CN103371851A - 超声波探头 - Google Patents

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CN103371851A CN2013101578391A CN201310157839A CN103371851A CN 103371851 A CN103371851 A CN 103371851A CN 2013101578391 A CN2013101578391 A CN 2013101578391A CN 201310157839 A CN201310157839 A CN 201310157839A CN 103371851 A CN103371851 A CN 103371851A
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李承宪
金培滢
金永一
宋宗根
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Abstract

在此公开的是一种超声波探头，在被结合到cMUT的集成电路中产生的热从所述超声波探头被释放。所述超声波探头包括：换能器，产生超声波；集成电路，安装在换能器的后表面上；印刷电路板，安装在集成电路的后表面上，并具有开口，以使集成电路的后表面部分地暴露；散热器，具有***到印刷电路板的开口中的突起，并吸收在集成电路中产生的热；散热模块，将由散热器吸收的热释放到外部。

Description

超声波探头
本申请要求于2012年4月30日提交到韩国知识产权局的第2012-0045336号韩国专利申请的权益，该申请的公开通过引用被包含于此。
技术领域
本发明的实施例涉及一种超声波探头，所述超声波探头使用电容式微超声换能器（cMUT，capacitive micromachined ultrasonic transducer）。
背景技术
超声诊断仪从对象的表面朝向对象的体内的目标区域照射超声波，并且通过接收被反射的超声信号（超声回波信号）非侵入性地获得关于软组织的X线断层图或者血液流动的图像。
与其他图像诊断仪（例如，X射线诊断仪、X射线计算机化断层摄影（CT）扫描仪、磁共振成像仪（MRI）和核医学诊断仪）相比，超声诊断仪是小型的且廉价的，执行实时显示并具有高安全性，而不会辐射暴露，因此超声诊断仪被广泛地用于心脏诊断、腹腔诊断、泌尿器诊断和产科诊断。
超声诊断仪包括超声波探头，所述超声波探头向对象发射超声信号并接收被对象反射的超声回波信号，以获得对象的超声图像。
一般而言，通过将电能转换成机械能而产生超声波的压电材料广泛用作在超声波探头中产生超声波的换能器（transducer）。
近年来，电容式微超声换能器（cMUT）已经作为超声换能器领域中的新概念被开发。
cMUT基于微机电***（MEMS）技术制造，所述cMUT是使用数百或数千的微加工薄膜的振动来发射和接收超声波的超声换能器领域中相对新的概念。电容器通过以下步骤形成：在半导体制造过程中常用的半导体基底上形成下电极和绝缘层；在包括下电极的绝缘层上形成空气间隙；在空气间隙上形成具有几到数千
Figure BDA00003134168600011
厚度的薄膜；在薄膜上形成上电极。
当AC信号施加到电容器时，通过薄膜的振动产生超声波。另一方面，当薄膜通过外部的超声波振动时，cMUT的电容变化。通过检测这样的电容变化来检测超声波。
因为一个cMUT具有几十μm的直径，所以数万个cMUT的阵列的尺寸是几mm。此外，因为数万个传感器可通过单个半导体制造工艺而在期望的位置精确地布置，且cMUT元件可通过诸如倒装芯片结合的芯片结合而结合到专用集成电路（ASIC）以将电信号施加到cMUT，所以可克服由于配线导致的加工复杂性。
cMUT的这些特征适于制造具有二维阵列的换能器且可有助于多通道换能器的发展。
然而，在用于驱动包括少数换能器的超声波探头的电路中产生的热大约为1W，这些热可经过探头壳体容易地释放，而在用于驱动包括多通道换能器的超声波探头的电路中产生的热大约为7W。因此，需要开发消散来自超声波探头的热并使超声波探头冷却的技术。
发明内容
因此，本发明的一方面在于提供一种超声波探头，所述超声波探头使用散热器来吸收在专用集成电路（ASIC）中产生的热并通过散热模块将由散热器吸收的热释放到外部，电容式微超声换能器（cMUT）结合到所述ASIC。
将在下面的描述中部分地阐述本发明的其他方面，通过描述部分将是明显的，或者可通过本发明的实施而得知。
根据本发明的一方面，一种超声波探头包括：换能器，产生超声波；集成电路，安装在换能器的后表面上；印刷电路板，安装在集成电路的后表面上，并具有开口，以使集成电路的后表面部分地暴露；散热器，具有***到印刷电路板的开口中的突起，并吸收在集成电路中产生的热；散热模块，将由散热器吸收的热释放到外部。
在散热器的突起和集成电路之间可形成有间隙。
间隙可填充有热油脂或相变材料。
散热模块可包括：热管，沿与超声波发射的方向相反的方向传递由散热器吸收的热；热沉，将从热管传递的热释放到外部。
散热器可包括***槽，热管***到所述***槽中。
***槽可从散热器的后表面延伸至突起。
热沉可包括：散热板，使从热管传递的热分散；散热扇，使由散热板分散的热释放到外部。
固定板可安装在散热器的后表面上，并通过结合构件连接到印刷电路板，以将散热器固定到印刷电路板。
换能器可以是电容式微超声换能器（cMUT）。
根据本发明的另一方面，一种超声波探头包括：换能器，产生超声波；集成电路，安装在换能器的后表面上；印刷电路板，安装在集成电路的后表面上，并具有开口，以使集成电路的后表面部分地暴露；散热器，通过印刷电路板的开口吸收在集成电路中产生的热。
散热器可安装在印刷电路板的后表面上，且集成电路的通过开口暴露的后表面和散热器的与开口对应的前表面之间的空间可填充有热介质。
热介质可包括热油脂和相变材料。
固定板可安装在散热器的后表面上，并通过结合构件连接到印刷电路板，以将散热器固定到印刷电路板。
所述超声波探头还可包括：热管，沿与超声波发射的方向相反的方向传递由散热器吸收的热；热沉，使从热管传递的热释放到外部。
散热器可包括***槽，热管***到所述***槽中。
热沉可包括：散热板，使从热管传递的热分散；散热扇，使由散热板分散的热释放到外部。
根据本发明的另一方面，一种超声波探头包括：换能器，产生超声波；集成电路，安装在换能器的后表面上；印刷电路板，安装在集成电路的后表面上，并具有开口，以使集成电路的后表面部分地暴露；散热器，设置在印刷电路板的后表面上，具有***到印刷电路板的开口中的突起，并吸收在集成电路中产生的热；热管，沿与超声波发射的方向相反的方向传递由散热器吸收的热，热沉，使从热管传递的热释放到外部，其中，散热器包括***槽，热管***到所述***槽中，且在散热器的突起和集成电路之间形成有间隙。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面将会变得明显并更易于理解，在附图中：
图1是示出根据本发明的实施例的超声波探头的截面图；
图2是示出根据本发明的实施例的超声波探头的分解透视图；
图3是示出根据本发明的实施例的超声波探头的换能器的示意图；
图4是图1的局部放大图；
图5和图6是示出根据本发明的实施例的超声波探头的透视图；
图7是示出根据本发明的实施例的超声波探头的热管的操作原理的示意图；
图8是示出根据本发明的实施例的超声波探头的散热模块的透视图；
图9是示出设置在壳体中的图1的超声波探头的示意图；
图10是示出根据本发明的另一实施例的超声波探头的截面图；
图11是示出根据本发明的另一实施例的超声波探头的分解透视图；
图12是图10的局部放大图；
图13是示出根据本发明的另一实施例的超声波探头的透视图；
图14是示出设置在壳体中的图10的超声波探头的示意图。
具体实施方式
现在对本发明的实施例进行详细的说明，其示例被示出在附图中，其中，相同的标号始终指示相同的元件。
图1是示出根据本发明的实施例的超声波探头的截面图。图2是示出根据本发明的实施例的超声波探头的分解透视图。图3示意性地示出根据本发明的实施例的超声波探头的换能器。图4示出图1的散热器的放大的***结构。
根据本发明的实施例的超声波探头包括：电容式微超声换能器（cMUT）阵列10；集成电路20，安装在cMUT阵列10的后表面上；印刷电路板30，安装在集成电路20的后表面上。
如图2和图3所示，cMUT阵列10可以是二维阵列。
这里，构造cMUT阵列10的基本单元被称为贴片（tile）11。
贴片11包括按照二维阵列布置的元件12。在一个元件12中，多个薄膜13按照二维阵列布置，所述多个薄膜13响应于施加到所述多个薄膜13的电信号而振动。
图3示出cMUT阵列10的结构的放大示图。
例如，如图3所示，cMUT阵列10可具有包括32个贴片11的4×8二维阵列结构。
此外，每个贴片11均可具有包括256个元件12的16×16二维阵列结构。
每个单元12均可包括20个薄膜13，所述20个薄膜13响应于施加到所述20个薄膜13的电信号而振动，以产生超声波。
在这一点上，一个cMUT阵列10可总共包括163，840个薄膜13。
如上所述，当作为超声波探头的换能器的cMUT阵列10具有包括32个贴片11的4×8二维阵列结构时，两个集成电路20可分别结合到cMUT阵列10的上面两排贴片11和下面两排贴片11，以分别控制施加到上面两排贴片11和下面两排贴片11的两个电信号。
例如，cMUT阵列10可通过倒装芯片结合而结合到诸如专用集成电路（ASIC）的集成电路20。
结合到cMUT阵列10的ASIC可具有通过引线结合（wire bonding）而结合到印刷电路板30的信号线。
当通过印刷电路板30施加电信号时，施加到cMUT阵列10的电信号根据ASIC的逻辑电路（logic）被控制，从而控制超声波的产生。
cMUT阵列10和集成电路20的这种布置是示例，且cMUT阵列10和集成电路20的布置可具有其他的形状或结构。
根据本发明的实施例的超声波探头具有这样的结构：通过使在集成电路20中产生的热有效地释放到超声波探头的外部而对超声波探头进行有效的散热。
用于散热的结构包括散热器40和散热模块90，所述散热器40吸收在集成电路20中产生的热，所述散热模块90释放由散热器40吸收的热。
散热器40可由诸如铝的金属形成。
如图2所示，为了使在集成电路20中产生的热有效地传递到散热器40，开口31形成在根据本发明的实施例的超声波探头的印刷电路板30中，从而使散热器40和集成电路20彼此热接触。
即，如图2所示，开口31形成在结合到集成电路20的后表面的印刷电路板30中，从而使集成电路20的后表面部分地暴露，且散热器40具有***到印刷电路板30的开口31中的突起41。
散热器40的突起41***到印刷电路板30的开口31中，以与集成电路20热接触，从而吸收在集成电路20中产生的热。
图4示出散热器40的突起41的被放大的***结构。如图4所示，散热器40的***到开口31中的突起41不直接接触集成电路20，且在突起41和集成电路20之间形成间隙a。
即，可通过在突起41处形成台阶式差异来防止突起41和集成电路20之间的直接接触，从而当突起41***到开口31中时，突起41***预定的深度。
当集成电路20与散热器40直接接触时，外部的机械冲击可能会直接传递到集成电路20。因此，在散热器40的突起41和集成电路20之间形成间隙a。
间隙a可填充有具有高热导率（thermal conductivity）的热介质，例如热油脂或相变材料。
当间隙a填充有具有高热导率的热介质时，散热器40的突起41通过作为媒介的热油脂或相变材料与集成电路20的后表面热接触。
图5是示出散热器40的突起41***到印刷电路板30的开口31中的结构的透视图。
如图2和图5所示，开口31具有矩形的形状，所述开口31具有沿z轴方向的较长的宽度和沿y轴方向的较短的长度。
此外，开口31可形成在印刷电路板30的中央区域处，从而突起41与结合到印刷电路板30的前表面的两个集成电路20热接触。
固定板50安装在散热器40的后表面上，以将散热器40固定到印刷电路板30。
参照图2和图6，固定板50安装在散热器40的后表面上，且固定板50通过结合构件70连接到印刷电路板30。
安装在散热器40的后表面上的固定板50通过结合构件70连接到印刷电路板30。因此，散热器40通过固定板50固定到印刷电路板30。
通过将散热器40固定到印刷电路板30，可形成间隙a，从而集成电路20和突起41彼此分开均匀的距离，且可防止由于外部冲击而导致的散热器40的连接结构的物理变形。
由散热器40吸收的热通过散热模块90释放到超声波探头的外部。散热模块90包括热管60和热沉（heat sink）80。
图7示意性地示出热管60的操作原理。
热管60是通过将工作流体注入被密封的管状容器中并使所述容器抽空成真空状态而被制造的装置。
工作流体在热管60中以两种相态存在，并传递热。
参照图7，当热施加到热管60的蒸发部分61时，热通过热传导传递到热管60中。
在热管60中，工作流体从微结构（毛细）62的高温表面蒸发。
蒸发的工作流体增大了蒸发部分61中的气体密度和压力。因此，压力梯度沿朝向冷凝部分63的方向形成在中央气体通道中，在所述冷凝部分63中，气体密度和压力相对低，从而使气体运动。
在这一点上，气体在具有与蒸发潜热对应的大量的热的同时运动。
运动到冷凝部分63的气体在温度相对低的冷凝部分63的内壁处冷凝以释放热并返回至液相。
返回至液相的工作流体通过微结构62的毛细压力或重力流经微结构62的内部孔隙运动至蒸发部分61。
随着该过程重复进行连续地进行热传递。
热管60的蒸发部分61接触散热器40，且热管60根据如上所述的热传递过程将在集成电路20中产生的热传递至超声波探头的后侧。
如图2所示，散热器40具有***槽42，热管60***到所述***槽42中，以使热有效地传递到热管60。
如图2和图6所示，热管60经过散热器40的***槽42***到散热器40的后表面的中央区域中。
如图2所示，***槽42可具有足够的深度以到达散热器40的突起41。
通过将热管60***到与集成电路20热接触的散热器40的突起41，可使热阻最小化且在集成电路20中产生的热可经过散热器40被有效地传递到热管60。
可根据热管60的直径以及集成电路20和散热器40的突起41之间的热接触面积来确定印刷电路板30的开口31的沿y轴方向的长度b和散热器40的突起41的沿y轴方向的宽度。
通过热管60传递的热经设置在热管60的冷凝部分63处的热沉80而释放至超声波探头的外部。
参照图8，热沉80包括：散热板82，所述散热板82包括由铝等形成的多个金属翼，以使从热管60传递来的热分散；散热扇81，将被散热板82分散的热释放到外部。
热管60的冷凝部分63接触热沉80的散热板82。当运动至冷凝部分63的气体在温度相对低的冷凝部分63的内壁处冷凝以释放热时，散热板82使由热管60的冷凝部分63释放的热分散。
然后，被散热板82分散的热通过散热扇80而释放至超声波探头的外部。
参照图9，热沉80设置在超声波探头的后端。
考虑到超声波探头的信号线，热沉80可设置在超声波探头的后端。
此外，超声波探头壳体100可具有位于设置热沉80的位置处的空气入口和空气出口，空气通过所述空气入口和空气出口流入和流出，以使散热扇81的操作平稳。
图10至图14示出根据本发明的另一实施例的超声波探头的特性。
图10是示出根据本发明的另一实施例的超声波探头的截面图。图11是示出根据本发明的另一实施例的超声波探头的分解透视图。图12示出图10中所示的散热器40和开口31之间的放大的连接结构。
根据本实施例的超声波探头包括散热器40，所述散热器40吸收在集成电路20中产生的热，以将在集成电路20中产生的热有效地消散到超声波探头的外部。
为了将在集成电路20（热主要在集成电路20处产生）中产生的热有效地传递到散热器40，超声波探头的印刷电路板30具有开口31，以使散热器40和集成电路20之间热接触，如图10至图14所示。
即，如图11所示，被结合到集成电路20的后表面的印刷电路板30具有开口31，从而使集成电路20的后表面部分地暴露。根据本实施例，突起（根据先前实施例的该突起***到开口31中）未形成在散热器40上。
即，散热器40的前部分的沿y轴方向的宽度大于印刷电路板30的开口31的沿y轴方向的长度，从而散热器40的前部分未***到开口31中，而是接触开口31的后入口。
在这种结构中，在通过开口31暴露的集成电路20的后表面和散热器40的前部分之间形成开口31深度的间隙。
间隙可填充有诸如热油脂或相变材料的具有高热导率的热介质，以将在集成电路20中产生的热有效地传递到散热器40。
当间隙填充有具有高的热导率的热介质时，散热器40通过作为介质的热油脂或相变材料而与集成电路20的后表面热接触。
其他组件与如上所述的组件相同，因此将省略对它们的详细描述。
虽然已示出和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行改变。

Claims (17)

1.一种超声波探头，包括：
换能器，产生超声波；
集成电路，安装在换能器的后表面上；
印刷电路板，安装在集成电路的后表面上，并具有开口，以使集成电路的后表面部分地暴露；
散热器，具有***到印刷电路板的开口中的突起，并吸收在集成电路中产生的热；
散热模块，将由散热器吸收的热释放到外部。
2.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，在散热器的突起和集成电路之间形成有间隙。
3.根据权利要求2所述的超声波探头，其中，间隙填充有热油脂或相变材料。
4.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，散热模块包括：
热管，沿与超声波发射的方向相反的方向传递由散热器吸收的热；
热沉，将从热管传递的热释放到外部。
5.根据权利要求4所述的超声波探头，其中，散热器包括***槽，热管***到所述***槽中。
6.根据权利要求5所述的超声波探头，其中，***槽从散热器的后表面延伸至突起。
7.根据权利要求4所述的超声波探头，其中，热沉包括：
散热板，使从热管传递的热分散；
散热扇，使由散热板分散的热释放到外部。
8.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，固定板安装在散热器的后表面上，并通过结合构件连接到印刷电路板，以将散热器固定到印刷电路板。
9.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，换能器是电容式微超声换能器。
10.一种超声波探头，包括：
换能器，产生超声波；
集成电路，安装在换能器的后表面上；
印刷电路板，安装在集成电路的后表面上，并具有开口，以使集成电路的后表面部分地暴露；
散热器，通过印刷电路板的开口吸收在集成电路中产生的热。
11.根据权利要求10所述的超声波探头，其中，散热器安装在印刷电路板的后表面上，且集成电路的通过开口暴露的后表面和散热器的与开口对应的前表面之间的空间填充有热介质。
12.根据权利要求11所述的超声波探头，其中，热介质包括热油脂和相变材料。
13.根据权利要求10所述的超声波探头，其中，固定板安装在散热器的后表面上，并通过结合构件连接到印刷电路板，以使散热器固定到印刷电路板。
14.根据权利要求10所述的超声波探头，所述超声波探头还包括：
热管，沿与超声波发射的方向相反的方向传递由散热器吸收的热；
热沉，使从热管传递的热释放到外部。
15.根据权利要求14所述的超声波探头，其中，散热器包括***槽，热管***到所述***槽中。
16.根据权利要求14所述的超声波探头，其中，热沉包括：
散热板，使从热管传递的热分散；
散热扇，使由散热板分散的热释放到外部。
17.一种超声波探头，包括：
换能器，产生超声波；
集成电路，安装在换能器的后表面上；
印刷电路板，安装在集成电路的后表面上，并具有开口，以使集成电路的后表面部分地暴露；
散热器，设置在印刷电路板的后表面上，具有***到印刷电路板的开口中的突起，并吸收在集成电路中产生的热；
热管，沿与超声波发射的方向相反的方向传递由散热器吸收的热，
热沉，使从热管传递的热释放到外部，
其中，散热器包括***槽，热管***到所述***槽中，且在散热器的突起和集成电路之间形成有间隙。
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