用于多維換能器陣列的模塊化組裝的制作方法

用于多維換能器陣列的模塊化組裝的制作方法
【專利摘要】本發明涉及用于多維換能器陣列的模塊化組裝。提供了用于多維換能器陣列(12)的互連。適配器(32)提供導體(16)從與元件連接到與印刷電路板(34)連接的90度或其他非零角度的轉變。適配器(32)被形成為可表面安裝到印刷電路板(34)上并可以提供從元件間距到不同間距(諸如也安裝到印刷電路板(34)的集成電路(36)的導體(16)的間距)的間距改變的組件。適配器(32)允許模塊(24)的堆疊，其中每個模塊(24)使用標準或常規的印刷電路板(34)連接。
【專利說明】
用于多維換能器陣列的模塊化組裝
【背景技術】
[0001]本實施例涉及多維換能器陣列。特別地，多維換能器陣列與用于成像的電子設備互連。
[0002]對于多維(矩陣)換能器而言，實現聲學陣列與關聯的發送和/或接收電子設備之間的互連是關鍵技術挑戰。對于至少由其他元件包圍的元件分布在兩個維度(方位和高度)的成百上千的不同元件需要沿著Z軸(深度或范圍)互連。由于元件很小(例如，250um)，因此用于到每個元件的單獨的電連接的空間是有限的。
[0003]在美國專利N0.8，754，574中，使用了模塊化方法。對于每個模塊，具有跡線的柔性電路被定位以連接到元件中的一些。為了適應其他模塊以與其他元件連接，柔性電路在機械襯底或框架上方折疊。由于信號跡線被限制到柔性電路的一個或兩個表面，因此跡線密度非常高，限制了能被實際組裝的陣列尺寸并導致電氣串擾。模塊的層壓組裝的平整度必須被保持到非常高的容差(例如，角到角和沿著接縫+/_2um)。如果來自層壓模塊的表面超出容差，就不可能校正且分片被丟棄。由于用來允許其他模塊定位的柔性電路曲率半徑非常小，因此沿著層壓線的所述組裝尤其常遭受失敗。柔性電路中斷來自陣列的熱傳導。由于全部導體都在柔性電路表面上(垂直于所期望的熱路徑)，因此沒有直的路徑將熱從陣列傳導至模塊的框架中。用于多維互連的其他方法遭受體積、寄生電容、串擾、熱效率、制造和/或電子封裝密度的問題。

【發明內容】

[0004]通過介紹，下面描述的優選的實施例包括用于多維換能器陣列互連的方法，系統以及組件。適配器提供導體從與元件連接到與印刷電路板連接的90度或其他非零角度的轉變。適配器被形成為可以表面安裝在印刷電路板上并可以提供從元件間距到不同間距(諸如也被安裝到印刷電路板的集成電路的導體的間距)的間距改變的組件。適配器允許模塊堆疊，其中每個模塊使用標準的或常規的印刷電路板連接。
[0005]在第一方面，提供了多維換能器陣列系統。第一和第二模塊每個包括具有相對于彼此大約90度面向的第一和第二平面的適配器。第一平面與多維換能器陣列連接。所述模塊還包括適配器中的導體。導體中的單獨導體與多維換能器陣列中的單獨元件電連接。模塊具有其頂面與適配器的第二平面連接的印刷電路板，以使得導體與所述印刷電路板電連接。每個模塊的集成電路與印刷電路板連接，以使得在集成電路處提供導體上的信號。第一模塊與第二模塊堆疊以使得適配器相互接觸并與多維換能器陣列的不同部分接觸。
[0006]在第二方面，適配器被提供以用于與矩陣換能器陣列互連。第一表面具有以矩陣換能器陣列的元件的第一間距暴露的導體。第二表面具有以沿著兩個維度不同于第一間距的第二間距暴露的導體。第一表面與第二表面呈大約90度。
[0007]在第三方面，提供了一種用于在超聲換能器中路由信號的方法。元件的電極沿著元件陣列的z軸連接到導體。電極以及電極處的導體以第一間距分布。導體從元件被路由至與電極隔開的表面。所述表面不與陣列平行，且表面處的導體具有沿著兩維度不同于第一間距的第二間距。
[0008]本發明由下列權利要求限定，且該部分中的任何內容不應被認為是對這些權利要求的限制。下面結合優選實施例討論本發明其他方面和優點，并隨后可單獨或組合要求保護。不同的實施例可以實現或不能實現不同的目標或優點。
【附圖說明】
[0009]組件和附圖不必按比例繪制，而重點在于闡述本發明的原理。此外，在圖中，相同的附圖標記遍及不同視圖指代相對應的部分。
[0010]圖1A是用于換能器陣列的互連系統的實施例的分解圖，以及圖1B是所述互連系統的裝配圖；
[0011 ]圖2是所述互連的模塊的堆疊的一個實施例的透視圖；
[0012]圖3是所述互連的模塊的一個實施例的透視圖；
[0013]圖4是圖3的模塊的剖面圖；
[0014]圖5是用于適配器的導體的一個實施例的側視圖；
[0015]圖6是用于適配器的一個實施例的導體和絕緣體的分解圖；
[0016]圖7是使用曲線的適配器的一個實施例的剖面圖；
[0017]圖8是示出在圖7的適配器中使用的兩個板的透視圖；
[0018]圖9是使用板結構的適配器的另一實施例的剖面圖；
[0019]圖1OA和B示出了圖9的適配器的組裝；
[0020]圖11是使用繞接的適配器的另一實施例的剖面圖；
[0021]圖12是使用陶瓷印刷電路板的適配器的另一實施例的剖面圖；
[0022]圖13是互連的模塊堆疊的實施例的剖面圖；
[0023]圖14是用于將有源電子設備與多維換能器陣列互連的方法的一個實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0024]模塊化組裝將印刷電路板和包括適配器的關聯的表面安裝的組件組合以實現從印刷電路板到陣列表面的正確角度連接。結果得到的子模塊隨后被層壓(堆疊并接合)以形成用于附連到矩陣聲學陣列的完整的電子模塊。模塊化組裝消除了來自印刷電路板的互連瓶頸，允許采用傳統的處理技術。在模塊的組裝之后，互連結構(例如，立方體)提供陣列的電連接到電子設備并輸出信號至其他電子設備。在由模塊形成的互連中的電子設備生成具有期望輸入/輸出或其他終端特性的信號。互連系統很小，允許在手持換能器探頭中使用。為了組裝探頭，可以使用標準的連接器來路由去往和來自線纜的信號。
[0025]對于組件、模塊以及組裝互連可以執行測試。由于使用了到印刷電路板上的表面安裝，所述互連允許表面安裝的集成電路的重新使用(例如，專用集成電路)。如果模塊沒有通過測試，只要沒有被層壓其他模塊就仍可以被使用。少數的每個具有高可靠性的已知良好的組件被針對每個模塊集成。
[0026]每個模塊的適配器互連到陣列，并還可以提供一個維度或二個維度的間距改變。陣列的元件處于一個間距，并且集成電路的導體襯墊處在另一個間距。對于通過適配器的一個維度上的間距改變，另一維度的間距改變在印刷電路板上。在適配器在兩維度均實現間距改變的情況下，印刷電路板可以不必實施間距改變。
[0027]模塊的層壓堆疊(S卩，互連)可以包括子模塊間用于除熱的散熱片。印刷電路板可以包括出于相同的目的內置在板中的熱特征。
[0028]圖1A和圖1B示出多維換能器陣列系統的一個實施例。系統包括元件的多維換能器陣列12、吸聲襯板14、用于與陣列12的元件上的電極連接的導體16、互連18、用于與互連18連接的連接器20以及用于將互連18與成像系統或探頭線纜連接的柔性電路22。
[0029]可以提供額外的、不同的、或更少的組件。例如，不提供吸聲襯板14或者將其并入互連18。作為另一個示例，使用具有線的線纜取代柔性電路22和/或連接器20。在另一個實施例中，柔性電路22通過接合將各向異性導電膜或者其他機制連接到互連18，而無需標準的連接器20。在又一實施例中，柔性電路“尾部”從每個其他剛性印刷電路板模塊顯露出來，以經由連接器、ACF、接合或其他機制與線纜或公共互連板接觸。
[0030]組裝的互連系統是緊湊的，諸如完全在陣列12的陰影內。互連18不會在方位或高度上延伸超出陣列。為了提供來自元件陣列12的另一側的公共回路或接地，提供一個或多個額外的連接。盡管信號連接駐留在元件陰影內，但公共回路連接可以在陰影外部。少量的額外線可以設置在具有寬松維度容差的適配器中。在可替代的實施例中，散熱片、印刷電路板或者互連18的其他部分在方位和/或高度上延伸超出陣列12。在范圍內，提供了用于具有期望電子設備和連接器的適配器32(參見圖2)和印刷電路板34(參見圖2)的足夠范圍(extent)。相對短的導體16從陣列12延伸到印刷電路板34。組裝有陣列12的互連18適配在手持或其他換能器探頭中，諸如，在經食道探頭中。
[0031]多維換能器陣列12是具有或不具有襯板塊14的壓電或微機電(電容膜)元件的陣列。元件沿著兩個維度分布。陣列是平的、凹的或者凸的。提供完全或稀疏采樣。元件沿著各種間距中的任一個分布，諸如每200、208、250、400或者500微米，在沿著兩個維度的完全采樣間隔中(例如，NXM矩形網格，其中N和M是大于I的整數，諸如200 X 200)。陣列的每個元素包括至少兩個電極。元件在電能和聲能之間轉換能量。襯板塊14位于陣列的一側上用于限制來自在不期望方向上發送的能量的聲學反射。可以包括匹配層、透鏡、窗口或者其他現在已知或者隨后開發的多維換能器陣列組件。
[0032]在另一個實施例中，陣列12是一維的。模塊化組裝10沿著陣列12的水平或方位維度連接不同元件用于操作。
[0033]為了與發送和接收波束形成器或其他電路連接，多個Z-軸的電連接被提供給多維換能器陣列12。2_軸電連接按照陣列分布。例如，多個電導體16通過襯板塊14連接每個元件的一個或多個電極。導體16是互連18的一部分。Z-軸電連接以與陣列的元件相同的間距和分布而分布。Z-軸與陣列元件的分布的表面是垂直多于非平行的(S卩，Z-軸對應深度或范圍維度)。
[0034]如圖2中所示，模塊化組裝或模塊24位于多維換能器陣列12附近。雖然示出了8個模塊24，但可以使用其他數量。模塊24形成表面30用于靠在陣列12上或與陣列12電連接。具有暴露的電導體16的表面30位于多維換能器陣列12附近，諸如臨近襯板塊14的暴露的Z-軸連接或者臨近元件的電極。模塊24中的每個形成表面30的一部分，以便與元件的子集連接。如示出的那樣，每個子集包括整個的方位行(X維度)，但僅包括在高度(Y維度)上的元件的列的部分。在替代的實施例中，模塊24對應具有更小的方位和/或高度范圍、更大的高度范圍或更小的方位范圍的區域。多維換能器陣列12的其他區域鄰近其他模塊24。
[0035]模塊化方法堆疊模塊24以形成用于與陣列12連接的表面30。表面30是平的，但也可以是曲的。沿著一個或兩個維度，表面30可以等于或大于陣列12的范圍。在表面上，導體16被暴露以用于與陣列12的元件的電極或者與來自陣列12的其他Z-軸連接物理和電氣接觸。電導體16的暴露圖案是多維的。例如，導體16在表面30上的兩個維度上方分布。表面30上的多維暴露圖案或電導體16的陣列對應陣列12的元件的多維區域。暴露的電導體16沿著兩個維度(例如，方位和高度)與到多維換能器陣列12的元件的間距或分布相匹配。
[0036]可為陣列12的每個元件提供單個電導體16，但也可以為陣列12的每個元件提供兩個導體16。在單獨接地面與換能器陣列一起使用的情況下，提供單個接觸。在發送電子設備被連接到元件的一個電極且接收電子設備被連接到相同元件的另一個電極的情況下，每個元件可以使用雙向(biplex)或兩個接觸。
[0037]暴露的電導體16允許Z-軸直接互連到多維換能器陣列12的表面，但在其他的實施例中也可以間接連接。一旦鄰近多維換能器陣列12組裝，表面30和暴露的電導體16就與陣列12的電極或換能器陣列12的其他Z-軸電連接相接觸。可以使用凸塊連接、引線接合或其他連接技術用于將暴露的電導體16連接到電極。可以將陣列12以各種方式中的任何一種(例如柱形凸塊(stud bumping))連接到互連上以在陣列和互連間提供某種維度順應性。柱形凸塊連接可適應更大的表面30不規則。柱形凸塊將絲焊“柱”沉積到與所述線切斷的一個表面。這會在表面僅留下一個金球。當壓在一起時，這些柱開始處理并行中的錯誤。可替代地，表面30被制成平的。
[0038]圖3示出了模塊24的一個實施例的示例。模塊24包括適配器32、印刷電路板34以及集成電路36。可以提供額外的、不同的或者更少的組件。例如，添加保溫塊或散熱片，諸如在印刷電路板34下面鄰近于集成電路36處。
[0039]適配器32與表面30上以陣列12的元件間距暴露的導體16—起形成了表面30的一部分。一旦組裝，適配器32就與陣列12相連接。
[0040]適配器32是陶瓷、環氧樹脂、其他襯板材料、塑料、玻璃纖維、印刷電路板材料、其他材料或者它們的組合。適配器32的材料電絕緣或者不電絕緣。在導體16絕緣的情況下，適配器32的材料可以不是絕緣的。類似地，適配器32的材料可以是聲衰減的或也可以不是聲衰減的。在一個實施例中，適配器32用作襯板塊。適配器32的部分或者全部由襯板材料形成。圖4示出了襯板材料14作為適配器32的內部部分，其中其他材料被用于其他部分。圖1A和圖1B示出了在表面30上形成的襯板14，諸如通過圍繞導體16切割表面并用吸聲襯板填充結果得到的通道。在其他實施例中，提供了單獨的襯板，且適配器32不包括襯板材料。
[0041]適配器32包括導體16。導體16的端部與陣列16的元件的電極和印刷電路板34的襯墊或通孔電連接。導體16是跡線，例如通過沉積和/或蝕刻形成的跡線。可替代地，導體16是線。線可以是絕緣的或不絕緣的。在一個實施例中，線是磁線，因此是自絕緣的。該線可以相互接觸而無須電連接。線可以包括其他材料，諸如涂有熱粘合劑。當受熱時，線接合在該線放置的襯底上。
[0042]參考圖3和4，適配器32包括多個表面，諸如，陣列接觸面30和安裝面42。安裝面42被塑造成形以及調整尺寸用于安裝印刷電路板34，諸如用于邊緣安裝。例如，安裝面42是平的具有允許導體16和印刷電路板34連接的范圍。在一個實施例中，適配器32被焊接安裝到印刷電路板34。在另一個實施例中，適配器32被接合到具有導電粘合劑的印刷電路板34。該范圍可以遍于陣列12的整個寬度之上(例如，方位)或更多，其中導體16的深度以印刷電路板34的襯墊和或通孔的間距或者集成電路34的襯墊的間距分布在或暴露在安裝面42上。可以使用階梯表面、非平面表面和/或其他范圍。
[0043]陣列接觸面30上的導體16的間距與安裝面42上的導體16的間距不同。該差別沿著一個或兩個維度。在一個實施例中，在適配器32內路由導體16以便在兩個維度實現從陣列間距到集成電路間距的間距轉換。例如，元件間距在方位和高度中的0.2mm或0.208mm的常規網格上。導體16在兩維度將間距從0.2mm或0.208mm改變成0.25mm。勝于從較小陣列間距到更大的印刷電路板間距的轉變，導體16可以從更大陣列間距改變成更小的電路板間距。在另一個實施例中，間距在一個維度改變且印刷電路板中的通孔和/或跡線的路由在另一個維度改變間距。
[0044]其上暴露有導體16的兩個表面30，42并不平行。勝于在陣列12和到下一個組件的連接之間提供Z-軸互連與陣列12垂直的導體16，導體16是有角度的、彎曲的或者二者均有。兩個表面30，42相對于彼此處于非零角度。圖4示出了角度大約為90度。大約用于解釋制造公差。也可以提供其他角度，例如30、45、60或者80度。
[0045]提供并且布置其他表面以允許模塊24的堆疊。例如，垂直于表面30的平行面是平的并允許堆疊。在一個實施例中，適配器32被形成為兩個立方體，當被組合時，具有如圖3和4中所示出的“L”形橫截面。適配器16可以具有該形狀但是為一體化結構。“L”形的橫截面允許該印刷電路板34和集成電路36在表面30后側適配，盡管允許堆疊模塊24以與陣列12的全部元件連接。可以使用其他形狀，諸如“U”形，其中表面30在“U”的底部并且安裝面42是上部“U”臂內部部分中的一個或二者。給定模塊上的一些組件不必直接位于模塊元件陰影中，只要這些特征用相鄰的模塊“筑巢”。
[0046]安裝面42被塑造成形以及調整尺寸成表面安裝到印刷電路板34。例如，流動焊接被用于將適配器32安裝到印刷電路板34。圖4示出此類安裝的示例。可以使用其他安裝，諸如如圖3中示出的基于焊球的安裝。可以提供額外的結構連接，諸如一個或多個螺釘、路牌、螺栓、夾子或其他結構。
[0047]圖5-12示出了用于創建適配器32的不同方法。適配器32被創建以易于使用標準的印刷電路板處理安裝(例如，表面安裝)到印刷電路板34，同時也將導體16暴露在陣列12的一個表面30上和印刷電路板34的另一個表面42上。可以使用其他方法。
[0048]圖5和6示出使用多個導體板或者圖案50和電絕緣襯底52的一種方法。沖壓、蝕刻或者沉積形成導體16。導體16的圖案50被形成為單片或者在襯底52上形成。襯底52是電絕緣的。
[0049]圖案50包括終端連接器48以將導體16的圖案50保持在一起。終端連接器48可以包括一個或多個導向孔或間隙孔46用于組裝或堆疊。
[0050]如圖6中所示，圖案50和襯底52的層被堆疊并層壓以形成適配器32。預制的板或圖案50可替代的與絕緣襯底52層壓以在方位方向上構建該結構。膠水或其他粘合劑被用于層壓。一旦被層壓，可以填充或不填充導向孔46。為了完成適配器32，終端連接器48被機器加工(例如，打磨、磨削或者切割)成分開以分離導體16。
[0051]圖案50可以提供用于沿著一個方向或維度的間距改變。堆疊處理引起適配器16提供一個維度的間距改變，而非兩個維度。在可替代的實施例中，提供兩個維度的間距改變。圖案50在襯底52上形成。襯底52和圖案50足夠薄從而十分柔韌。提供導向裝置以沿著Y維彎曲或折彎襯底。對于不同的襯底52，可以提供不同的曲率或變化量。因此，圖案提供在X維度的間距改變，并且襯底中的彎曲提供Y維度的間距改變。一旦在導向裝置中堆疊，間隙就被環氧樹脂或者其他材料(例如，吸聲襯板材料)填充。
[0052]圖7和8示出了用于形成適配器32的不同方法。通過作為導體16的絕緣線，提供一個或兩個維度的間距改變。例如，磁線可被用于最小化絕緣所需的間隔。提供了兩個板58和56。一個板58具有以陣列12的間距分布的孔，以及另一個板56具有以印刷電路板34的間距分布的孔。
[0053]為了組裝，板56，58彼此保持平行。導體16被一次一個或者成組通過孔插入到板56,58ο例如，導體16被插入通過板56，58 二者，其中板56，58被布置成對齊給定導體16的孔。盡管間距不同，但一個板隨后相對另一個板移位以對齊所述孔。按行和列重復所述對齊和插入過程。一旦導體16被插入，就按照適配器所期望的定位板，諸如將板56旋轉90度并將相對另一個板58移動。按照定位，板56，58以及導體16被定位在注塑模具模中。添加環氧樹脂或其他回填材料54以使導體16和板56，58保持恰當位置。在脫模后，適配器32可以被磨削或機器加工成規定尺寸。
[0054]一旦組裝，板56，58相對于彼此定位以形成適配器32。圖7示出了板56、58相對于彼此以90度布置，但其中印刷電路板34延伸超出表面30的范圍。同時在模塊24的堆疊的底端這是可以接受的，如在圖4中示出了其他模塊24的布置。
[0055]圖9、圖1OA以及圖1OB示出用于形成適配器32的又一種方法。適配器32通過堆疊板構建。在圖9和1A中，用于形成陣列接觸面30的板被標記ΑΒ1-ΑΒ6。可以使用額外的或更少的板。用于形成安裝面42的板被標記圖9中的CD1-6。沒有、有一個或多個額外的蓋板或端板也可以被使用，諸如頂蓋板和底蓋板。
[0056]每個板由塑料形成，但可以是陶瓷、吸聲襯板(例如，固化環氧樹脂)或其他材料。電成形、蝕刻、模塑、3D打印或者其他處理形成板ABl -6和⑶1-6。
[0057]對于給定表面的板的尺寸相同，但一些可以更大或更小，諸如ABl比ΑΒ2-6更深，或者CD1-6中的每個具有不同的深度(如圖9中示出的垂直)。高度或厚度(對于板ΑΒ1-6圖9中的垂直以及對于板⑶1-6圖9中的水平)基于一個維度的期望間距。例如，用于形成表面30的每個板AB1-6具有以沿著一個維度的元件的間距的高度。其他板CD 1-6的厚度與ABI _6的不同以實現間距改變。
[0058]板AB 1-6和⑶1-6包括凹槽或通道62。切割或模塑形成任意數量的通道62。通道62以沿著另一個維度的間距分布。板ΑΒ1-6中的通道62與板⑶1-6中的通道62處于不同的間距。
[0059]圖1OB示出相對于具有以不同間距的通道的板CD1-6以90度朝向(垂直的)的板ΑΒ1-6。在高度也不同時，堆疊的板ΑΒ1-6(參見圖1OA的頂部)創建表面30，具有在陣列間距中的暴露的通道62，并且堆疊的板CDl -6創建表面42，具有在不同的間距(例如，集成電路間距)中的暴露的通道62。通道62在板AB1-6中與針對板⑶I_6的空間密度相比處于不同的空間密度。
[0060]為了創建適配器32，板ABl和⑶I相對于彼此保持恰當位置。線端被附連，諸如附連到板ABl的底部。板ABl和CDl被旋轉。線圈，諸如磁線，在每個通道中以連續的方式沉積單條絞合線。旋轉可以增加，諸如旋轉90度以將線瞄準板CDl的角。通過旋轉另一個90度，線開始被放置在CDl通道中。手指或電樞在該位置中將線壓入ABl通道，但在用于襯板14的區域留下線的成角度的區域用于間距轉換。進一步的90度旋轉將線放置在CDl通道的剩余部分中。最后的90度的旋轉將線定位在板ABl底部上用于定位在下一個通道中。重復該旋轉過程以填充板ABI和CD I的全部通道。
[0061]纏繞之后，每個通道都具有線的單個實例，其中線以基于間距中差別的角度在板ABl和CDl之間延伸，如圖1OB中所示。添加(例如，堆疊)額外的板AB2和CD2以及線纏繞在這些板AB2和CD2的通道中。對于板的每層重復該處理。在設置任何蓋板之后，任何剩余的間隙都可被填充，諸如采用吸聲襯板14填充。使用填充物或其他粘合劑將板AB1-6層壓一起、將板CD1-6層壓一起、將蓋板層壓到堆疊和/或將板AB1-6，CD1_6的堆疊相互層壓。結果得到的結構在圖9中示出。該結構是適配器32。可替代地，該結構按照虛線60被機器加工(例如，被切割、打磨、蝕刻或者以其他方式去除)。這種機器加工去除了過剩的材料，留下適配器32。
[0062]圖11示出了用于形成適配器32的又一方法。襯底52具有用于引腳70的孔。形成導體16的線卷繞引腳70。該線包括熱固型粘合劑。可替代地，襯底52包括粘合劑。線是電絕緣的，諸如磁線，允許導體16的物理接觸同時防止電接觸。繞線之后，該線接合到襯底52。在移除引腳或者保留引腳后，具有導體16的多個此類襯底52被堆疊。結果得到的堆疊的部分通過機器加工移除，對每一層將所述線分離到多個單獨的導體16中。結果得到的適配器32基于引腳70的位置在一個維度提供間距變化。襯底52是平的。為了在另一個維度改變間距，襯底52被設置在導向裝置中以使襯底52相對于彼此彎曲或相對于彼此成角度。
[0063]圖12示出了用于形成適配器32的另一種方法。適配器32被構造成陶瓷印刷電路板。導體16由跡線80(例如，銀或鎢跡線)和通孔82(填充有金屬膠的沖孔)形成。跡線80連接通孔82以形成導體16。使用多層處理構建陶瓷或其他材料。水平的虛線描繪用于構建適配器32的內部分層結構。通過陶瓷層中的路由，導體16提供表面30、42的期望的間距調整以及90度的相對位置。表面30，42上的導體16端接接觸墊或者金屬化接觸區。跡線80和通孔82被圖案化以提供一個或兩個維度的間距變化。
[0064]在又一方法中，使用柔性電路材料。具有跡線的柔性電路在一或兩側連接一或兩行元件。該跡線被路由以改變間距。通過堆疊柔性電路，元件的不同的行連接到跡線。所述材料的柔性性質被用于在另一個維度改變間距。可以將隔片連接到每個柔性電路材料層的一端(例如，以形成用于連接到印刷電路板34的表面42)或者連接到每個柔性電路材料層的每端。隔片隨后被堆疊并接合以將柔性電路材料層保持恰當位置。為了形成陣列的表面30，所述隔片由襯板材料和/或襯板塊中的被插入到切割槽中的柔性電路材料制成。適配器隨后被封裝或填充襯板材料并固化。表面30、42通過磨削過剩材料形成。應用僅示出柔性跡線的掩膜以及隨后噴涂電極。
[0065]回到圖3和4，印刷電路板34由FR4、聚四氟乙烯、陶瓷或使用擠壓、層壓、燒結或其他技術的材料的順序組合形成。可以使用任意現在已知的或隨后開發的電路板材料或者其他電絕緣材料。印刷電路板34是平板，諸如具有由短側連接的頂部和底部最大面的板。形成立方體。可以提供其他更復雜的形狀。印刷電路板34也可以是具有剛性層和柔性層混合的“剛性柔性”板。在一個實施例中，使用具有兩個剛性外層和兩個柔性內層的4層板。所有的組件安裝到剛性層。柔性層從陣列12的相對側顯露出來作為“尾部”。這將允許物理上大于單個模塊橫截面的商業可用的連接器得以使用。大多數換能器具有在陣列端部處逐漸變細但其他位置處更大的把手。
[0066]印刷電路板34包括跡線、通孔35、襯墊或其他導電結構。額外的無源的和/或有源電子設備可以被連接到印刷電路板34，在頂面或者底面上。例如，電容安裝到頂面(例如，與適配器32相同的表面)和/或底面(例如，與集成電路36相同的表面)。適配器32表面安裝到的頂面或底面的一部分，諸如如圖4所示邊緣安裝在終端附近。適配器32的平面42在印刷電路板34的表面安裝或與之緊密配合。可以使用在沿著印刷電路板34的邊緣的其他位置處的表面安裝。
[0067]跡線和/或通孔35將適配器32的導體16電連接到集成電路36。在一個實施例中，適配器32中的導體16將間距從陣列間距改變成集成電路36的間距。集成電路36的襯墊或導體處于在一個或兩個維度與陣列12的間距不同的間距。在安裝面42上的導體16與集成電路36的間距匹配的情況下，導電通孔35與集成電路36處于相同的間距且安裝面42上的導體16電連接導體16和集成電路36，如圖4中所示。
[0068]導體16被定位成路由去往和來自多維換能器陣列12的信號到印刷電路板34。印刷電路板34被配置成將來自導體16的信號路由至集成電路36。這些互連可將陣列12的元件的電極電連接到集成電路36的有源電子設備而無需任何柔性電路。沒有柔性電路承載多維陣列換能器陣列12和集成電路36之間的信號。在可替代的實施例中，提供柔性電路或其他路由作為中間組件。在4層剛性-柔性印刷電路板34的情況下，柔性電路僅用作通過層，作為當連接陣列到集成電路36時的通孔結構的一部分。出于這一目的無需柔性電路上的跡線。柔性內層實現從互連到系統的連接。
[0069]在其他實施例中，安裝面42上的導體16的間距與用于集成電路36的襯墊的間距不同。例如，適配器32僅在一個維度提供間距改變和/或在一個或兩個維度中僅提供部分的間距改變。印刷電路板34使用跡線和/或通孔以實現進一步的間距改變以與集成電路緊密配合。頂面上的間距與適配器32的安裝面42的導體16的間距相匹配，以及底面上的間距與集成電路36的襯墊的間距相匹配。在印刷電路板34上或在該印刷電路板34中的通孔和/或跡線被用于在兩個間距之間改變。
[0070]在一個實施例中，集成電路36在從安裝面42沿著印刷電路板34的最大的相對面的位置偏移處，連接到印刷電路板34。該偏移允許使用跡線來改變間距。在其他實施例中，如圖4中所示，集成電路36在與適配器32的安裝面42相同的水平區中連接。可以提供或多或少的重疊。印刷電路板34的額外的層可被用于路由跡線和通孔以在由于重疊導致的更有限的水平空間中實現間距改變。這可以使沿著從陣列12到集成電路36的每個導電路徑的通孔和跡線的長度最小化，導致更少的串擾和/或更小的寄生電容。
[0071]集成電路36是具有一個或多個有源電氣組件的芯片或半導體，諸如晶體管。“有源”電氣組件被用于表達一類設備而不是設備的操作。基于晶體管或基于開關的設備是有源的，而電阻器、電容器或電感器是無源設備。在一個實施例中，集成電路36是專用集成電路。可以提供現場可編程門陣列、存儲器、處理器、數字電路、開關、復用器、控制器或其他集成電路。為每個模塊24提供一個集成電路，但是多于一個的集成電路36可以連接到印刷電路板34的相同或不同側面。
[0072]集成電路36通過指令(例如，軟件)、硬件或者固件加以配置用以在超聲中執行發送和/或接收操作。例如，集成電路36包括發送波束形成器的高壓組件用于生成發送波形、發送/接收開關、低噪聲放大和/或部分接收波束形成。可以實現其他超聲處理。
[0073]集成電路36采用焊球、流動焊接或其他表面安裝技術與印刷電路板34連接。集成電路36的襯墊中的一些與印刷電路板34的導體連接以用于與陣列12的元件進行通信，諸如通過如圖4中所示的通孔35。集成電路36的其他襯墊與印刷電路板34的導體連接(如圖3中所示)用于印刷電路板34上的其他安裝組件(例如，電容器)和/或用于到柔性電路或其他安裝到印刷電路板34的連接器的通信以用于與連接器20緊密配合。
[0074]在圖4的示例中，集成電路36安裝到適配器32的安裝面42相對的一側(例如，底面)。相對側連接可以最小化互連長度。可替代地，適配器32和集成電路36安裝在印刷電路板34的相同側但在不同的水平位置處。集成電路36可以被安裝到與適配器32相同的表面，其中印刷電路板跡線將它們互連，而非在相對側上。
[0075]在模塊24中，印刷電路板34和集成電路36完全在由與陣列12緊密配合的表面30的空間范圍和如圖2所示的任意深度z所限定的體積內。雖然印刷電路板34和/或集成電路可以沿著方位或X維度進一步延伸，沿著Y維度的范圍被限制為允許用于與陣列12緊密配合的模塊24的堆疊。當堆疊時，表面30上的導體16的間距與陣列12的元件的間距匹配。印刷電路板34和集成電路36相對于適配器32被定位以允許堆疊。
[0076]參考圖13，每個模塊24還可以包括熱導體塊38。熱導體塊38是金屬翅片或者其他熱傳導和/或輻射結構。熱導體塊38被定位靠在集成電路36上或與其非常接近，以允許集成電路36的冷卻。可以提供其他的熱傳導組件，諸如通過或穿過熱導體塊38的循環流體(例如，氣體、空氣或液體)。可以提供熱沉用于無源和/或有源冷卻。由于用于與連接器20緊密配合的印刷電路板34上的連接器可以被安裝在印刷電路板而非集成電路的頂面或相對面上，所以熱導體塊38不會阻礙互連18與成像系統的連接。
[0077]可以提供額外的或不同的除熱設備。例如，印刷電路板34的接地面或平面被用于傳導走來自集成電路的熱。作為另一個示例，使用一個或多個熱管。熱管可以被用在熱傳導塊38內或附連到該熱傳導塊38以幫助去除來自互連組裝的熱。
[0078]一旦組裝，就堆疊模塊24。可以堆疊任意數量的模塊24，諸如六個模塊或八個模塊。模塊24被堆疊以使得適配器32相互接觸，從而提供用于與陣列12緊密配合的表面30。堆疊足夠的模塊24以使得提供導體16用于與陣列12的全部元件電連接。
[0079]一旦被堆疊或作為堆疊的一部分，就層壓模塊24。適配器32之間的粘合劑被固化用于將模塊24接合到一起。可以使用箝位、螺栓連接、纏繞或者其他連接。如圖13中所示，提供隔片84以保持與適配器32間隔的模塊24的部分在恰當位置。可以代替或者與隔片84—起使用引腳86和螺栓螺母，沿著引腳可以有或沒有隔片。可以使用其他支撐結構。
[0080]一旦組裝，互連18就可以被機器加工。例如，磨削過剩材料形成表面30 ο由于磨削使表面30平坦，這可以允許在堆疊和層壓模塊24中的更大的容差。
[0081 ]結果得到的互連18包括具有對應陣列12的元件圖案的暴露的電導體16的表面30。電導體I6與陣列12的元件連接。通過凸塊接合、粗糙接觸、引線結合、流動焊接或者其他現在已知或隨后被開發的技術連接陣列12。
[0082]可以使用接合、層壓、機械連接(例如，螺栓、螺釘或閂鎖)或壓力定位并保持模塊24相對于彼此和/或互連18相對陣列12。可以使用舌榫，延伸和孔或其他結構以幫助對齊或定位。
[0083]參考圖1A，互連18與具有其他電子設備的超聲成像系統或掃描儀連接，以用于波束形成、波束形成器控制、檢測、估計、圖像處理和/或掃描轉換。模塊24中的每個電連接到成像系統。所述連接使用安裝到印刷電路板34的標準的或現成的連接器，諸如邊緣連接器到通用接口板連接器。連接器20在物理上和電氣上與印刷電路板上的連接器緊密配合。可替代地，使用各向異性導電膜或其他連接器，柔性電路22被連接到印刷電路板34上的跡線或襯墊。
[0084]圖14示出了用于在超聲換能器中路由信號的方法的一個實施例。通過使用標準的印刷電路板和表面安裝組件，矩陣換能器的制造可被降為少量的高產生產動作。印刷電路板技術是現成的。適配器可以以各種方式之一被制造并以標準的方式安裝到印刷電路板。
[0085]使用上面討論的適配器中的一個或者不同的適配器實現該方法。可以使用上述討論的一個或多個模塊和/或互連或者不同的模塊和/或互連實現該方法。
[0086]可以提供額外的、不同的或更少的動作。例如，提供用于路由從印刷電路板到集成電路的信號的動作。作為另一個示例，提供了其他組裝動作以創建模塊和/或來自模塊的互連。該動作以示出的順序或不同的順序被執行。
[0087]在動作90中，元件的電極沿著元件的陣列的z軸被連接到導體。電極和電極處的導體以相同的間距分布用于連接。為了以期望的間距創建導體，提供了適配器。適配器是模塊的一部分，該模塊還包括諸如以上所述的印刷電路板和集成電路。被層壓以形成互連的模塊堆疊在陣列的期望的間距處提供導體。
[0088]來自適配器的導體與多維換能器陣列的子區域連接。例如，多維換能器陣列被分成兩個或更多區域。具有暴露導體的兩個或更多不同的模塊與兩個或更多不同的區域連接。該區域可以是任何形狀或尺寸或其他分布。暴露的導體被鄰近于多維陣列的電極設置，諸如定位用于z軸連接。暴露導體的每個區域(例如，模塊)對應所述多維換能器陣列的元件的子集。
[0089]通過粗糙接觸、引線接合、焊接、流動焊接、接合或者其他電連接技術，提供了換能器陣列和暴露的導體之間的電連接。也可以提供機械連接，諸如通過接合、機械設備(例如，閂鎖或螺栓)，或其組合。
[0090]可以實現其他連接。例如，適配器被表面安裝到印刷電路板。使用邊緣安裝，諸如采用焊球、粗糙接觸或流動焊接或具有導電的或絕緣粘合劑的柱形凸塊。印刷電路板包括其他安裝組件或者其他組件與適配器同時或在其后被安裝。采用焊球、流動焊接或其他技術安裝的其他組件中的一個是具有有源電子設備的一個或多個芯片，諸如用于執行陣列的發送和/或接收操作的晶體管。
[0091]在動作92中，導體從陣列的元件被路由到與元件的電極隔開的表面。導體連接到適配器中的一端上的元件并連接到另一端上的不同表面，以用于在陣列和電子設備之間互連。該表面不與陣列平行。被路由的導體也沿著一個或兩個維度將間距改變成從陣列到安裝到印刷電路板的表面。
[0092]印刷電路板從適配器到電子設備互連導體。去往和來自陣列的信號被路由通過印刷電路板和適配器。
[0093]雖然已參考各種實施例描述了本發明，但應該理解的是在不脫離本發明范圍的情況下可以進行許多改變和修改。因此，意在將以上詳細描述認為是說明性的而不是限制性的，并且應當理解，以下權利要求包括所有等效物意在限定本發明的精神和范圍。
【主權項】
1.一種多維換能器陣列(12)系統，所述系統包括: 第一和第二模塊(24)，所述第一和第二模塊(24)中的每個包括: 具有相對于彼此大約90度朝向的第一和第二平面的適配器(32)，所述第一平面與所述多維換能器陣列(12)連接； 適配器(32)中的導體(16)，導體(16)中的單獨導體與所述多維換能器陣列(12)中的單獨元件電連接； 具有與所述適配器(32)的所述第二平面連接的頂面的印刷電路板(34)，所述導體(16)與所述印刷電路板(34)電連接;以及 與所述印刷電路板(34)連接的集成電路(36)以使得所述導體(16)上的信號在所述集成電路(36)處被提供； 第一模塊(24)與所述第二模塊(24)堆疊以使得所述適配器(32)與彼此以及所述多維換能器陣列(12)的不同部分接觸。2.如權利要求1所述的系統，其中第一平面上的導體(16)具有第一間距以及第二平面上的導體(16)具有不同于第一間距的第二間距。3.如權利要求2所述的系統，其中所述第二間距沿著兩個維度不同于所述第一間距。4.如權利要求1所述的系統，其中所述適配器(32)采用流動焊接或具有導電粘合劑的柱形凸塊表面安裝到所述印刷電路板(34)以及其中所述集成電路(36)表面安裝到與適配器(32)相比所述所述印刷電路板(34)的相對面，所述印刷電路板(34)包括平板。5.如權利要求1所述的系統，其中所述導體(16)包括線。6.如權利要求5所述的系統，其中所述適配器(32)包括具有凹槽的第一和第二組板，所述第一組和第二組板分別垂直于所述第一和第二平面，所述線延伸通過所述凹槽。7.如權利要求1所述的系統，其中所述導體(16)包括磁線以及所述適配器(32)包括吸聲襯板材料。8.—種用于與矩陣換能器陣列(12)互連的適配器(32)，所述適配器(32)包括: 具有以所述矩陣換能器陣列(12)的元件的第一間距暴露的導體(16)的第一表面(30);以及 具有以沿著兩個維度不同于所述第一間距的第二間距暴露的導體(16)的第二表面(42); 其中所述第一表面(30)與所述第二表面(42)呈大約90度。9.如權利要求8所述的適配器(32)，其中所述第二表面(42)表面安裝到印刷電路板(34)。10.如權利要求8所述的適配器(32)，其中所述第一表面(30)在第一立方體上以及所述第二表面(42)在第二立方體上，所述第一立方體與所述第二立方體連接以得到“L”形的橫截面。11.如權利要求8所述的適配器(32)，其中所述第一和第二表面(42)在陶瓷印刷電路板(34)材料上形成，所述導體(16)包括陶瓷印刷電路板(34)材料中的跡線和通孔。12.如權利要求8所述的適配器(32)，其中所述第一表面(30)由具有支撐所述導體(16)的通道的第一多個堆疊板形成，所述第二表面(42)由具有支撐所述導體(16)的通道的第二多個堆疊板形成，所述第一多個堆疊板的通道具有不同于所述第二多個堆疊板的通道的間距，并且所述第一多個堆疊板具有不同于所述第二多個堆疊板的厚度。13.如權利要求8所述的適配器(32)，其中所述導體(16)包括之間纏繞并分離以形成第一和第二表面(30，42)的線。14.如權利要求8所述的適配器，其中所述導體(16)包括在柔性電路材料上的跡線。15.—種用于在超聲換能器中路由信號的方法，所述方法包括: 沿著元件的陣列(12)的z軸將元件的電極連接(90)到導體(16)，所述電極和電極處的導體(16)以第一間距分布；以及 從元件到與電極隔開的表面路由(92)所述導體(16)，所述表面不與所述陣列(12)平行，其中在表面處的導體(16)具有沿著兩個維度不同于第一間距的第二間距。
【文檔編號】B06B1/06GK105983531SQ201610310599
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月17日
【發明人】J·D·霍普勒, 陸宣明, D·A·彼得森, W·彼得森, T·E·辛普森
【申請人】美國西門子醫療解決公司