用于超声换能器阵列的具有高导热性的高孔隙率声背衬

摘要

一种用于超声探针的超声换能器阵列堆的衬块被形成为灌注有环氧树脂的石墨泡沫的复合结构。环氧树脂渗透多孔泡沫结构至少一部分达到石墨泡沫块的深度，并且在固化时为衬块提供良好的结构稳定性。复合石墨泡沫衬块被结合到换能器的集成电路，以提供远离换能器的高导热性和良好的声衰减或向后的声回响的散射。

说明书

发明领域

本发明涉及医疗诊断超声系统，尤其涉及用于超声换能器阵列的背衬 材料。

背景技术

二维阵列换能器被用在超声成像中，以便进行三维扫描。二维阵列在 方位方向和高度方向上都具有许多行和列的换能器元件，这将需要大量的 电缆导体来在探针和主机超声系统之间联接信号。用于使在探针电缆中的 信号导体的数量最小化的优选技术是在微波束成形器ASIC（专用集成电 路）中的探针中执行至少一些波束成形。该技术仅仅需要相对少数量的部 分波束成形信号被联接到主机超声系统，从而减少所需要的在电缆中的信 号导体的数量。然而，必须在二维阵列和微波束成形器ASIC之间进行大 量信号连接。进行这些连接的有效方法是将换能器阵列和ASIC设计成具 有倒装芯片互连方式，由此该换能器阵列的传导垫是直接粘合到ASIC的 相应传导垫上的突起部。

然而，微波束成形器ASIC的高密度电子电路可能在其小的IC包中产 生大量的热，所述热必须被消散。存在所述热可以沿其流动的两个主要方 向。一个方向是穿过声堆（acoustic stack）朝着在探针的患者接触端处的透 镜向前。在该方向上的导热性通过在该换能器堆（transducer stack）中的导 电元件改善。该向前路径对热流呈现相对低的阻力。然后必须通过降低传 输电压和/或脉冲重复频率来防止热在透镜中聚集，这不利地影响到了探针 的性能。

优选的导热方向是后部，远离透镜并且朝着在探针的后部处的散热器 （通常是铝）。但是，通常位于换能器堆、阵列元件和微波束成形器ASIC 后面的是声衬块（acoustic backing block）。声衬块的目的在于使从声堆的后 部发射的超声能衰减并且防止该能量导致被朝着声堆反射的回响。声衬块 通常由具有良好声衰减性能的材料制成，诸如含有微气泡或其它消音颗粒 的环氧树脂。虽然已开发了许多环氧树脂填料复合背衬以将ASIC与探针 组件的支撑结构（通常是铝）隔离，但是它们有两个缺点。如果将它们构 想为具有高衰减性，那么它们具有不可接受的导热率。如果将它们构想为 具有高的导热率，则它们具有不可接受的衰减。因此，期望提供用于超声 探针的声衬块，所述声衬块呈现对进入到该衬块中的声能的良好声衰减性、 朝向所述探针的后部且远离透镜的良好导热性、可以在需要时支撑声堆的 良好结构稳定性以及微波束成形器ASIC与所述探针的其它传导部件的适 当的电绝缘性。

发明内容

根据本发明的原理，用于超声换能器阵列堆的衬块由具有高的声衰减 性和高的导热性的多孔石墨泡沫材料形成。在优选的实施方式中，泡沫衬 块被构造为具有填充有环氧树脂的泡沫结构的复合件。可以将电绝缘层定 位在衬块的顶部上、衬块和声堆组件的ASIC之间的结合部处。

附图说明

在图中：

图1图示了具有根据本发明的原理构造的导热衬块的声堆。

图2图示了当组装在具有透镜盖的换能器探针中时图1的声堆。

图3是根据本发明的原理构造的导热衬块的透视图。

图4是根据本发明的原理构造的导热衬块的俯视图。

图5是根据本发明的原理构造的导热衬块的横截面侧视图。

图6图示了根据本发明的原理构造的复合泡沫衬块。

图7图示了本发明的具有在ASIC和复合泡沫衬块之间的膜绝缘层的声堆组 件。

图8图示了本发明的具有涂覆有聚对二甲苯的复合泡沫衬块的声堆组件。

具体实施方式

首先参见图1，示意地示出具有根据本发明的原理构造的导热衬块的声 堆100。诸如PZT的压电层110和被粘结到该压电层的两个匹配层通过切 块切割件75而被切块，以便形成单个换能器元件175的阵列，其中四个换 能器元件175参见图1。阵列170可以包括单行的换能器元件（1-D阵列） 或可以在两个正交方向上被切块，以便形成换能器元件的二维（2D）矩阵 阵列。匹配层使压电材料的声阻抗与通常在渐进匹配层的步骤中被诊断的 身体的声阻抗匹配。在该示例中，第一匹配层120被形成为导电石墨复合 件，并且第二匹配层130由被含有导电颗粒的聚合物形成。接地平面180 被粘结到第二匹配层的顶部并且被作为传导层形成在低密度聚乙烯 （LDPE）140的膜150上。接地平面通过导电匹配层被电联接到换能器元 件并且被连接到柔性电路185的接地导体。LDPE膜150形成堆的第三且最 后的匹配层140。

在换能器元件下面是集成电路160（即ASIC），该电路向换能器元件 175提供发射信号并接收和处理来自该元件的信号。在集成电路160的上表 面上的传导垫通过柱形突起部190电联接到在换能器元件的底部上的传导 垫，所述柱形突起部可以由焊料或导电环氧树脂形成。信号通过到柔性电 路185的连接被提供给集成电路160和被从集成电路160提供。在集成电 路160的下面是衬块165，所述衬块165使从换能器堆的底部发射的声能衰 减。根据本发明的原理，衬块还将集成电路产生的热量远离该集成电路和 换能器堆并且远离换能器探针的患者接触端地传导。

图2图示了当组装在换能器探针内侧时图1的换能器堆组件。在图2 的探针中，第三匹配层140被粘结到声透镜230。超声波在成像期间被传播 穿过透镜230并且进入到患者体中，并且响应于这些波而被接收的回声穿 过透镜230由换能器堆接收。当被包围在该堆周围并且被环氧树脂粘合剂 210粘结到探针壳体220时，LDPE膜150用于封闭在该实施例中的换能器 堆。该构造的更多细节在美国专利公开No.US2010/0168581（Knowles等） 中找到。

衬块165的优选实施方式在余下的附图中图示。优选的衬块165开始 于石墨块20。其它可替代件包括含有提供良好的机械加工性和良好的热性 能的诸如镍或铜的金属的石墨。石墨块20被用于形成复合背衬结构，所述 复合背衬结构满足许多性能目标。首先，背衬结构必须具有良好的Z轴导 热性。石墨具有良好的导热性，在0°C-100°C下Tc为80-240W/m°K。对 于平行于结晶层的传导，在300°K下，Tc接近于1950W/m°K。Z轴方向 是向后且远离换能器堆100和集成电路160的方向。因此，对于在Z轴方 向上的热流动，期望使石墨块20的结晶层对齐。在其它实施方式中，可能 期望优选地将热量横向地或横向地且沿Z轴方向传导，在这种情况下，可 能期望不同的结晶对齐方向，或者对齐方向对于设计而言是不重要的。当 铝被用来消散一部分热量（其可以通过使用铝散热器或在探针壳体内侧的 铝框架）时，期望衬块的导热性与铝的导热性是可比的或比铝的导热性好， 使得热量优选地向铝流动。铝在室温下具有237W/m°K的可比Tc，因此， 石墨块20很好地满足了该性能目标。

第二个目标是衬块为声堆100和集成电路160提供结构支撑。石墨块 的结构性良好，因此满足该目标。

第三个目标是提供集成电路160与探针的铝构件或框架的电绝缘。导 电的石墨可以通过利用非导电绝缘涂层涂覆衬块来满足该目标。在一些实 施方式中，可能期望只涂覆衬块的与换能器堆接触的侧面。在其它实施方 式中，可能期望涂覆衬块的多个侧面。例如，可能期望使用绝缘的声阻尼 材料涂覆该衬块的横向侧，这将提供抑制横向声回响的附加益处。

第四个目标是衬块必须使进入衬块的声能衰减。石墨是声能的良好导 体且提供非常小的固有声阻尼。通过使用石墨块作为如图3、4和5中示出 的用于内部声阻尼构件的复合结构的框架来满足该目标。在这些附图中， 石墨呈现半透明状，用于清楚地图示该衬块的内部复合结构。阻尼构件被 形成为在衬块中的多个背衬材料倾斜圆柱30。圆柱30被切割或被钻进石墨 块20中，然后用诸如填充有微气泡或其它声阻尼颗粒的环氧树脂的声阻尼 材料进行填充。正如图4的衬块的俯视图所图示的，圆柱30的顶部将大面 积的声阻尼材料呈现给集成电路的后部。从集成电路和声堆的后部发射的 大量不期望声能因此立即进入阻尼材料。如图3中所看到的和最好是在图5 的横截面视图中所看到的圆柱的倾斜确保在Z轴方向上行进的声能将不得 不与在行进路径中的某点处与阻尼材料相交。优选地，不存在完全由石墨 形成的在Z轴方向上的路径，并且圆柱的倾斜并不有助于将能量反射回集 成电路，而是提供了向下和远离集成电路的散射角。在实践中，可能诸如 通过阻挡95%的路径来阻挡大多数的Z轴路径是足够的。因此，圆柱的倾 斜确保使所有或基本所有Z轴指向的能量衰减。

然而，热量将发现存在穿过在圆柱30之间的石墨的连续路径。因为热 量的流动是从较高温度区域到较低温度区域的（从较高的热密度到较低的 热密度），所以，热量远离集成电路160和声堆100地流动到其可以安全地 消散的在衬块165下方的结构。

可以使用其他材料用于衬块的导热材料，诸如：铝、石墨泡沫或氮化 铝。已发现对于许多应用有利的一个复合结构是填充有环氧树脂的导电石 墨泡沫。上述加工和填充的石墨块的宏观性质可能向ASIC提供不平坦的 接合表面，这易受膨胀不匹配的影响。用环氧树脂对孔进行的加工和填充 也是劳动密集型过程。图6示出了本发明的实施方式，其中，图6的衬块 的背衬材料使用了填充有柔软的未填充的衰减环氧树脂的导热石墨泡沫 （POCO HTC）。未填充的HTC泡沫具有显著的孔隙率（60％），其中总孔 隙率的95％是开放的。当这样的开口孔隙率填充有柔软的树脂时，该复合 背衬表现出在5Mhz时约50dB/mm的高的声衰减性。这种高衰减性主要 是由于两种机制：1）由柔软的树脂实现的对声能的吸收和2）由于在环氧 树脂、石墨和在多孔结构中的空气之间的阻抗不匹配导致的声能散射。这 种高的声衰减性的结果是，背衬的厚度可以减小，以便换能器的散热。该 填充环氧树脂的石墨泡沫的另一个特性是其高的导热性（～50W/mK），该 高的导热率比通常的环氧树脂填充物背衬配方高出一个数量级。

图6的复合石墨泡沫衬块32示出了泡沫的高孔隙率。在这个示例中， 泡沫块32的表面涂覆有以深度36浸入到泡沫块中的环氧树脂34，如附图 中的阴影区域所示，所述深度是泡沫块的孔隙率和树脂的粘度的函数。固 化后的环氧树脂对泡沫块给予了良好的结构稳定性。复合衬块然后可以被 利用薄的环氧树脂胶层直接结合到ASIC160。为了提供与ASIC的足够的 电绝缘，可以在衬块和ASIC之间使用绝缘层，如图7和8所示，图7和8 示出了声堆中两种实施方式的分解视图。在每个图的顶部是具有其匹配层 的换能器层170。换能器层下面是ASIC160。在图7中，在将衬块结合到 该组件之前，薄的（12至25微米）的聚酰亚胺膜38被附接至ASIC。复 合泡沫衬块32然后被结合到绝缘膜38。在图8中，10至15微米的聚对二 甲苯涂层58被施加到HTC衬块。涂覆有聚对二甲苯的衬块然后被结合到 ASIC160。