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專利名稱：用于超聲束形成器探頭的混合集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于超聲束形成器探頭的混合集成電路(IC)，其同時提供了換能器元件接口的高壓要求以及控制和束形成功能的高密度功能要求。
背景技術(shù)：
醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)用于非侵入實時察看人體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。超聲成像系統(tǒng)包括用于發(fā)射和接收超聲脈沖的換能器陣列。各個換能器為壓電元件。發(fā)射束形成器電路按照特定時序?qū)Q能器陣列內(nèi)的各個換能器施加電脈沖以產(chǎn)生發(fā)射束。發(fā)射束被具有完全不同聲學(xué)性能的組織結(jié)構(gòu)反射。反射束被接收換能器轉(zhuǎn)換成電脈沖，電脈沖轉(zhuǎn)換成可由顯示器顯示的圖像信號。每個換能器既可用作發(fā)射換能器也可以用作接收換能器。
為了實現(xiàn)高分辨率，換能器陣列制成包括幾百至幾千個換能器元件。這些換能器連接到微束形成器電子電路，后者將來自換能器的大量信號轉(zhuǎn)換成可以由超聲處理臺中另外束形成器管理的一些信號。該微束形成器電子電路需要與換能器一起布置在探頭內(nèi)，因為通過電纜難以將來自換能器的所有信號傳送到超聲處理臺。
探頭內(nèi)的電路需要提供足夠的電壓和功率以操作用于發(fā)射束的驅(qū)動器，且必須同時限制探頭處產(chǎn)生的熱。探頭通常需要60-200Vp-p，較新的探頭位于該范圍的下端。為了產(chǎn)生這些電壓，需要用于脈動這些元件的驅(qū)動器以及將接收器與發(fā)射脈沖連接或斷開的開關(guān)。然而，控制及束形成功能需要高密度集成以處理來自換能器的大量信號。提供高壓的IC裝置形體龐大，消耗更多的能量，并因此產(chǎn)生更多的熱。然而，提供高密度的IC裝置限制了工作電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標時提供一種同時滿足微束形成器超聲探頭的高壓和高密度要求的混合IC。
本發(fā)明的目標通過用于超聲探頭中微束形成器的混合集成電路封裝體實現(xiàn)，該超聲探頭具有用于發(fā)射和接收脈沖的換能器陣列。該電路封裝體包括基板；高壓集成電路裝置，包括用于產(chǎn)生發(fā)射脈沖的驅(qū)動器，該發(fā)射脈沖將被傳送到換能器元件用以產(chǎn)生發(fā)射束；以及低壓集成電路裝置，包括用于從換能器元件接收反射脈沖并延遲反射脈沖的延時電路，以及對延遲的反射脈沖組求和以產(chǎn)生經(jīng)束形成的(beamformed)信號的求和電路。該高壓電壓集成電路裝置還可包括用于將發(fā)射脈沖與反射脈沖隔離的開關(guān)以及用于實現(xiàn)接收器增益的放大器。
該高壓集成電路可以是CMOS或BiCMOS，低壓集成電路包括互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)。
在某些情形中，換能器元件陣列可以直接連接到所述基板。
該基板可以是剛性或者柔性的。此外，該基板可包括連接到柔性材料的剛性元件。
該高壓集成電路裝置和低壓集成電路裝置可以采用球柵陣列連接到基板。
此外，該高壓集成電路裝置、低壓集成電路裝置、以及基板可以以層疊布置連接。


通過結(jié)合附圖進行的下述詳細描述，本發(fā)明的其他目標和特征將變得顯而易見。然而，應(yīng)該理解，附圖純粹是出于說明的目的，而不是定義對本發(fā)明的限制，本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求界定。還應(yīng)該理解，附圖不一定按比例繪制，除非另外指出，附圖僅僅概念性地示出此處所述的結(jié)構(gòu)和過程。
在附圖中，相同的參考符號在所有視圖中都表示相似的元件。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的超聲探頭的方框圖；圖2為示出了束形成器概念的簡化示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的混合IC的示意圖；圖4為示出了圖3的混合IC的一個通道的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的多封裝體模塊(MPM)的剖面視圖；圖6為本發(fā)明的另一種MPM的剖面視圖；
圖7為本發(fā)明的又一種MPM的剖面視圖；圖8為本發(fā)明的再一種MPM的剖面視圖；以及圖9a和9b為根據(jù)本發(fā)明的MPM的剖面視圖。
具體實施例方式
圖1為包括換能器110的超聲探頭100的方框圖。發(fā)射電路120布置在探頭100內(nèi)以產(chǎn)生電脈沖，該電脈沖施加到換能器110從而在對象內(nèi)產(chǎn)生發(fā)射束。發(fā)射電路120響應(yīng)于從束形成器電路130接收的信號產(chǎn)生所述電脈沖，該束形成器電路130根據(jù)需要施加用于聚焦發(fā)射脈沖的時間延遲。束形成器電路130設(shè)置成從換能器110接收反射脈沖。束形成器電路130也可以施加時間延遲與/或增益控制，以設(shè)置反射束的功率水平。發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)120連接到換能器110、發(fā)射電路120、以及束形成器電路130，用于將發(fā)射脈沖與反射脈沖隔離。在優(yōu)選實施例中，超聲探頭100為微束形成器超聲探頭，其具有數(shù)千個換能器以實現(xiàn)三維成像。或者，超聲探頭可包括1×D類型探頭，其具有擴大的仰角孔(elevation apertufe)以提供增強的2D圖像。這些1×D探頭也稱為1.125D、1.25D、...1.75D探頭，其中數(shù)字表示所使用的聚焦方法的類型。
圖2為示出了用于處理反射信號的束形成器概念的簡化示意圖。束形成器130包括延時電路210和信號求和電路(signal summationcircuit)220。如前所述，延時電路210可以用于聚焦發(fā)射脈沖。在施加發(fā)射脈沖之后，各個換能器110接收反射脈沖，并基于反射脈沖產(chǎn)生信號。延時電路210可以對反射脈沖信號施加時間延遲，所述反射脈沖信號隨后在求和電路220內(nèi)被求和以產(chǎn)生形成束(formedbeam)。為了簡化，圖2示出了6個換能器用于形成一個形成束。探頭100可具有數(shù)千個換能器，束形成器130可將來自換能器的這些數(shù)千個信號減少到幾百個信號，這幾百個信號發(fā)送到超聲處理器以進一步進行束形成。美國專利No.6,491,634和6,103,032披露了這種類型的探頭，其全部內(nèi)容引入于此作為參考。
圖3的示意圖示出了低壓集成電路(LVIC)310和高壓集成電路(HVIC)320以及將在下文描述的用于各種信號的引腳編號列表。具有大量換能器的微束形成器探頭需要高密度集成電路以管理數(shù)千個換能器信號。同時，驅(qū)動器需要高壓來為換能器產(chǎn)生發(fā)射脈沖。提供所需電壓水平的HVIC通常不具有微束形成器所需的密度。此外，這些HVIC消耗大量能量，產(chǎn)生熱。熱的產(chǎn)生對于超聲探頭是有害的，因為超聲探頭必須工作在限制可產(chǎn)生的熱量的準則以內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，混合集成電路封裝體包括LVIC 310和HVIC 320，以提供形成發(fā)射脈沖所需的高壓以及管理來自換能器的反射脈沖所需的密度。HVIC 320提供發(fā)射電路120，且還包括開關(guān)140。LVIC 310包括束形成器130。信號EL代表與換能器元件的連接。模擬信號為來自換能器的信號，這些信號通過T/R開關(guān)傳送到LVIC。HV和RTN向HVIC提供高壓信號以產(chǎn)生脈沖。SUM信號為束形成器的輸出，該信號被發(fā)送到外部超聲處理器。VDDA、VCORE、VDDD為電壓源連接。GNDD和GNDA為接地連接。CTRL線為控制線，控制發(fā)射脈沖和反射脈沖的延遲和偏置功能。
在優(yōu)選實施例中，圖1所示電路為模擬電路。目前，技術(shù)上的限制使得無法在探頭內(nèi)包含到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。然而將來，束形成器電路130也可包括含有A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電路，其中從反射脈沖接收的信號在它們被施加時間延遲和求和之前，從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
在一個實施例中，使用CMOS技術(shù)制造LVIC 310，使用雙極或者場效應(yīng)晶體管技術(shù)制造HVIC 320。盡管目前CMOS技術(shù)是優(yōu)選的，但是LVIC 310備選地可以使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)制造。
圖4示出了到一個換能器元件的用于發(fā)射和接收的LVIC 310和HVIC 320的單個通道。LVIC 310包括具有延遲線的RAM 311、驅(qū)動器312和前置放大器313。HVIC 320包括改進的運算跨導(dǎo)放大器(OTA)322，且可以還包括用于放大反射脈沖的放大器313a。針對本申請的對OTA的改進包括偏置調(diào)整，允許用戶用功耗換取諧波失真；禁止功能，用于在接收模式下降低功率；固定增益的低噪聲放大器；以及與發(fā)射/接收開關(guān)的連接。盡管優(yōu)選實施例使用OTA 322，但其他類型的放大器也可以采用。
在發(fā)射模式中，延遲線311通過開關(guān)315被反轉(zhuǎn)，延遲線311的電容器被預(yù)充電。HV放大器322通過開關(guān)326連接到RAM，HV發(fā)射接收開關(guān)324斷開，阻止高壓施加到LVIC 310。在該模式中，來自HV放大器的脈沖322施加到負載，即換能器元件EL。
在接收模式中，延遲線311被設(shè)置成接收輸入。開關(guān)326斷開，從而將HV放大器322與RAM 311斷開連接。HV發(fā)射/接收開關(guān)324閉合，響應(yīng)于來自HV放大器322的脈沖在換能器元件產(chǎn)生的信號被允許傳遞到LVIC 310的延遲線311。被延遲的信號隨后發(fā)送到求和器供進一步處理。
LVIC 310和HVIC 320可以布置成本領(lǐng)域中目前已知或者將來已知的任何混合IC配置。通過非限制性的示例，圖5至9b示出了可以使用的各種示范性配置。然而，這些示例并非旨在限制可用于產(chǎn)生混合IC封裝體的各種技術(shù)，其中該混合IC封裝體包括使用不同工藝技術(shù)制作的兩個或更多個互連的IC。圖5示出了布置在用于互連的高密度基板410上的LVIC 310和HVIC 320。這種配置成為多封裝體模塊(MPM)。基板介質(zhì)優(yōu)選允許倒裝連接和引線接合連接。然而，所述連接可以只是倒裝連接或引線接合連接。如圖5所示，基板410可以布置成標準的球柵陣列420。例如Amokr Technology，Inc.Chandler AZ.使用這種基板上芯片配置。
圖6示出了另一個實施例，其中LVIC 310和HVIC 320連接到基板510。此外，包括換能器110的傳感器520也連接到基板510。圖6還示出了，柔性連接器530可以連接到基板用于將信號從探頭傳送到超聲處理器。圖7示出了又一個實施例，其中傳感器620直接連接到柔性連接器630，基板610連接到柔性傳感器630。在圖7實施例中，基板連接到LVIC 310和HVIC 320。在圖8所示另一配置中，LVIC 310、HVIC 320、以及傳感器520分別連接到柔性基板710。在本實施例中，可以使用微球柵陣列制作連接。柔性連接材料例如由Dyconex AG，Bassersdorf，Switzerland和Tessera，Inc.，San Jose，CA制作。
圖9a和9b示出了層疊管芯概念也可以用于組裝混合IC。在所示實施例中，LVIC 310和HVIC 320布置在微球柵陣列基板810內(nèi)。LVIC310和HVIC 320的層疊可以使用Irving Sensors，Inc.，Costa Mesa，CA的新層疊(neo-stacking)技術(shù)實現(xiàn)，其中通過側(cè)鍍(sideplating)形成互連。或者，采用例如ChipPAK，Inc.，Korea的接合引線在封裝體級產(chǎn)生互連。
因此，盡管已經(jīng)示出了和描述并指出了應(yīng)用于其優(yōu)選實施例的本發(fā)明基本新穎特征，但是應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明精神的情況下，可以對所示裝置的形式和細節(jié)以及其操作進行各種省略和替代及變化。例如，以基本上相同的方式執(zhí)行基本上相同的功能以實現(xiàn)相同結(jié)果的所有元件組合都明確地落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。此外，應(yīng)該認識到，結(jié)合本發(fā)明的任何所披露的形式或?qū)嵤├境雠c/或描述的結(jié)構(gòu)與/或元件可以作為一般設(shè)計選擇而并入到任何其他所披露的或描述或暗示的形式或?qū)嵤├Ｒ虼吮景l(fā)明僅由所附權(quán)利要求的范圍界定。
權(quán)利要求
1.一種用于超聲探頭中微束形成器的混合集成電路封裝體，所述超聲探頭具有用于發(fā)射和接收脈沖的換能器元件陣列，所述電路封裝體包括基板；用于產(chǎn)生聚焦發(fā)射脈沖的驅(qū)動電路，該聚焦發(fā)射脈沖將被傳送到所述換能器元件用于產(chǎn)生發(fā)射束；束形成器電路，包括延時電路和求和電路，所述延時電路可操作地設(shè)置成從所述換能器元件接收多個反射脈沖并延遲所述反射脈沖，所述求和電路可操作地設(shè)置成對所述延遲的反射脈沖的組進行求和以產(chǎn)生經(jīng)束形成的信號；高壓集成電路裝置，包括所述驅(qū)動電路；以及低壓集成電路裝置，包括所述束形成器電路的至少一部分，所述高壓集成電路和所述低壓集成電路安裝在所述基板上。
2.權(quán)利要求1所述的電路封裝體，其中所述高壓集成電路裝置包括用于將所述發(fā)射脈沖與所述反射脈沖隔離的開關(guān)。
3.權(quán)利要求1所述的電路封裝體，其中所述低壓集成電路裝置包括整個束形成器電路。
4.權(quán)利要求1所述的電路封裝體，其中所述高壓集成電路包括雙極晶體管(BPT)或場效應(yīng)晶體管(FET)。
5.權(quán)利要求1所述的電路封裝體，其中所述低壓集成電路包括互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)。
6.權(quán)利要求1所述的電路封裝體，還包括換能器元件陣列，其中所述陣列直接連接到所述基板。
7.權(quán)利要求1所述的電路封裝體，其中所述基板是剛性的，所述封裝體還包括連接到所述基板的柔性材料。
8.權(quán)利要求7所述的電路封裝體，還包括換能器元件陣列，其中所述陣列連接到所述柔性材料。
9.權(quán)利要求1所述的電路封裝體，其中所述基板包括柔性材料。
10.權(quán)利要求9所述的電路封裝體，其中所述高壓集成電路裝置和所述低壓集成電路裝置使用球柵陣列連接到所述柔性材料。
11.權(quán)利要求1所述的電路封裝體，其中所述高壓集成電路裝置和所述低壓集成電路裝置分別使用球柵陣列連接到所述基板。
12.權(quán)利要求1所述的電路封裝體，其中所述高壓集成電路裝置、所述低壓集成電路裝置、以及所述基板以層疊布置連接。
全文摘要
一種用于超聲探頭中微束形成器的混合集成電路封裝體，包括基板；用于產(chǎn)生發(fā)射脈沖的驅(qū)動器電路，該發(fā)射脈沖將被傳送到換能器元件以產(chǎn)生發(fā)射束；以及，束形成器電路，包括延時電路和求和電路，延時電路可操作地設(shè)置成從換能器元件接收多個反射脈沖并延遲反射脈沖，求和電路可操作地設(shè)置成對延遲反射脈沖組求和以產(chǎn)生經(jīng)束形成的信號。驅(qū)動電路為包括所述驅(qū)動電路的高壓集成電路裝置的一部分。該束形成器電路的至少一部分為低壓集成電路裝置的一部分，其中高壓集成電路和低壓集成電路安裝在基板上。
文檔編號G01S15/89GK101061392SQ200580039883
公開日2007年10月24日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者S·施韋策, S·施米德特, M·巴茨 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司