶縁性能が一定に維持される、
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
前記複合機能層は、絶縁体で形成される薄膜状の絶縁フィルム、前記絶縁フィルムと前記電子回路を接着する第１接着層、及び、前記絶縁フィルムと前記熱伝導体とを接着する第２接着層を含む、
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
前記絶縁フィルムの弾性率は、前記第１接着層及び前記第２接着層の弾性率よりも小さい、
ことを特徴とする、請求項５に記載の超音波プローブ。
前記対向面の面積は、前記チップ面の面積よりも大きく、
前記絶縁フィルムは、前記対向面の全体を覆うように設けられる、
ことを特徴とする、請求項５に記載の超音波プローブ。