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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorboards für ein Detektormodul. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit einem entsprechenden Verfahren hergestelltes Sensorboard, sowie ein Detektormodul mit einer Anzahl von Sensorboards.
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Im Rahmen hochauflösender Bildgebungsverfahren wie beispielsweise bei der Computertomographie in der medizinischen Bildgebung kommen üblicherweise Röntgendetektoren zum Einsatz, um ein räumliches Bild eines Untersuchungsbereiches eines Patienten mit einer hohen Auflösung zu erzeugen.
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Ein Röntgendetektor, dessen Sensorschicht als eine direkt konvertierende Halbleiterschicht ausgebildet ist, ermöglicht hierbei eine quantitative und energieselektive Erfassung einzelner Röntgenquanten. Beim Einfall von Röntgenstrahlung werden in der Sensorschicht Elektron-Loch-Paare, also Paare aus negativen und positiven Ladungsträgern, erzeugt. Durch eine an die Sensorschicht bzw. an die Oberfläche der Sensorschicht angelegte Spannung werden die Ladungsträger getrennt und bewegen sich zu den jeweils entgegengesetzt geladenen Elektroden bzw. Oberflächen der Sensorschicht. Der hierdurch verursachte Strom oder eine entsprechende Ladungsverschiebung kann von einer nachgeschalteten Sensorelektronik ausgewertet werden. Zur Detektion der Röntgenquanten eignen sich beispielsweise Halbleitermaterialen in Form von CdTe, CdZnTe, CdTeSe, CdZnTeSe, CdMnTe, GaAs, Si oder Ge, die einen hohen Absorptionsquerschnitt für Röntgenstrahlung aufweisen.
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Insbesondere bei der Computertomographie werden großflächige Röntgendetektoren benötigt, wozu häufig mehrere vergleichsweise kleine Detektormodule benachbart zueinander angeordnet sind. Derartige Detektormodule bestehen wiederum aus einzelnen Sensorboards, die mit einem möglichst geringen Abstand (~100 µm) zueinander benachbart auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind und deren Sensorschichten gemeinsam die Sensoroberfläche eines Detektormoduls bilden.
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Im Rahmen der Herstellung eines Sensorboards ist es üblich, eine Ausleseeinheit, wie beispielsweise ein ASIC, in einem Stapelaufbau zuerst an einer Sensorschicht anzuordnen und die Bauteile anschließend aneinander zu fixieren. Dieser Stapelaufbau wird als Hybrid bezeichnet.
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Zur Herstellung eines Sensorboards können in der Verbindungstechnik gängige Flip-Chip-Technologien eingesetzt werden, mittels derer kleine Baueinheiten in dichter Packung schnell gefertigt werden können. Hierbei können die jeweils zu einer Baueinheit zu verbindenden Bauteile, also vorliegend die Ausleseeinheit und die Sensorschicht, beispielsweise mittels eines Klebeverfahrens aneinander fixiert werden.
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Alternativ kann eine Fixierung mittels eines Lötverfahrens erfolgen. Hierzu werden als Kontakt- oder Verbindungselemente („Bumps“) üblicherweise Lötelemente aus einem niedrig schmelzenden Lötmaterial eingesetzt, mittels derer die zu verbindenden Bauteile aneinander befestigt werden. Bei der Herstellung eines Hybrids werden solche Lötelemente auf die der im verbauten Zustand der Sensorschicht zugewandten Oberfläche der Ausleseeinheit aufgetragen und dann die Ausleseeinheit über die Lötelemente mit der Sensorschicht kontaktiert. Durch ein anschließendes Erhitzen des Lötmaterials, was üblicherweise durch eine gezielte Temperierung der zur Positionierung der Bauteile eingesetzten Montagewerkzeuge erfolgt, werden die Bauteile miteinander verbunden. Man spricht hierbei auch von einem sogenannten Reflow-Löten. Bei der Fertigung eines Hybrids müssen pro zu fixierender Ausleseeinheit mindestens zwei Verfahrensschritte durchgeführt werden. Dies ist bei mehreren Ausleseeinheiten pro Sensorschicht nachteilig.
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Der Erfindung liegt als eine erste Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem ein Sensorboard unter Sicherstellung seiner störungsfreien Funktion gegenüber gängigen Verfahren vereinfacht und in der Massenfertigung mit einem höheren Durchsatz herstellbar ist.
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Als eine zweite Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, ein Detektormodul mit einer Anzahl von entsprechend hergestellten Sensorboards anzugeben.
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Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorboards für ein Detektormodul, wobei eine Mehrzahl von Ausleseeinheiten bereitgestellt wird, wobei die Ausleseeinheiten in einem Stapelaufbau jeweils auf einer gemeinsamen Sensorschicht positioniert werden, und wobei nach erfolgter Positionierung aller Ausleseeinheiten diese unter Ausbildung eines Hybrids gemeinsam an der Sensorschicht befestigt werden.
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Die Erfindung geht von der Tatsache aus, dass der Einsatz eines gängigen Lötverfahrens zur Herstellung „klassischer“ 1:1-Hybride mit einer Ausleseeinheit pro Sensorschicht grundsätzlich unproblematisch ist. Bei der Herstellung von Multihybriden, also von Hybriden, die mehrere Ausleseeinheiten pro Sensorschicht umfassen, ist dieses Verfahren jedoch nur unter Inkaufnahme unerwünscht langer Fertigungszeiten durchführbar, da die notwendigen Verfahrensschritte – also die exakte Positionierung der eingesetzten Ausleseeinheiten und die sich anschließende Fixierung an der Sensorschicht – nacheinander so oft wiederholt werden müssen, bis jede Ausleseeinheit sicher an der Sensorschicht befestigt ist.
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Weiter berücksichtigt die Erfindung, dass zusätzlich zu dem erhöhten Zeitaufwand ein im Rahmen eines solchen mehrstufigen Prozesses hergestellter Hybrid unerwünschten thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. So wird beispielsweise eine bereits auf der Sensorschicht fixierte Ausleseeinheit bei der Anordnung und Fixierung einer zweiten Ausleseeinheit erneut erhitzt. Durch eine solche erneute Temperaturbeaufschlagung können beispielsweise die Randbereiche der bereits angeordneten Ausleseeinheiten unerwünscht beeinflusst werden.
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Die Erfindung erkennt nun, dass diese Problematiken überraschend einfach dann gelöst werden können, wenn bei der Herstellung eines Sensorboards zuerst die benötigten Ausleseeinheiten an der Sensorschicht positioniert angeordnet werden und erst nach erfolgter Positionierung aller Ausleseeinheiten an der Sensorschicht diese unter Ausbildung eines Hybrids gemeinsam und insbesondere in einem einzigen Prozessschritt an der Sensorschicht fixiert werden.
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Auf diese Weise kann der Prozessablauf bei der Herstellung eine Hybrids und insbesondere bei der Herstellung eines Multi-Hybrids beschleunigt werden. So werden beispielsweise bei der Fertigung eines 1:4-Hybrids die einzusetzenden vier Ausleseeinheiten zuerst alle an der entsprechenden Sensorschicht angeordnet. Die Befestigung der Ausleseeinheiten an der Sensorschicht erfolgt dann in einem gemeinsamen Schritt. Auf diese Weise wird die Herstellungszeit gegenüber bislang gängigen Prozessen deutlich verkürzt.
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Hierbei ist es insbesondere auch möglich, alle zu positionierenden Ausleseeinheiten zugleich an der Sensorschicht anzuordnen. So kann beispielsweise in vollautomatisierten Fertigungsabläufen ein Montagewerkzeug eingesetzt werden, welches in der Lage ist, alle Ausleseeinheiten in einem gemeinsamen Schritt an der Sensorschicht zu positionieren.
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Die Befestigung der Ausleseeinheiten an der Sensoroberfläche erfolgt vorzugsweise über Lötelemente. Die Lötelemente sind zweckmäßigerweise jeweils an der Kontaktfläche der Ausleseeinheiten angeordnet, so dass die Ausleseeinheiten mittels der Lötelemente an der Sensorschicht angeordnet bzw. an dieser kontaktiert wird.
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Besonders bevorzugt werden als Lötelemente Lötkugeln eingesetzt. Alternativ werden Lötelemente aus einer Lötpaste mittels eines Druckverfahrens oder eines Jetverfahrens aufgebracht. Die Verwendung von Lötpaste hat den Vorteil, dass diese klebrig ist und so die Bauteile, also die Sensorschicht und die jeweilige Anzahl eingesetzter Ausleseeinheiten bei der Bestückung direkt an der Paste halten. Sie müssen somit zur Positionierung nicht eigens aufgeklebt werden. Als Lötmaterialien eigenen sich insbesondere solche Materialien, die bei geringen Temperaturen in einem Bereich zwischen 110 °C und 180 °C schmelzen. Vorzugsweise werden solche Lötelemente eingesetzt, die ein Metall enthalten, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Indium (In) Silber (Ag), Zinn (Sn), Bismut (Bi) und Blei (Pb) enthält. Weiter bevorzugt werden solche Lötelemente eingesetzt, die eine metallische Legierung enthalten, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die InAg, SnIn, SnBi, SnBiAg, SnBiPb enthält.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Befestigung der Ausleseeinheiten an der Sensoroberfläche durch ein Erhitzen und Aufschmelzen der Lötelemente, also mittels eines sogenannten Reflow-Lötens. Hierbei werden vorzugsweise die Lötelemente aller auf einer Sensorschicht angeordneten Ausleseeinheiten gleichzeitig erhitzt, so dass die Befestigung aller Ausleseeinheiten an der Sensorschicht mittels der Lötelemente zeitgleich in einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgt. So kann eine unerwünschte thermische und mechanische Belastung der Bauteile verhindert werden. Zum Aufschmelzen wird vorzugsweise ein Lötofen, ein sogenannter Reflow-Ofen, eingesetzt.
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Bei der Erhitzung der Lötelemente im Lötofen werden gleichzeitig alle Lötelemente aufgeschmolzen und dadurch auch alle eingesetzten Ausleseeinheiten im Wesentlichen zeitgleich an der Sensorschicht befestigt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine Vielzahl von Hybriden zugleich zu fertigen, indem die nach der Anordnung bzw. Positionierung der jeweiligen Ausleseeinheiten erfolgende Befestigung an der Sensorschicht bei mehreren Hybriden gleichzeitig erfolgt. Hierzu werden zweckmäßigerweise mehrere Hybride gemeinsam in den Lötofen verbracht. Ein solches Verfahren ist insbesondere für die industrielle Massenproduktion von Vorteil.
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Vorzugsweise werden Lötelemente eingesetzt, die einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 50 µm und 250 µm aufweisen. Es handelt sich somit um ein Hochpräzisionslöten der Ausleseeinheiten an der Sensorschicht. Aufgrund der geringen Durchmesser besteht die Möglichkeit, die Hybride mit gegenüber gängigen Hybriden verringerten geometrischen Abmessungen zu fertigen.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Positionierung der Ausleseeinheiten mittels eines Montagewerkzeugs. Das Montagewerkzeug dient der exakt vorgegebenen Ausrichtung der Ausleseeinheiten an der Sensoroberfläche. Die Sensorschicht wird während der Anordnung der oder jeder Ausleseeinheit vorzugsweise mittels eines Montagewerkzeugs in einer ruhenden Position gehalten, so dass die Ausleseeinheiten an der entsprechenden Position angeordnet werden können. Das Montagewerkzeug für die Sensorschicht ist zweckmäßigerweise an der Sensoroberfläche der Sensorschicht angeordnet, also an der im nach der Anordnung der Bauteile resultierenden Stapelaufbau an der von der angeordneten Ausleseeinheit abgewandten Kontaktfläche. So können die Lötelemente der jeweiligen Ausleseeinheiten mit der Kontaktfläche der Sensorschicht kontaktiert werden.
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Durch ein Befestigen der Bauteile aneinander durch ein Erhitzen der Lötelemente in einem entsprechenden Lötofen, kann auf eine Temperierung der Montagewerkzeuge, wie sie bislang notwendig war, verzichtet werden. So kann auch die Positionierung der oder jeder Ausleseeinheit bevorzugt bei Umgebungstemperatur, beispielsweise bei der im Fertigungsbereich vorherrschenden Temperatur, erfolgen.
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Nach erfolgter Befestigung der oder jeder Ausleseeinheit an der Sensorschicht wird der Hybrid im Stapelaufbau zweckmäßigerweise einem Träger aufgebracht und so das gewünschte Sensorboard hergestellt. Als Träger wird zweckmäßigerweise eine Trägerkeramik eingesetzt, die als Zwischensubstrat zur Signalübertragung von der Ausleseeinheit zu einer entsprechenden Modulelektronik genutzt werden kann und der Abfuhr der in der Sensorschicht entstehenden Wärme, insbesondere an einen metallischen Modulträger, dient.
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Vorzugsweise wird eine Sensorschicht eingesetzt, die Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmiumzinktellurid (CdZnTe), Cadmiumzinktellurselenid (CdZnTeSe), Cadmiumtellurselenid (CdTeSe), Cadmiummangantellurid (CdMnTe), Indiumphosphid (InP), Thalliumbromid (TlBr2) oder Quecksilberiodid (HgI2) enthält. Derartige Halbleiter-Materialien ermöglichen die Direktumwandlung der auf sie eintreffenden Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal und sind in guter Qualität in Bezug auf Ladungstransporteigenschaften und Homogenität kommerziell erhältlich.
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Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Detektormodul für einen Röntgendetektor, umfassend eine Anzahl benachbart auf einem Modulträger angeordneter Sensorboards, wobei das oder jedes Sensorboard mittels des vorbeschriebenen Verfahrens hergestellt ist.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Detektormodul einen Träger, auf dem das oder jedes Sensorboard angeordnet ist. Der Träger des oder jedes Detektormoduls ist vorzugsweise in einem Stapelaufbau über den Modulträger mit einer Sensorelektronik verbunden. So können die bei einer Röntgenbildaufnahme ermittelten Daten, also die elektrischen Signale aus der Direktumwandlung der auf eine Sensoroberfläche eintreffenden Röntgenstrahlung, direkt ausgewertet und weiterverwendet werden. Hierzu kann die Sensorelektronik beispielsweise mit einer entsprechenden Auswerteroutine ausgelesen werden.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen für das Detektormodul ergeben sich aus den auf das Verfahren gerichteten Unteransprüchen. Dabei können die für das Verfahren benannten Vorteile sinngemäß auf das Detektormodul übertragen werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen 1:1-Hybrid in einer Seitenansicht und in einer Aufsicht,
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2 einen 1:4-Hybrid in einer Seitenansicht und in einer Aufsicht,
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3 den ersten Prozessschritt bei der Herstellung eines Hybrids für ein Sensorboard,
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4 den zweiten Prozessschritt bei der Herstellung eines Hybrids für ein Sensorboard,
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5 den dritten Prozessschritt bei der Herstellung eines Hybrids für ein Sensorboard, sowie
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6 ein Detektormodul mit zwei gemäß den 3 bis 5 hergestellten Sensorboards.
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1 zeigt einen in einem Sensorboard 1 einsetzbaren 1:1-Hybrid 3 in einer Seitenansicht 5 und in einer Aufsicht 7. Das Hybrid 3 umfasst eine Sensorschicht 9 mit einer Sensoroberfläche 11. Die Sensorschicht 9 ist im Stapelaufbau 13 auf einer Ausleseeinheit 15 angeordnet. Die Anordnung erfolgt unter Ausbildung einer Beabstandung der Sensorschicht 9 von der Ausleseeinheit 15 in Stapelrichtung 17.
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Zwischen der Ausleseeinheit 15 und der Sensorschicht 9 sind als Lötelemente Lötkugeln 19 angeordnet, über welche die Bauteile 9, 15 aneinander montiert sind. Zur elektrischen Kontaktierung der Sensorschicht 9 sind in der Ausleseeinheit 15 Durchkontaktierungen 21 (TSV, Through Silicon Vias) eingebracht.
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2 zeigt einen weiteren Hybrid 23 in einer Seitenansicht 25 und in einer Aufsicht 27, welcher in einem Sensorboard 1 verbaut werden kann. Vorliegend handelt es sich um einen 1:4-Hybrid 23. Der Hybrid 23 umfasst eine mit einer Sensoroberfläche 29 ausgebildete Sensorschicht 31, die im Stapelaufbau 33 auf vier zueinander benachbart angeordneten Ausleseeinheiten 35 angeordnet ist. Die Anordnung der Ausleseeinheiten 35 an der Sensorschicht 31 kann der Aufsicht 27 entnommen werden. Auch hier erfolgt die Befestigung der Sensorschicht 29 an den Ausleseeinheiten 35 durch in Stapelrichtung 37 zwischen diesen angeordneten Lötkugeln 39.
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Die elektrische Kontaktierung der Sensorschicht 29 erfolgt über Durchkontaktierungen 41, die in den Ausleseeinheit 35 eingebracht sind.
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Beide Hybride 1, 23 sind mittels eines Verfahrens herstellbar, welches in der folgenden Beschreibung zu den 3 bis 5 näher erläutert wird.
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In 3 ist der erste Prozessschritt 51 bei der Herstellung eines 1:2-Hybrids 53 gezeigt. Hierbei wird zuerst eine Sensorschicht 55 bereitgestellt, die mittels eines Montagewerkzeugs 57 gehalten wird. Auf der Sensorschicht 55 wird eine Ausleseeinheit 59 angeordnet. Die Anordnung bzw. Positionierung der Ausleseeinheit 59 erfolgt ebenfalls mittels eines Montagewerkzeugs 61.
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Das Montagewerkzeug 57, welches der Halterung bzw. der Positionierung der Sensorschicht 55 dient, ist vorliegend an der Sensoroberfläche 63 der Sensorschicht 55 angeordnet, also an der im Stapelaufbau 65 von der angeordneten Ausleseeinheit 59 abgewandten Seite, der Kontaktfläche 67.
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Die Ausleseeinheit 59 umfasst ebenfalls eine Kontaktfläche 69, auf der eine Mehrzahl von Lötelementen 71 angeordnet ist. Mittels der Montagewerkzeuge 61, 67 erfolgt die Positionierung der Ausleseeinheit 59 auf der Sensorschicht 55. Nach Positionierung der Ausleseeinheit 59 wird das Montagewerkzeug 61 von der Ausleseeinheit 59 entfernt und zur Positionierung einer zweiten Ausleseeinheit 59 eingesetzt.
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Hierbei wird die zweite Ausleseeinheit 59 in einem zweiten Prozessschritt 73 an der Sensorschicht 55 positioniert angeordnet (4). Die Ausleseeinheit 59 weist ebenfalls an ihrer Kontaktfläche 67 angeordnete Lötelemente 75 auf. Nach abgeschlossener Positionierung aller zur Herstellung des Hybrids eingesetzten Ausleseeinheiten 59 (vorliegend zwei) werden diese durch ein Erhitzen unter Ausbildung des Hybrids 53 an der Sensorschicht 55 befestigt.
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Dieser sich der Positionierung anschließende Prozessschritt 77 ist in 5 gezeigt. Der Hybrid 53 wird in einen schematisch gezeigten Lötofen 79 verbracht, wo dieser gesamt auf eine Löttemperatur von 150 °C erhitzt wird. Zuvor werden selbstverständlich die Montagewerkzeuge 57, 61 entfernt, die unmittelbar zur Halterung und Positionierung weiterer Ausleseeinheiten und/oder Sensorschichten genutzt werden können.
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Durch das Erhitzen im Lötofen werden die Lötelemente 75 aufgeschmolzen und es entsteht während der Abkühlung eine feste Lötverbindung zwischen den Ausleseeinheiten 59 und der Sensorschicht 55. Ein entsprechend hergestellter Hybrid 53 kann dann in einem Detektormodul verbaut werden.
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Ein solches Detektormodul 81 ist in 6 gezeigt. Das Detektormodul 81 ist als Teil eines Röntgendetektors 83 gezeigt und weist zwei Sensorboards 85 auf, die einander benachbart auf einem gemeinsamen metallischen Modulträger 87 angeordnet sind.
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Beide Sensorboards 85 umfassen jeweils zwei Hybride 53, die jeweils auf einem als Trägerkeramik ausgebildeten gemeinsamen Träger 89 angeordnet sind. Die Trägerkeramik 89 ist im Stapelaufbau 91 über den Modulträger 87 mit einer Sensorelektronik 95 verbunden, von der ausgehende Datenleitungen 97 zu den jeweiligen Sensorboards 85 verlaufen.
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Zusätzlich ist ein Kollimator 99 in Form eines die Sensoroberflächen 63 überdeckenden Metallblocks eingesetzt, der zur Erzeugung eines parallelen Strahlenverlaufs dient. Zur Detektion von Röntgenstrahlung wird im eingebauten Zustand innerhalb eines Röntgendetektors eine Hochspannung an die Sensoroberflächen 63 der Sensorschichten 55 der beiden Sensorboards 85 angelegt. Die Spannungsversorgung erfolgt vorliegend über jeweils Hochspannung führende Spannungszuleitungen 101.
