DE102008050838A1 - Elektrische Baugruppe, Röntgenmesssystem, Computertomograph sowie Verfahren zur Fertigung einer elektrischen Baugruppe - Google Patents

Elektrische Baugruppe, Röntgenmesssystem, Computertomograph sowie Verfahren zur Fertigung einer elektrischen Baugruppe Download PDF

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Abstract

Die elektrische Baugruppe (5) umfasst ein erstes Halbleiterbauelement (3) und ein auf das erste Halbleiterbauelement (3) aufgelötetes zweites Halbleiterbauelement (2). Zwischen jeden Lötpunkt (12) des einen Halbleiterbauelements (2, 3) und des anderen Halbleiterbauelements (2, 3) ist ein Kontaktelement (20) zwischengeschaltet als Toleranzausgleich zwischen den beiden Halbleiterbauelementen (2, 3).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Baugruppe, auf ein Röntgenmesssystem, auf einen Computertomographen mit einem Röntgenmesssystem sowie auf ein Verfahren zur Fertigung einer elektrischen Baugruppe.
  • Eine derartige elektrische Baugruppe umfasst ein erstes Halbleiterbauelement und eine elektrisch leitend mit dem ersten Halbleiterbauelement verlötetes zweites Halbleiterbauelement.
  • Ein derartiges Halbleiterbauelement ist insbesondere als integrierter Schaltkreis (Integrated Circuit, IC) ausgebildet. Bei einem derartigen integrierten Schaltkreis handelt es sich ganz allgemein um eine auf einem Halbleitersubstrat angeordnete elektrische Schaltung. Diese elektrische Schaltung kann beispielsweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) oder als Ausleseschaltkreis bzw. Auswerteelektronik (Read Out Integrated Circuit, ROIC) oder als Steuerelektronik ausgebildet sein.
  • Bei einem der beiden Halbleiterbauelemente kann es sich um ein Strahlendetektorelement handeln, das zusammen mit einem als Auswerteelektronik ausgebildeten Halbleiterbauelement und einem mit der Auswerteelektronik verlöteten Trägersubstrat ein Detektormodul eines so genannten direkt konvertierenden Röntgendetektors bildet. Ein derartiges Strahlendetektorelement besteht beispielsweise aus CdTe, aus CdZnTe, aus CdSeTe oder aus CdZnTeSe. Eines der beiden Halbleiterbauelemente kann aber auch als Lichtemitter, beispielsweise als Leuchtdiode oder als Laserdiode, ausgebildet sein.
  • Eine elektrische Baugruppe, bei der eine Auswerteelektronik und ein Strahlendetektorelement als Halbleiterbauelemente miteinander verlötet ist, ist aus der US 6,933,505 B2 bekannt.
  • Zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei derartigen Bauteilen bzw. Halbleiterbauelementen müssen oftmals filigrane Leiterbahnstrukturen miteinander verlötet werden. Somit kommt dem Positionieren der beiden Bauteile relativ zueinander eine große Bedeutung zu. Dieses Positionieren der beiden Bauteile zueinander erfolgt üblicherweise, indem zunächst jedes Bauteil mittels eines Vakuumhalters derart aufgenommen wird, dass die miteinander zu verlötenden Leiterbahnen der beiden Bauteile aufeinander weisen. Auf eine der beiden Leiterbahnen ist ein Lot aufgetragen. Die beiden Vakuumhalter mit den Bauteilen werden derart positioniert, dass die Leiterbahnstruktur des einen Bauteils an den auf die Leiterbahnstruktur des anderen Bauteils aufgebrachten Lötpunkten anliegt. Der Begriff „Lötpunkt” bezeichnet fortan ganz allgemein einen Materialauftrag eines Lots auf eine Leiterbahnstruktur. Im Anschluss werden die Leiterbahnstrukturen bzw. die beiden Bauteile durch ein Aufschmelzen der Lötpunkte miteinander verlötet. Bereits eine leichte Verschiebung oder ein leichtes Verkippen der beiden Bauteile gegeneinander kann dazu führen, dass sich beim Verlöten der Leiterbahnen der beiden Bauteile miteinander zumindest punktuell keine leitende Verbindung ergibt. Die Baugruppe ist entsprechend fehlerhaft. Derartige fehlerhafte Baugruppen müssen in aufwändigen Tests ermittelt und aus dem Fertigungsprozess entfernt werden.
  • Der Erfindung liegt als erste Aufgabe zugrunde, eine elektrische Baugruppe mit zwei miteinander verlöteten Halbleiterbauelementen anzugeben, die mit einer hohen Präzision gefertigt ist. Der Erfindung liegt als zweite Aufgabe zugrunde, ein Röntgenmesssystem mit einem eine derartige elektrische Baugruppe umfassenden Detektormodul und einen Computertomographen mit einem derartigen Röntgenmesssystem anzugeben. Schließlich liegt der Erfindung als dritte Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fertigung der elektrischen Baugruppe an zugeben, das die genannten Nachteile bei der Fertigung überwindet.
  • Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Hierzu ist zwischen jeweils einen Lötpunkt des einen Bauteils und das zweite Bauteil ein Kontaktelement zwischengeschaltet als Toleranzausgleich zwischen den beiden Bauteilen.
  • Vor dem Verlöten wird eines der beiden Bauteile mit Lötpunkten versehen. Dazu wird beispielsweise ein Lotpastendepot auf die Kontakte oder Pads des Bauteils aufgebracht, insbesondere aufgedruckt. Dabei findet ein Materialauftrag von Lot auf das Bauteil statt, der insbesondere in der Größenordnung zwischen 20 μm und 80 μm liegt. Die Kontaktelemente werden auf die Kontakte oder Pads des anderen Bauteils aufgebracht. Sie sind in vorteilhaften Varianten als Halbkugeln, so genannte Stud-Bumps, als Vollkugeln, so genannte Solder-Bumps, oder als Säulen, so genannte Pillars, ausgebildet. Die Kontaktelemente können aber auch nach Art von Stegen ausgebildet sein oder in anderer geeigneter Weise von der Bauteiloberfläche abstehen.
  • Wie bereits beschrieben, besteht ein gängiges Lötverfahren darin, beide Bauteile mit jeweils einem Vakuumhalter aufzunehmen und die beiden Vakuumhalter so zu positionieren, dass die von ihnen gehaltenen Bauteile mit ihren Leiterbahnstrukturen miteinander verlötbar sind.
  • Sind nun die beiden Bauteile gegeneinander verkippt, so liegen die Lötpunkte nicht an den Freienden der Kontaktelemente, sondern an ihren Seiten an. Je nachdem, wie weit sich die Kontaktelemente von der Bauteiloberfläche weg erstrecken, lassen sich so auch größere Positionierungsungenauigkeiten bzw. Verkippungen der beiden Bauteile gegeneinander ausgleichen. Im Anschluss werden die beiden Bauteile miteinander verlötet. Somit ist indirekt über die Kontaktelemente auch bei gegeneinander verkippten Bauteilen eine leitfähige Ver bindung zwischen den Leiterbahnstrukturen der beiden Bauteile hergestellt.
  • Der Ausschuss bei der Fertigung derartiger elektrischer Baugruppen lässt sich somit gering halten. Entsprechend können aufwändige Tests zur Überprüfung der Lötverbindungen zwischen beiden Bauteilen entfallen. Die elektrische Baugruppe lässt sich somit insgesamt kostengünstig fertigen.
  • Manche Bauformen eines Halbleiterbauelements, wie die eingangs beschriebenen Strahlendetektorelemente und Lichtemitter, sind thermisch empfindlich und können durch Überhitzung zerstört werden. Ein derartiges Halbleitbauerelement wird zweckmäßig mit einem weiteren Halbleiterbauelement mittels eines Niedertemperaturlots verlötet. Das weitere Halbleiterbauelement ist insbesondere als Auswerteelektronik oder Steuerelektronik ausgebildet.
  • Unter einem Niedertemperaturlot ist hierbei eine Sonderform eines Weichlotes zu verstehen, das eine Schmelztemperatur zwischen 95°C und 180°C aufweist. Die Schmelztemperatur des Niedertemperaturlots liegt somit bedeutend niedriger, als die Schmelztemperatur eines konventionellen Weichlots von bis zu 450°C.
  • Als Niedertemperaturlot kommt in einer vorteilhaften Variante InSn zum Einsatz, das eine Schmelztemperatur von etwa 140°C aufweist. InSn weist für ein Niedertemperaturlot gute Flusseigenschaften auf und ist im erkalteten Zustand vergleichsweise zäh. In anderen vorteilhaften Varianten kann als Niedertemperaturlot SnBi, SnBiAg oder InAg eingesetzt werden.
  • Das Verlöten der beiden Halbleiterbauelemente kann mittels einer konventionellen Vakuum-Lötanlage durchgeführt werden.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist eines der beiden Halbleiterbauelemente mit einem Trägersubstrat verlötet zur Bildung eines elektrischen Moduls. Dabei kann jedes Lötver fahren zum Einsatz kommen, das geeignet ist, das Trägersubstrat mit dem Halbleiterbauelement zu verlöten.
  • Das Trägersubstrat ist beispielsweise als Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik (High Temperatur Cofired Ceramics, HTCC) oder als Niedertemperatur-Einbrandkeramik (Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC) ausgebildet.
  • Oftmals sind die Leiterbahnstrukturen auf der dem Trägersubstrat zugewandten Seite des Halbleiterbauelements und dem Trägersubstrat vergleichsweise grob. Die beiden Bauteile sind entsprechend über verhältnismäßig große Lötstellen miteinander verbunden. Daher kann es zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des Lots und im erkalteten Zustand zu einer leichten Verkippung der beiden Bauteile gegeneinander kommen. Mit anderen Worten weist das Halbleiterbauelement gegenüber dem Trägersubstrat eine Koplanarität auf. Die Koplanarität ist ein allgemein ein Maß für die Verkippung der Hauptflächen zweier flächiger Objekte gegeneinander. Hier bezieht sich die Koplanarität auf die Verkippung der Hauptflächen von Halbleiterbauelement und Trägersubstrat gegeneinander.
  • Verfahrensbedingt kann es nunmehr vorteilhaft sein, in einem ersten Verfahrensschritt das erste Halbleiterbauelement mit dem Trägersubstrat zu verlöten und erst in einem zweiten Verfahrensschritt das erste und das zweite Halbleiterbauelement miteinander zu verlöten.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt werden die oftmals feinen Leiterbahnstrukturen zwischen den beiden Halbleiterbauelementen miteinander verlötet.
  • Die Positionierung und das Zusammenführen des zweiten Halbleiterbauelements mit dem ersten bereits mit dem Trägersubstrat verlöteten Halbleiterbauelement erfolgt wiederum mittels Vakuumhaltern. Jedoch kann der das erste Halbleiterbauelement positionierende Vakuumhalter an diesem nur indirekt rückseitig am mit ihm bereits verbundenen Trägersubstrat an greifen. Weist das erste Halbleiterbauelement eine Koplanarität gegenüber dem Trägersubstrat auf, so liegt diese Koplanarität auch gegenüber dem zweiten Halbleiterbauelement vor, wenn beide Bauteile in ihren Vakuumhaltern gelagert sind.
  • Die Kontaktelemente gleichen nunmehr beim Verlöten des Halbleiterelements mit der Auswerteelektronik eine mögliche Verkippung der beiden Bauteile gegeneinander aus. Somit ist eine so genannte Bottom-To-Top-Montage, bei der das Modul „von unten nach oben” aufgebaut wird, realisierbar.
  • Der Ausschuss bei der Fertigung lässt sich gegenüber einer konventionellen Bottom-To-Top-Montage, bei der keine Kontaktelemente zum Toleranzausgleich eingesetzt werden, deutlich herabsetzen. Weiterhin sind im Rahmen eines automatisierten Fertigungsprozesses weniger umfangreiche Tests im Anschluss an die Fertigung des elektrischen Moduls notwendig, um mögliche fehlerhafte elektrische Module sicher zu detektieren und aus dem Fertigungsprozess zu entfernen. Auf diese Weise lässt sich das elektrische Modul gegenüber bekannten Fertigungsverfahren kostengünstiger herstellen.
  • Daraus ergeben sich vor allem Vorteile, wenn eines der beiden Halbleiterbauelemente thermisch empfindlich ist, wie dies bei einem Strahlendetektorelement, bei einer Leuchtdiode oder bei einer Laserdiode der Fall ist. In diesem Fall lassen sich in einem ersten Verfahrensschritt das Trägersubstrat und die Auswerteelektronik als weiteres Halbleiterbauelement in einem kostengünstigen konventionellen Lötverfahren miteinander verlöten. Zum Verlöten von Trägersubstrat und Auswerteelektronik kann beispielsweise ein konventionelles Weichlötverfahren eingesetzt werden. Im zweiten Verfahrensschritt wird die Auswerteelektronik mit dem Halbleiterelement verlötet zur Bildung der elektrischen Baugruppe bzw. des elektrischen Moduls. Dabei wird zweckmäßig ein Niedertemperaturlötverfahren eingesetzt, um eine thermische Schädigung des Halbleiterbauelements zu vermeiden.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung werden die beiden Halbleiterbauelemente in einem Reflow-Lötprozess verlötet. Der Begriff Reflow-Löten oder Wiederaufschmelzlöten bezeichnet ein gängiges Weichlötverfahren, das insbesondere zum Löten von SMD-Bauteilen eingesetzt wird und das sich auch bei einem Niedertemperaturlot als Weichlot einsetzen lässt. SMD steht für Surface Mounted Device, zu deutsch oberflächenmontierbares Bauteil. Derartige Bauteile weisen keine Drahtanschlüsse auf, sondern werden mittels einer lötfähigen Anschlussfläche direkt auf ein Bauteil gelötet. Der Reflow-Lötprozess ist jedoch auch geeignet, größere Bauteile oder Baugruppen elektrisch leitend miteinander zu verbinden.
  • Das Lot wird in Form von Lotpaste auf eines der beiden zu verbindenden Bauteile aufgetragen. Dieser Auftrag kann beispielsweise mittels Schablonendruck (so genanntes screen printing) erfolgen. Es können auch Lotkugeln mittels Bump-Bonding auftragen werden.
  • Nach dem Zusammenbringen der beiden Halbleiterbauelemente bestehen verschiedene Möglichkeiten für die Erwärmung der Lotpaste. So wird in einer vorteilhaften Variante eines der beiden Bauteile über einer Heizplatte mittels Wärmeleitung erwärmt. Im vorliegenden Fall ist es zweckmäßig, das thermisch weniger empfindliche Halbleiterbauelement zu erwärmen, um eine thermische Belastung des empfindlicheren Halbleiterbauelements der Baugruppe so gering wie möglich zu halten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Variante wird der Reflow-Lötprozess als Vollkonvektions-Lötprozess durchgeführt. Hierzu wird heiße Luft über ein Düsensystem an das Lötgut geführt. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Erwärmung des Lötguts erreicht.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird der Zwischenraum zwischen den beiden Halbleiterbauelementen in einem Underfilling-Verfahren verfüllt. Bei einem derartigen Underfilling-Verfahren wird der Zwischenraum zwischen zwei insbesondere miteinander verlöteten Bauteilen mittels einer Kunststoffmasse vergossen. Die Verfahrenstemperatur liegt bei etwa 80°C bis 120°C. Nach dem Erkalten der Kunststoffmasse sind die beiden Bauteile gegeneinander abgestützt. Weiterhin sind die Lötverbindungen durch die Kunststoffmasse seitlich stabilisiert. Die beiden Halbleiterbauelemente bilden somit als Baugruppe eine stabile Einheit.
  • Zweckmäßig wird zudem der Zwischenraum zwischen dem mit dem Trägersubstrat verlöteten Halbleiterbauelement und dem Trägersubstrat in einem Underfilling-Verfahren verfüllt.
  • Vorteilhaft werden beide Zwischenräume gemeinsam in einem einzigen Verfahrensschritt in einem Underfilling-Verfahren verfüllt. Auf diese Weise sind sämtliche Bauteile nur einmal einer thermischen Belastung ausgesetzt. Weiterhin lässt sich gegenüber dem Verfüllen der Zwischenräume in zwei getrennten Verfahrensschritten die Aushärtezeit für ein Underfilling-Verfahren einsparen, die in der Größenordnung von bis zu zwei Stunden liegt. Somit lässt sich die elektrische Baugruppe im Vergleich zu einem zweistufigen Verfahren rascher und kostengünstiger fertigen.
  • In einer zweckmäßigen Variante ist das erste Halbleiterbauelement als Strahlendetektorelement ausgebildet zur Bildung eines Detektormoduls gemeinsam mit einem als Auswerteelektronik ausgebildeten zweiten Halbleiterbauelement und dem Trägersubstrat.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das elektrische Modul eine Mehrzahl von nebeneinander nach Art einer Matrix auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnete Baugruppen. Durch die Zusammenfassung verschiedener Baugruppen zu einem einzelnen elektrischen Modul lässt sich somit auch eine größere funktionale Einheit bilden. Das Verlöten geschieht insbesondere, indem sämtliche Halbleiterbauelemente mittels eines einzigen Vakuumhalters gehalten werden. Entsprechend wird das Trägersubstrat mit den bereits aufgelöteten Auswerte elektroniken von einem korrespondierenden Vakuumhalter gehalten und positioniert.
  • Sind nun die Auswerteelektroniken in unterschiedlicher Weise gegen das gemeinsame Trägersubstrat verkippt, so lassen sich die Halbleiterbauelemente dennoch über die Kontaktelemente als Toleranzausgleich elektrisch leitend mit den Auswerteelektroniken verbinden.
  • Die zweite Aufgabe wird gelöst durch ein Röntgenmesssystem mit einem Röntgendetektor nach Anspruch 6 oder 7. Der Röntgendetektor nimmt eine Anzahl von als Detektormodulen ausgebildeten elektrischen Modulen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf. Ein derartiges Detektormodul lässt sich in der beschriebenen Weise einfacher und kostengünstiger fertigen, als dies nach dem bisherigen Stand der Technik möglich ist. Somit lassen sich auch die Fertigungskosten für das gesamte Röntgenmesssystem mit einer Anzahl derartiger Detektormodule senken. Ein derartiges Röntgenmesssystem umfasst üblicherweise eine Röntgenquelle, einen Röntgendetektor mit einer Anzahl von Detektormodulen, eine Steuer- bzw. Auswerteeinheit und ein Anzeigeelement zur Anzeige einer Bildinformation. Dabei kann der Röntgendetektor auch zur Aufnahme einer Mehrzahl nach Art einer Matrix angeordneter Detektormodule eingerichtet sein. Eine derartige Anordnung der Detektormodule ist besonders platzsparend.
  • Entsprechend wird die Aufgabe weiterhin gelöst durch einen Computertomographen mit einem Röntgenmesssystem nach Anspruch 8. Das Röntgenmesssystem eines Computertomographen umfasst eine Röntgenquelle und einen Röntgendetektor, die einander gegenüberliegend drehbar in einer Gantry gelagert sind. Der Röntgendetektor ist zur Aufnahme einer Anzahl von Detektormodulen ausgebildet. Die Detektormodule sind insbesondere zweckmäßig in einer Halterung derart angeordnet, dass sie an die Krümmung der Gantry angepasst sind. Mit anderen Worten schließt die Oberfläche des Röntgendetektors bzw. seiner Detektormodule im Wesentlichen mit der Innenseite der Gantry ab. Weiterhin ist eine Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen. Mittels dieser Steuer- bzw. Auswerteeinheit erfolgt einerseits eine Ansteuerung einer synchronisierten Bewegung von Röntgenquelle und Röntgendetektor. Andererseits werden die vom Röntgendetektor gemessenen Bildinformationen von der Steuer- bzw. Auswerteelektronik aufbereitet und auf einem der Steuer- bzw. Auswerteeinheit zugeordneten Anzeigeelement dargestellt.
  • Die dritte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Fertigung einer elektrischen Baugruppe einem der Ansprüche 9 bis 15. Hierbei sind die auf die elektrische Baugruppe gerichteten Varianten und deren Vorzüge auf das Verfahren sinngemäß zu übertragen.
  • Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen die einzelnen Figuren:
  • 1 ein erstes als Detektormodul ausgebildetes elektrisches Modul mit zwei elektrischen Baugruppen in einer geschnittenen Seitenansicht,
  • 2 und 3 die Kontakte zweier Halbleiterbauelemente vor dem Verlöten und im verlöteten Zustand,
  • 4 und 5 ein zweites als Detektormodul ausgebildetes elektrisches Modul mit einer Anzahl Baugruppen in einer Draufsicht und in einer geschnittenen Seitenansicht, sowie
  • 6 einen Computertomographen mit einem Röntgenmesssystem, umfassend einen Röntgendetektor mit einem dritten als Detektormodul ausgebildeten elektrischen Modul.
  • Einander entsprechende oder gleich wirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ein erstes als Detektormodul ausgebildetes elektrisches Modul 1 in einer geschnittenen Seitenansicht. Es umfasst von der vertikalen Richtung z von oben her gesehen zwei als Strahlendetektorelemente 2 ausgebildete Halbleiterbauelemente, zwei als Auswerteelektroniken 3 ausgebildete Halbleiterbauelemente und ein Trägersubstrat 4. Die Strahlendetektorelemente 2, die Auswerteelektroniken 3 und das Trägersubstrat 4 sind flächig ausgebildet. Mit anderen Worten erstrecken sie sich im Wesentlichen in Längsrichtung x und in Querrichtung y. Ihre Ausdehnung in vertikaler Richtung z ist hingegen vergleichsweise gering. Jedes Strahlendetektorelement 2 ist elektrisch leitend mit einer Auswerteelektronik 3 verbunden zur Bildung einer Baugruppe 5. Die beiden Auswerteelektroniken 3 wiederum sind elektrisch leitend mit dem gemeinsamen Trägersubstrat 4 verbunden.
  • Derartige Detektormodule 1 werden in direkt konvertierenden Röntgendetektoren verbaut, wie sie beispielsweise in einem Computertomographen eingesetzt werden. Die beiden Strahlendetektorelemente 2 sind dazu aus einem strahlungsempfindlichen Material, wie CdTe, CdZnTe, CdSeTe oder CdZnTeSe gefertigt. An ihrer Detektoroberseite 6 sind die Halbleiterbauelemente 2 bzw. die Strahlendetektorelemente 2 mit einer elektrisch leitenden Flächenelektrode 7 versehen. Die Flächenelektrode 7 wird mittels einer Dünnschichttechnik auf die Detektoroberseite 6 aufgebracht. Sie besteht aus einem leitfähigen Material, wie Silber, Gold oder Platin.
  • An der Detektorunterseite 8 eines jeden Strahlendetektorelements 2 ist eine Mehrzahl von Sammelelektroden 9 nach Art einer Matrix angeordnet. In der 1 sind nur die in Längsrichtung x nebeneinander angeordneten insgesamt jeweils acht Sammelelektroden 9 dargestellt. Die in Querrichtung y jeweils vor oder hinter diesen Sammelelektroden 9 angeordneten Sammelelektroden sind in der 1 hingegen nicht zu sehen.
  • Bei den Auswerteelektroniken 3 handelt es sich jeweils um einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, einen so genannten ASIC bzw. Application Specific Integrated Circuit. Die Auswerteelektroniken 3 weisen an ihren ASIC-Oberseiten 10 eine Mehrzahl zu den Sammelelektroden 9 korrespondierende Eingangspads 11 auf. Jede Sammelelektrode 9 ist über einen Lötpunkt 12 und ein Kontaktelement 20 mit ihrem korrespondierenden Eingangspad 11 elektrisch leitend verbunden. An der ASIC-Unterseite 13 ist eine Mehrzahl von Ausgangspads 14 vorgesehen. Zu den Ausgangspads 14 korrespondierend sind auf der Trägersubstratoberseite 15 korrespondierende Pads 16 vorgesehen. Jedes Ausgangspad 14 ist mit seinem korrespondierenden Pad 16 des Trägersubstrats 4 mittels eines Lötpunkts 17 elektrisch leitend verbunden.
  • Zwischen den beiden Flächenelektroden 7 und den einzelnen Sammelelektroden 9 ist eine in der Figur nicht dargestellte Vorspannungsquelle angeschlossen zur Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen der Flächenelektrode 7 und den Sammelelektroden 9. Trifft nun Röntgenstrahlung auf die Strahlendetektorelemente 2, so werden in diesen elektrische Ladungsträger erzeugt. Die elektrischen Ladungsträger wandern vom Ort ihrer Entstehung unter dem Einfluss der Potentialdifferenz zur nächstgelegenen Sammelelektrode 9 und induzieren einen Ladungspuls über die jeweilige Sammelelektrode 9. Die Amplitude des Ladungspulses ist abhängig von der Anzahl der generierten Ladungsträger und damit von der Strahlungsenergie. Die zeitliche Dauer des Ladungspulses ist abhängig von der Laufzeit der Ladungsträger im Strahlendetektorelement 2. Die Ladungspulse werden innerhalb der Auswerteelektronik weitergeleitet und verarbeitet. An den Ausgangspads 14 der Auswerteelektronik werden für eine Bildverarbeitung verwertbare Ausgangssignale bereit gestellt.
  • Durch die matrixartige Verteilung der Sammelelektroden 9 und ihrer korrespondierenden Eingangspads 11 lässt sich so auf das Strahlenelement 2 treffende Röntgenstrahlung räumlich aufgelöst erfassen. Dabei bildet die Kombination aus einer Sammelelektrode 9, dem in vertikaler Richtung z über dieser Sammelelektrode 9 liegenden Volumenelement des Strahiendetektorelements 2, der Lötpunkt 12, das Kontaktelement 20 und das Eingangspad 11 mit der diesem zugeordneten Kondensatorschaltung einen so genannten Pixel 18.
  • Vor dem Verlöten werden die beiden Auswerteelektroniken 3 mit den Eingangspads 11 und mit den Ausgangspads 14 versehen. Auf die Eingangspads 11 werden die säulenförmigen Kontaktelemente 20 aufgebracht. Entsprechend wird das Trägersubstrat 4 mit den Pads 16 versehen. Über Bump-Bonding werden einzelne Lotkugeln bzw. Lötpunkte 17 auf die Pads 16 des Trägersubstrats 15 aufgebracht. Die Lötpunkte 17 bestehen aus einem konventionellen Weichlot. Die beiden Strahlendetektorelemente 2 werden mit den Sammelelektroden 9 versehen. Mittels Bump-Bonding werden einzelne Lotkugeln 12 aus Lotpaste auf die Sammelelektroden 9 aufgebracht. Diese Lotkugeln 12 bestehen aus einem Niedertemperaturlot, das eine Schmelztemperatur zwischen 95°C und 180°C aufweist.
  • Zur Fertigung des Detektormoduls 1 werden in einem ersten Verfahrensschritt die beiden Auswerteelektroniken 3 elektrisch leitend mit dem Trägersubstrat 4 verbunden. Hierzu werden Das Trägersubstrat 4 wird mit seiner Trägersubstratunterseite 19 von einem Vakuumhalter gehalten. Entsprechend wird die Baugruppe 5 an der Detektoroberseite 6 des Strahlendetektorelements 2 mittels eines zweiten Vakuumhalters gehalten. Die Baugruppe 5 und das Trägersubstrat 4 werden zusammengeführt, bis die Lötpunkte 17 des Trägersubstrats 4 an den Ausgangspads 14 der Auswerteelektronik 3 anliegen. Im Anschluss wird ein Reflow-Prozess durchgeführt, über den die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Ausgangspads 14 der Auswerteelektronik 3 und den Pads 16 des Trägersubstrats 4 hergestellt sind.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt werden jeweils ein Strahlendetektorelement 2 und eine Auswerteelektronik 3 elektrisch leitend zu einer Baugruppe 5 verlötet. Zum Verbinden der beiden Strahlendetektorelemente 2 mit den beiden Auswerteelektroniken 3 werden beide Strahlendetektorelemente 2 an ihren Detektoroberseiten 6 nebeneinander von einem Vakuumhalter aufgenommen. Das Trägersubstrat 4 mit den beiden aufgelöteten Auswerteelektroniken 3 wird an seiner Trägersubstratunterseite 19 von einem zweiten Vakuumhalter aufgenommen. Dabei sind die miteinander zu verlötenden Sammelelektroden 9 mit ihren Lötpunkten 12 und die Eingangspads 11 mit ihren Kontaktelementen 20 einander zugewandt.
  • Beide Vakuumhalter werden gemäß 2 mittels einer Verfahreinrichtung in vertikaler Richtung z gegeneinander bewegt, bis die Lotkugeln bzw. Lötpunkte 12 der Strahlendetektorelemente 2 an den Kontaktelementen 20 der Auswerteelektroniken 3 anliegen Im Anschluss werden die Auswerteelektroniken 3 und die Halbleiterbauelemente 2 in einem Reflow-Lötprozess miteinander verlötet. Die Verfahrenstemperatur des Reflow-Lötprozesses entspricht im Wesentlichen der Schmelztemperatur des Niedertemperaturlots. Beim Erwärmen tauchen die säulenartigen Kontaktelemente 20 in die Lötpunkte 12 ein. Dies ist der 3 zu entnehmen. Jede Sammelelektrode 9 ist nunmehr indirekt über ein Kontaktelement 20 mit einem Eingangspad 11 verlötet.
  • Insgesamt wird das Detektormodul 1 in einer sogenannten Bottom-To-Top-Montage gefertigt. Mit anderen Worten wird das Detektormodul 1 von „unten nach oben” montiert, d. h. zunächst werden die beiden Auswerteelektroniken 3 mit dem Trägersubstrat 4 verlötet. Erst dann werden die Strahlendetektorelemente 2 mit den Auswerteelektroniken 3 verlötet zur Bildung der Baugruppen 5.
  • In der 1 ist erkennbar, dass die rechte der beiden Auswerteelektroniken 3 relativ stark gegen das Trägersubstrat 4 verkippt ist. Entsprechend ist auch das mit der Auswerteelektronik 3 verlötete Strahlendetektorelement 2 gegenüber dem Trägersubstrat 4 verkippt. Die Kontaktelemente 20 sorgen jedoch für einen Toleranzausgleich zwischen Auswerteelektronik und dem Strahlendetektorelement 2, so dass sich die Sammelelektroden 9 und die Eingangspads 11 sicher miteinander verlöten lassen.
  • 4 und 5 zeigen in einer Draufsicht und in einer geschnittenen Seitenansicht ein zweites als Detektormodul 1' ausgebildetes elektrisches Modul. Dieses Detektormodul 1' unterscheidet sich von Detektormodul 1 im Aufbau lediglich dadurch, dass eine Mehrzahl von Baugruppen 5 mit einem gemeinsamen Trägersubstrat 4' elektrisch leitend verbunden ist. Die Baugruppen 5 sind nach Art einer Matrix in Längsrichtung x und in Querrichtung y nebeneinander auf dem Trägersubstrat 4' angeordnet. Die Montage des Detektormoduls 1' entspricht dabei der Montage des Detektormoduls 1, wie es für die 1, 2 und 3 beschrieben ist. Beim Verlöten der Auswerteelektroniken 3 mit dem gemeinsamen Trägersubstrat 4' werden sämtliche Auswerteelektroniken 3 nebeneinander nach Art einer Matrix von einem einzigen Vakuumhalter aufgenommen. Entsprechen werden beim Verlöten der Strahlendetektorelemente 2 mit den auf das Trägersubstrat 4' aufgelöteten Auswerteelektroniken 3 sämtliche Strahlendetektorelemente 2 nebeneinander nach Art einer Matrix von einem einzigen Vakuumhalter aufgenommen.
  • Durch die gemeinsame Montage einer Mehrzahl von Baugruppen 5 auf einem Trägersubstrat 4' lassen sich viele Baugruppen 5 und somit viele Strahlendetektorelemente 2 zu einer einzigen funktionalen Einheit zusammenfassen. Ein derartiges Detektormodul 1' als funktionale Einheit ist beispielsweise in einem Röntgendetektor eines Röntgenmesssystems verbaut. Eine Baugruppe muss nicht notwendig eine Auswerteelektronik 3 und ein Strahlendetektorelement 2 umfassen. Mit einem Strahlendetektorelement kann auch eine Mehrzahl von Auswerteelektroniken 3 leitend verbunden sein zur Bildung der Baugruppe. Umgekehrt kann auch eine einzelne Auswerteelektronik 3 mit einer Mehrzahl von Strahlendetektorelementen 2 leitend verbunden sein zur Bildung der Baugruppe.
  • Ein derartiges Röntgenmesssystem ist beispielsweise Teil eines Computertomographen 50, wie er in der 6 schematisch dargestellt ist. Der Computertomograph 50 umfasst eine Patientenpositioniervorrichtung 51 mit einem Verfahrtisch 52 und einer vom Verfahrtisch 52 in Längsrichtung 53 verfahrbaren Patientenliege 54. Mittels der Patientenpositioniervorrichtung 51 lässt sich ein auf der Patientenliege 54 gelagerter Patient 55 in Längsrichtung 53 in einer Gantry 56 positionieren. In der hohlzylindrisch ausgebildeten Gantry 56 sind eine Röntgenquelle 57 und ein Röntgendetektor 58 einander gegenüberliegend drehbar gelagert. Der Röntgendetektor 58 nimmt eine Anzahl zur Innenseite der Gantry 56 gewandter Detektormodule 1'' auf. Die Detektormodule 1'' sind dabei im Wesentlichen so ausgebildet, wie das in der 2 und 3 gezeigte Detektormodul 1'. Jedoch ist das Detektormodul 1'' bzw. seine einzelnen Baugruppen 5 derart ausgerichtet, dass die Krümmung der Krümmung der Innenseite der Gantry 56 nachempfunden ist. Die Detektormodule 1'' können auch an einer gemeinsamen dem Röntgendetektor 58 zugeordneten Haltevorrichtung angeordnet sein und ein unterschiedliche Orientierung bzw. Verkippung gegeneinander aufweisen, um sich der Krümmung der Gantry anzupassen.
  • Weiterhin ist eine Steuereinheit 59 vorgesehen, die über Steuersignale S1 die Patientenliege 54 und die über Steuersignale S2 die synchronisierte Bewegung von Röntgenquelle 57 und Röntgendetektor 58 in der Gantry 56 ansteuert. Über eine Benutzerschnittstelle 60 werden die Steuersignale S1 und S2 vorgegeben. Bei der Benutzerschnittstelle 60 handelt es sich beispielsweise um einen Joystick, eine Computermaus oder dergleichen. Eine Körperregion 61 des Patienten 55 wird untersucht, indem der Patient 55 mittels der Patientenliege 54 in Längsrichtung 53 in die Gantry 56 hineingeschoben wird. Dabei bewegen sich die Röntgenquelle 57 und der Röntgendetektor 58 synchronisiert in Kreisbewegungen um den Patienten herum. Die Röntgenquelle 57 sendet dabei Röntgenstrahlung 62 aus, die die Körperregion 61 durchstrahlt und nach ihrem Durchtreten durch die Körperregion 61 durch das Detektormodul 1'' erfasst wird. Die dabei gemessenen Projektionsbilder P werden zur Steuereinheit 59 übertragen. In der Steuereinheit 59 findet eine Umrechnung der Projektionsbilder P durch eine so genannte Rückprojektion in eine Bildinformation B statt. Die Bildinformation B wiederum wird an ein als Monitor ausgebildetes Anzeigeelement 63 übermittelt und dort angezeigt.
  • Die Röntgenquelle 57, der Röntgendetektor 58 mit seinem Detektormodul 1'', die Steuereinheit 59, die Benutzerschnittstelle 60 und das Anzeigeelement 63 bilden zusammen das Röntgenmesssystem des Computertomographen 50.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6933505 B2 [0005]

Claims (16)

  1. Elektrische Baugruppe (5), umfassend ein erstes Halbleiterbauelement (3) und ein auf das erste Halbleiterbauelement (3) aufgelötetes zweites Halbleiterbauelement (2), gekennzeichnet durch jeweils ein zwischen jeden Lötpunkt (12) des einen Halbleiterbauelements (2, 3) und das andere Halbleiterbauelement (2, 3) zwischengeschaltetes Kontaktelement (20) als Toleranzausgleich zwischen den beiden Halbleiterbauelementen (2, 3).
  2. Elektrische Baugruppe (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbleiterbauelemente (2, 3) miteinander mittels eines Niedertemperaturlots verlötet sind.
  3. Elektrische Baugruppe (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Halbleiterbauelemente (2, 3) mit einem Trägersubstrat (4, 4') verlötet ist zur Bildung eines elektrischen Moduls (1, 1', 1'').
  4. Elektrisches Modul (1, 1', 1'') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Baugruppen (5) nach Art einer Matrix auf einem gemeinsamen Trägersubstrat (4, 4') angeordnet ist.
  5. Elektrisches Modul nach Anspruch 3 oder 4 mit einer Auswerteelektronik (3) als erstem Halbleiterbauelement und mit einem Strahlendetektorelement (3) als zweitem Halbleiterbauelement zur Bildung eines Detektormoduls (1, 1', 1'').
  6. Elektrisches Modul (1, 1', 1'') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlendetektorelement (3) aus CdTe, aus CdZnTe, aus CdSeTe oder aus CdZnTeSe besteht.
  7. Röntgenmesssystem (57, 58, 59, 60, 63) mit einem eine Anzahl von Detektormodulen (1, 1', 1'') nach Anspruch 5 oder 6 aufnehmenden Röntgendetektor (58).
  8. Röntgenmesssystem (57, 58, 59, 60, 63) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Detektormodulen (1, 1', 1'') nach Art einer Matrix nebeneinander angeordnet ist.
  9. Computertomograph (50) mit einem Röntgenmesssystem (57, 58, 59, 60, 63) nach Anspruch 7 oder 8.
  10. Verfahren zur Fertigung einer zwei Halbleiterbauelemente (2, 3) umfassenden elektrischen Baugruppe (5), dadurch gekennzeichnet, – dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Halbleiterbauelement (2, 3) mit Lötpunkten (12) und das andere Halbleiterbauelement (2, 3) mit Kontaktelementen (20) versehen wird und – dass in einem zweiten Verfahrensschritt beide Halbleiterbauelemente (2, 3) miteinander verlötet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beide Halbleiterbauelemente (2, 3) in einem Niedertemperaturlötprozess miteinander verlötet werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Halbleiterbauelemente (2, 3) mit einem Trägersubstrat (4, 4') verlötet wird zur Bildung eines elektrischen Moduls (1, 1', 1'').
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleiterbauelement (3) vor dem Verlöten mit dem zweiten Halbleiter bauelement (2) mit dem Trägersubstrat (4, 4') verlötet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen den beiden Halbleiterbauelementen (2, 3) in einem Underfilling-Verfahren verfüllt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen dem mit dem Trägersubstrat (4, 4#) verlöteten Halbleiterbauelement (3) und dem Trägersubstrat (4, 4') in einem Underfilling-Verfahren verfüllt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass beide Zwischenräume in einem Verfahrensschritt in einem Underfilling-Verfahren verfüllt werden.
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