CN110546532A - 辐射探测器面板组件结构 - Google Patents
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Abstract
根据实施例的一种方法，包括：配置面板作为用于高能电磁(例如X射线或伽马射线)辐射的入射窗；在面板上附接偏置板，其中，偏置板被配置成导电的并使得辐射通过偏置板；以及将贴片阵列附接到偏置板上使得直接转换化合物半导体传感器配置在偏置板上，其中，每个贴片包括直接转换化合物半导体传感器和读出集成电路IC层；其中，直接转换化合物半导体传感器被配置成将高能电磁(例如X射线或伽马射线)辐射的光子转换成电流；以及其中，读出IC层位于直接转换化合物半导体传感器旁边，并被配置成接收电流并处理电流。其他实施例涉及包括组件阵列的探测器，以及包括X射线源和探测器的成像***。
Description
背景技术
基于直接转换化合物半导体的探测器和探测器阵列用于辐射成像，以便将例如X射线或伽马射线光子直接转换成电荷。它们通常包括直接生长在电荷收集器顶部的X射线光电导体层和读出层(例如，室温半导体)。探测器通常用在多个贴片的阵列中，使得可以产生图像尺寸增加以及分辨率改善。大面积X射线或伽马辐射探测器由较小的传感器贴片的阵列制成。
探测器的性能对许多成像应用都很重要。对于许多应用，成像要求可能非常严格。具有直接转换化合物半导体层、集成电路(IC)层、和基板层的贴片的垂直堆叠可能存在一些有问题的条件。例如，IC产生的热量可以耦合到半导体探测器并引入不希望的噪声和热变化。例如，为了获得最佳性能，半导体探测器的工作温度应保持在20摄氏度至30摄氏度左右，这样IC产生的热量应当被导走。此外，半导体层的顶侧需要电连接到高偏压，例如甚至高达1000V。
出版物D1公开了可被视为对理解背景有用的信息。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
一个目的是提供一种辐射探测器面板组件结构。该目的通过独立权利要求的特征实现。一些实施例在从属权利要求中描述。根据一个实施例，一种方法包括：将面板配置成用于高能电磁辐射的入射窗；在面板上附接偏置板，其中，偏置板被配置成导电的并使得所述辐射通过偏置板；以及在偏置板上附接包括直接转换化合物半导体传感器和读出集成电路IC层的组件阵列，使得直接转换化合物半导体传感器被配置在偏置板上；其中，直接转换化合物半导体传感器被配置成将高能电磁辐射的光子转换成电流；以及其中，读出IC层位于直接转换化合物半导体传感器旁边，并被配置成接收所述电流并处理所述电流。
其他实施例涉及包括组件阵列的探测器，以及包括X射线源和探测器的成像***。
许多附加特征将更容易被领会，通过参考结合附图考虑的以下详细描述，它们变得更好理解。
附图说明
从根据附图阅读的以下具体实施方式中将更好地理解本说明书，在附图中：
图1示出了根据一个实施例的贴片的横截面侧视图的示意图，该贴片示出了直接转换化合物半导体传感器、读出集成电路和基板；
图2示出了根据一个实施例的贴片的仰视图的示意图；
图3示出了根据一个实施例的探测器的子组件的横截面侧视图的示意图；
图4示出了根据一个实施例的探测器的子组件的横截面侧视图的示意图，其中，子组件被上下翻转以配置成探测器；
图5示出了根据一个实施例的制造过程中的面板制备的横截面侧视图的示意图；
图6、图7、图8示出了根据一个实施例的用于将贴片附接到偏置板的制造过程的横截面侧视图的示意图；
图9示出了根据一个实施例的制造过程中的贴片支承板附接的横截面侧视图的示意图；
图10示出了根据一个实施例的制造过程中的互连板附接的横截面侧视图的示意图；
图11示出了根据一个实施例的制造过程中的面板支承板附接的横截面侧视图的示意图；
图12示出了根据一个实施例的探测器的子组件的横截面侧视图的示意图；
图13示出了根据一个实施例的在子组件的制造过程中附接无基板的贴片的横截面侧视图的示意图；
图14示出了根据一个实施例的具有无基板贴片的探测器的子组件的横截面侧视图的示意图；
图15示出了根据另一实施例的贴片的横截面侧视图的示意图；
图16示出了根据另一实施例的贴片的仰视图的示意图；
图17示出了根据一个实施例的制造过程中的偏置平面和前基板的横截面侧视图的示意图；
图18、图19、图20示出了根据另一实施例的用于将贴片附接到偏置板的制造过程的横截面侧视图的示意图；
图21示出了根据一个实施例的制造过程中的贴片支承板附接的横截面侧视图的示意图；
图22示出了根据另一实施例的制造过程中的互连板连接的示意图；
图23示出了根据一个实施例的制造过程中的面板支承和散热器附接的示意图；
图24示出了根据另一实施例的探测器的子组件的横截面侧视图的示意图；以及
图25示出了根据一个实施例的具有贴片的探测器的横截面的示意图。
类似的附图标记用于在附图中指定类似的部件。
具体实施方式
以下结合附图提供的具体实施方式旨在作为实施例的描述，而不旨在表示可以构造或利用实施例的唯一形式。然而，可以通过不同的实施例来实现相同或等同的功能和结构。
根据一个实施例，直接转换化合物半导体传感器层、读出集成电路(IC)层和可选的基板层形成贴片。X射线探测器具有贴片阵列。贴片直接附接在接收高能辐射的辐射入射窗的偏置板上。直接转换化合物半导体传感器面对偏置板并接触偏置板，并且在制造过程中放置在偏置板上。偏置板可以传导热量和电力以使能传感器的操作。进一步处理探测器的子组件。子组件的处理从顶部开始并持续到底部。在制造过程中，子组件完成后，将其翻转以用作探测器。因此，贴片的传感器可以附接在入射窗的偏置板上，并且制造过程可以继续，直到翻转完整的子组件以进一步作为探测器应用。
根据一个实施例，当将传感器贴片组装到子面板组件中时，探测器的子面板组件的制造过程可以避免平面性问题。例如，因为传感器直接附接在偏置板上，因此面板内的贴片的高度差可能会非常小。探测器子组件的结构可以消除将分离的基板用于贴片组件的情况，从而改善来自读出IC的热负荷传递。子组件的结构可以进一步消除将分离的基板用于贴片组件的情况，因此大大降低了子组件的成本。此外，子组件的结构可以向传感器贴片的顶侧提供高压偏压(HV偏压)。子组件的结构还可以隔离从外部到传感器贴片的顶部的热泄漏，并且它可以改善导热性。此外，该结构可以将HV偏压与外部隔离并提高探测器的安全性。
尽管这里可以将实施例描述和示出为在直接转换化合物半导体中实现，但是这仅是示例实现方式而非限制。如本领域技术人员将理解的，本实施例适用于各种不同类型的探测器半导体晶体，例如碲化镉(CdTe)、碲化锌镉CdZnTe等。
图1示出了根据实施例的在z轴(图1中未示出)方向上的贴片100的横截面侧视图的示意图，该横截面侧视图示出了直接转换化合物半导体传感器101、读出集成电路(IC)102和贴片基板103。
直接转换化合物半导体传感器101也可以称为传感器芯片。直接转换化合物半导体传感器101被配置成将诸如X射线或伽马射线的高能量光子转换成可以被探测的相应的电子电流。传感器101是贴片100的最上层。化合物半导体传感器101接收X射线辐射。应注意，代替X射线，也可以接收伽马射线辐射。传感器芯片101具有多个探测器元件(图1中未示出)，每个探测器元件从底侧连接到读出IC 102。探测器元件在传感器芯片的顶部上具有共同的偏置结构(图1中未示出)。传感器芯片101可能需要高压(HV)偏压电连接到传感器芯片101的顶侧。
在传感器101下方，存在读出IC 102。读出IC 102可以是专用集成电路(ASIC)。ASIC可以包括微处理器、包括ROM、RAM、EEPROM、闪存的存储块和其他大型构建块。这种ASIC通常被称为SoC(片上***)。它可以使用硬件描述语言(HDL)(例如Verilog或VHDL)来配置，以描述ASIC的功能。代替ASIC，现场可编程门阵列(FPGA)可以用作可编程逻辑块和可编程互连，允许在许多不同的应用中使用相同的FPGA。读出IC 102从传感器芯片101的每个探测器元件读取电信号。读出IC 102将探测器元件信号多路复用为位于读出IC 102底侧的较少数量的I/O(输入/输出)。
最下层是基板103。基板103支承传感器芯片101和读出IC 102。基板(也称为晶片)可以是固体(通常是平面的)物质，在该固体物质上施加另一种物质层并且第二种物质粘附到该固体物质上。基板103可以由有机或无机材料制成。例如，基板103可以是诸如陶瓷或FR4的材料薄片。这些用作设置诸如晶体管、二极管、尤其是集成电路(IC)的IC电子器件的基础。
图2示出了根据一个实施例的贴片100的仰视图的示意图。输入和/或输出(I/O)连接焊盘104被示出在基板103的底部。读出IC 102的I/O可以经由连接焊盘104从基板103的顶侧布线到基板103的底侧。
传感器101、IC 102和基板103形成贴片100。一个贴片具有像素阵列，并且每个像素对应于探测器中的数字成像中的化合物半导体上的信号焊盘。探测器具有贴片100的阵列(或者称为矩阵)。
图3示出了根据一个实施例的探测器的面板子组件200的横截面侧视图的示意图。面板子组件200包括辐射入射窗105、偏置板106、传感器贴片100、贴片支承板108、互连板109和面板支承板111。高能辐射112进入子组件200。
辐射入射窗105可以由X射线或伽马射线辐射透射材料制成。该材料也可以是电隔离且隔热的材料，例如玻璃。偏置板106可以由薄的X射线或伽马射线透射材料制成。偏置板也可以是导电材料，例如铝。例如，已经参考图1和图2描述了传感器贴片100。传热器113被示出在基板103下方。传热器113将来自贴片100的热量传导到互连板109。贴片支承板108被配置成固定传感器贴片阵列。互连板109配置有弹簧负载连接器110。传感器贴片输入和/或输出(例如I/O连接焊盘104)与弹簧负载连接器110相接，并且信号可以途经互连板109发送到输出连接器114。面板支承板111可以被配置成用于子组件200的散热器。此外，面板支承板111固定子组件200。面板支承板111由高导热材料制成，以使得来自传感器贴片100和互连板109的热传递能够进行。
图4示出了根据一个实施例的探测器的子组件200的横截面侧视图的示意图，其中，子组件200被上下翻转以配置成探测器。子组件200的制造过程从顶部开始，然后持续到底部。这由图4中的附图标记002示出，其中子组件是倒置的。相应地操作制造过程，使得贴片100可以方便地配置并且使得不同的贴片200之间以非常小的高度差置于偏置板106上。一旦在制造过程中完成子组件200，则子组件200被翻转以在探测器中最终使用，如图4的最下部所示。当子组件倒置002时，便于子组件的组装，并且用于探测器的最终产品200可以转变成合适的使用位置。在图4上部的位置002中，子组件相对于z轴(图4中未示出)上下翻转，使得辐射入射窗105是最低部分，而面板支承板111是顶部。
图5示出了根据一个实施例的制造过程中的面板制备的横截面侧视图的示意图。该过程可以通过将偏置板106配置到辐射入射窗105上来开始。入射窗105可以放置在仅用于制造过程的一般的组装平面上(图5中未示出)，并且偏置板106附接到入射窗105上。
图6、图7、图8示出了根据一个实施例的用于将贴片100附接到偏置板106上的制造过程的横截面侧视图的示意图。通过将直接转换化合物半导体传感器101***偏置板106，可以将贴片100附接到偏置板106上。可以将贴片100彼此相邻放置且贴片100之间具有适当的间隙。当放置在偏置板106上组装贴片时，不同的贴片在z轴方向上的高度差会非常小。因此可以避免共面度问题。传感器101与偏置板106相接触。偏置板106可以配置成用于传感器101的高压偏压。此外，偏置板106将热量从贴片100传导走。
图9示出了根据一个实施例的制造过程中的贴片支承板108附接的横截面侧视图的示意图。贴片支承板108在中心处附接到贴片100上并且在边处附接到入射窗105上。贴片支承板108可以与基板103和入射窗105相接触。贴片支承板108被配置成至少通过横截面封装贴片100的阵列。因此，贴片支承板108可以保护阵列并且还有效地将热量从贴片100传导走。
图10示出了根据一个实施例的制造过程中的互连板109附接的横截面侧视图的示意图。互连板109附接到贴片支承板108的顶部。互连板109包括弹簧负载连接器110，弹簧负载连接器110***贴片支承板109的凹槽中。弹簧负载连接器110连接到基板103的I/O焊盘连接器104并由弹簧弹性地用力，以便维持和确保电连接。
图11示出了根据一个实施例的制造过程中的面板支承板111附接的横截面侧视图的示意图。面板支承板111附接到互连板109上。面板支承板111被配置成散热器，以有效地从贴片200接收热量。此外，面板支承板111支承子组件200并为子组件200建立基座。
图12示出了根据一个实施例的探测器的子组件200的横截面侧视图的示意图。在子组件200上执行的最后一个操作中，子组件200被翻转，如图12相对于图11所示，例如，对应于图4中所示的内容。
通常，制造探测器使得贴片附接到支承框架并放置在支承框架上。在实施例中，这是倒置的，使得在制造期间，贴片100的传感器101放置在偏置板106和入射窗105上。通常，传感器贴片100的总高度可以在不同部件之间变化。当将传感器贴片100附接到由X射线入射窗表面形成的一个平面时，贴片100的前面以合理的精度位于相同的总平面上。根据一个实施例，传感器贴片到贴片的变化可以通过弹簧负载针例如通过弹簧负载连接器110进一步补偿。
贴片附接可以通过管芯粘结机自动化。
根据一个实施例，为了进一步受益于翻转的子组件概念，例如下图所示，可以在没有贴片基板103的情况下组装贴片100'。
图13示出了根据一个实施例的在子组件200'的制造过程中附接无基板的贴片100'的横截面侧视图的示意图。图14示出了根据一个实施例的具有无基板贴片100'的探测器的子组件200'的横截面侧视图的示意图。
在图14中示出了无基板贴片面板子组件200'的一些部件。除了去除贴片基板103之外，这些部件与前面附图中所示的部件相同。由于传感器贴片100'被组装到辐射入射窗105上，因此可以消除对基板103的需要。因此，窗105可以用作支承件。去除贴片基板103可以提供以下益处。可以消除对有机或无机基板的需求，这意味着降低成本。通过消除读出IC102和贴片支承板108之间的陶瓷基板也可以改善热传递。
图15示出了根据另一实施例的贴片100'的横截面侧视图的示意图。图16示出了贴片100'的仰视图的示意图。在该实施例中，示例性的，可以采用如下方法来消除对贴片基板103的使用。将传感器芯片101附接到读出IC 102，或反之，将读出IC 102附接到传感器芯片101上。与传感器贴片100的互连直接形成I/O连接，其位于读出IC 102的背侧，如图16所示，IC 102的背侧具有I/O连接焊盘104。此外，互连可以通过弹簧负载连接例如使用弹簧针来固定。
图17示出了根据一个实施例的偏置板106和前基板105(其可以在制造过程中被称为辐射入射窗)的横截面侧视图的示意图。图17的实施例类似于图5的实施例。
图18、图19、图20示出了根据一个实施例的用于将贴片100'附接到偏置板106的制造过程的横截面侧视图的示意图。除了不需要基板的贴片100'之外，图18至图20的实施例类似于图6至图8的实施例。
图21示出了根据一个实施例的制造过程中的贴片支承板108附接的横截面侧视图的示意图。除了贴片100'之外，图21的实施例类似于图9的实施例。通过去除读出IC 102和贴片支承板108之间的陶瓷基板可以改善热传递。贴片支承板108还配置成在没有基板的情况下支承和固定贴片100'。
图22示出了根据一个实施例的制造过程中的互连板109附接的示意图。除了贴片100'之外，图22的实施例类似于图10的实施例。互连板109包括弹簧负载连接器110。弹簧负载连接器110连接到贴片100'。弹簧负载连接器110被配置成在读出IC 102的背面直接与贴片100'的I/O连接焊盘104相接触。弹簧负载连接器110还可以充当贴片100'的支承构件。
图23示出了根据一个实施例的制造过程中的面板支承板111和散热器附接的示意图。该实施例类似于图11的实施例。
图24示出了根据另一实施例的具有没有基板的贴片100'的探测器的子组件200'的横截面侧视图的示意图。
图25示出了根据一个实施例的具有贴片阵列100的探测器200的横截面的示意图。X射线辐射112从源(图25未示出)发射。在辐射源和探测器200之间示出了要由X射线辐射112探测和检查的对象300。探测器200包括在探测器200的横截面中例如在x轴方向上具有九个贴片100至100_8的阵列。
图25示出了包括通过如上所述的过程制造的贴片100的探测装置200。传感器面向入射窗的偏置板并放置在入射窗的偏置板上。如此制造的子组件被翻转以用作探测器。装置200可以是用于探测对象300的成像***的一部分，包括如这些实施例中的任何实施例所述的贴片100、100'。示例性的，该***可以应用于医学成像、安全成像和/或工业成像。
本文给出的任何范围或设备值可以扩充或改变而不会丧失所寻求的效果。除非明确禁止，否则任何实施例都可以与另一实施例组合。
尽管用结构特征和/或动作专用的语言描述了本主题，但应理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上面描述的具体特征和动作是作为实现权利要求的示例而公开的，并且其他等同特征和动作旨在落入权利要求的范围内。
实施例涉及一种方法，包括：将面板配置成用于高能电磁(例如X射线或伽马射线)辐射的入射窗；将偏置板附接到面板上，其中，偏置板被配置成导电的并使得辐射通过偏置板；以及将贴片的阵列附接到偏置板上使得直接转换化合物半导体传感器配置在偏置板上，其中，每个贴片包括直接转换化合物半导体传感器和读出集成电路IC层；其中，直接转换化合物半导体传感器被配置成将高能电磁(例如X射线或伽马射线)辐射的光子转换成电流；以及其中，读出IC层位于直接转换化合物半导体传感器旁边，并被配置成接收电流并处理电流。
作为上述方法的替代或补充，其中，直接转换化合物半导体传感器在附接操作期间直接放置在偏置板的表面上。作为上述方法的替代或补充，还包括翻转组件的子组件，子组件包括附接的面板、附接的偏置板和附接阵列。作为上述方法的替代或补充，其中，偏置板包括导电材料，导电材料要被配置成用于直接转换化合物半导体传感器的高压偏压，并且偏置板还包括导热材料，导热材料要被配置成用于贴片的导热体。作为上述方法的替代或补充，面板包括电隔离且隔热的材料。作为上述方法的替代或补充，还包括将阵列支承板部分地附接在阵列上并且部分地附接在面板上；其中，阵列支承板被配置成至少通过横截面封装阵列。作为上述方法的替代或补充，还包括将互连板附接在阵列支承板上；其中，互连板包括弹性用力连接器，弹性用力连接器被配置成电接触阵列，以接收来自读出IC的经处理的电流并输出所接收且经处理的电流。作为上述方法的替代或补充，还包括将面板支承板附接在互连板上；其中，面板支承板包括导热材料。作为上述方法的替代或补充，贴片的阵列被配置成没有基板。作为上述方法的替代或补充，直接转换化合物半导体层包括碲化镉或碲锌镉。
根据一个实施例，一种高频辐射探测器，包括：直接转换化合物半导体传感器、读出集成电路IC，其中，直接转换化合物半导体传感器被配置成将高能电磁(例如X射线或伽马射线)辐射的光子转换成电流；并且其中，读出IC层位于直接转换化合物半导体传感器旁边，并且读出IC层被配置成接收电流并处理电流；高频辐射探测器由以下方式组装：将面板配置成用于高能电磁(例如X射线或伽马射线)辐射的入射窗；在面板上附接偏置板，其中，偏置板被配置成导电的并使得辐射通过偏置板；以及将贴片的阵列附接到偏置板上使得直接转换化合物半导体传感器配置在偏置板上，其中，每个贴片包括直接转换化合物半导体传感器和读出集成电路IC。
根据实施例，一种成像***，包括：X射线源；根据前述任一实施例的探测器。
应当理解，上述益处和优点可以涉及一个实施例，或者可以涉及多个实施例。实施例不限于解决任何或所有所述问题的那些实施例或具有任何或所有所述益处和优点的那些实施例。将进一步理解，对“一个”项目的引用是指那些项目中的一个或多个。
本文描述的方法的步骤可以以任何合适的顺序进行，或者在适当的情况下同时进行。另外，在不脱离本文描述的主题的精神和范围的情况下，可以从任何方法中删除单个块。上述任何示例的各方面可以与所描述的任何其他示例的各方面组合以形成进一步的示例而不会丧失所寻求的效果。
术语“包括”在本文中用于表示包括所识别的方法、块或元件，但是这样的块或元件不包括排他列表，并且方法或装置可以包含附加的块或元件。
应当理解，以上描述仅作为示例给出，并且本领域技术人员可以进行各种修改。以上说明书、示例和数据提供了示例性实施例的结构和使用的完整描述。尽管上面已经以一定程度的特殊性或者参考一个或多个单独的实施例描述了各种实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本说明书的精神或范围的情况下对所公开的实施例进行多种改变。
Claims (12)
1.一种方法，包括：
配置面板作为用于高能X射线或伽马射线电磁辐射的入射窗；
在所述面板上附接偏置板，其中，所述偏置板被配置成导电的并使得所述辐射通过所述偏置板；以及
将贴片的阵列附接到所述偏置板上使得直接转换化合物半导体传感器被配置在所述偏置板上，其中，每个贴片包括所述直接转换化合物半导体传感器和读出集成电路IC层；
其中，所述直接转换化合物半导体传感器被配置成将所述X射线或伽马射线辐射的光子转换成电流；以及
其中，所述读出IC层位于所述直接转换化合物半导体传感器旁边，并被配置成接收所述电流并处理所述电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述直接转换化合物半导体传感器在附接操作期间直接放置在所述偏置板的表面上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括翻转组件的子组件，所述子组件包括所附接的面板、所附接的偏置板和所附接的阵列。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述偏置板包括导电材料，所述导电材料要被配置为用于所述直接转换化合物半导体传感器的高压偏压，并且所述偏置板还包括导热材料，所述导热材料要被配置成针对用于贴片的导热体。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述面板包括电隔离且隔热的材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将阵列支承板部分地附接在所述阵列上并且部分地附接在所述面板上；
其中，所述阵列支承板被配置成至少通过横截面封装所述阵列。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将互连板附接在所述阵列支承板上；
其中，所述互连板包括弹性用力连接器，所述弹性用力连接器被配置成电接触所述阵列，以接收来自所述读出IC的经处理的电流并输出所接收且经处理的电流。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将面板支承板附接在所述互连板上；
其中，所述面板支承板包括导热材料。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述贴片的阵列被配置成没有基板。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述直接转换化合物半导体层包括碲化镉或碲锌镉。
11.一种高频辐射探测器，包括：直接转换化合物半导体传感器、读出集成电路IC，其中，所述直接转换化合物半导体传感器被配置成将X射线或伽马射线辐射的光子转换成电流；以及
其中，所述读出IC层位于所述直接转换化合物半导体传感器旁边并且被配置成接收所述电流并处理所述电流；所述高频辐射探测器通过以下方式组装：
配置面板作为所述X射线或伽马射线辐射的入射窗；
在所述面板上附接偏置板，其中，所述偏置板被配置成导电的并使得所述辐射通过所述偏置板；以及
将贴片的阵列附接到所述偏置板上使得所述直接转换化合物半导体传感器被配置在所述偏置板上，其中，每个贴片包括所述直接转换化合物半导体传感器和所述读出集成电路IC。
12.一种成像***，包括：
X射线源；
根据前述权利要求中任一项所述的探测器。
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