CN103560166A - 碲锌镉像素探测器模块的封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碲锌镉像素探测器模块的封装方法，用于解决现有碲锌镉像素探测器模块封装方法连接胶点相对位置精度差的技术问题。技术方案是采用银导电胶作为倒装连接介质，利用三维自动点胶机通过矩阵点胶模式，精确控制胶点的尺寸与相对位置，同时利用倒装焊接仪，通过双CCD取景对焦的工作模式，控制传动系统的精确走位，解决了碲锌镉像素电极探测器元件上像素电极与基板上金属电极的一一对应连接问题，并克服了像素电极的短路或断路现象。由于采用程序控制的矩阵点胶模式，有效地控制了胶点间的相对位置，精度达到了10μm，同时采用流量控制器，获得了的最小胶点尺寸为150μm，有效克服了像素电极的短路问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种模块的封装方法，特别涉及一种碲锌镉像素探测器模块的封装方法。
背景技术
碲锌镉晶体作为一种具有优异光电性能的三元固溶体化合物半导体成为目前制备室温核辐射探测器最为理想的材料，可广泛应用于核医学诊断、环境监测、工业无损检测、安全检查、核武器突防、天体物理和高能物理等领域。然而，将带有像素电极的碲锌镉晶体与基板连接起来形成探测器模块是实现在X射线和γ射线成像领域中应用的关键。
采用传统的丝线焊接连接技术，由于受操作空间的限制，不适用像素较多的碲锌镉像素探测器模块的封装连接，同时该方法焊点的结合力较差。而利用金属倒装焊技术制备碲锌镉像素探测器模块的方法，焊接时温度需在140度以上，影响了晶片的物理性能，同时焊接时容易对像素电极产生机械损伤。文献“V.Jordanov,J.Macri,J.Clayton,et al.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,2001,458:511-517.”公开了一种采用丝网印刷技术制备碲锌镉像素探测器模块的方法，该方法采用聚合物导电胶连接技术，即采用丝网印刷在碲锌镉像素探测器元件的像素电极面和陶瓷或印制电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）基板的对应电极上印刷相应尺寸的银导电胶，后采用一对一的倒装连接技术将两者固定，制备时温度为80度，然而由于该方法胶点的尺寸较大，通常大于300μm，且较难控制胶点间的相对位置，使得倒装好的碲锌镉像素探测器模块容易出现像素电极的短路或断路。
发明内容
为了克服现有碲锌镉像素探测器模块封装方法连接时胶点尺寸难控制且相对位置精度差，实现碲锌镉像素电极探测器元件上像素电极与基板上金属电极的准确连接，本发明提供一种碲锌镉像素探测器模块的封装方法。该方法采用银导电胶作为倒装连接介质，利用三维自动点胶机通过矩阵点胶模式，精确控制胶点的尺寸与相对位置，同时利用倒装焊接仪，通过双CCD取景对焦的工作模式，控制传动系统的精确走位，解决了碲锌镉像素电极探测器元件上像素电极与基板上金属电极的一一对应连接问题，并克服了像素电极的短路或断路现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碲锌镉像素探测器模块的封装方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、采用碲锌镉单晶片制备碲锌镉像素探测器元件1。设计与像素电极尺寸相对应的倒装连接用基板4。然后将基板4固定于三维自动点胶机的基座5上，通过电荷耦合元件CCD3观察基板4的位置信息并传输给电脑，设定点胶初始位置在基板4任一顶点，设定X轴及Y轴步进频次，并将步进参数输入电脑，电脑通过控制三维平移台2的运动完成矩阵点胶，在基板4的金属电极6上均匀涂覆银导电胶7，并通过流量控制器8控制单次的点胶量。
步骤二、将点好胶的基板4放置于倒装焊接仪的基准台9上，通过顶部CCD10记录基板4上的图像信息并传输给电脑。使用倒装焊接仪的真空吸头11将碲锌镉像素探测器元件1抓起，并保持像素电极面向下，通过底部CCD13记录碲锌镉像素探测器元件1中像素电极面上的图像信息，并传输给电脑。电脑通过比对顶部CCD10和底部CCD13传输的图像信息，将需要移动的参数反馈给传动系统12，从而带动真空吸头11完成倒装，实现碲锌镉像素探测器元件1上的电极与基板4上的金属电极6的连接。
步骤三、将连接好的碲锌镉像素探测器元件1与基板4放置于烘箱内，温度设定在40～80度范围，加热6～12小时，使得银导电胶7固化。
步骤四、采用三维自动点胶机在碲锌镉像素探测器元件1的表面涂覆包封胶，并在60～80度温度下，固化4～8小时，形成碲锌镉像素探测器模块。
所述基板4是陶瓷材质或PCB材质的任一种。
本发明的有益效果是：采用程序控制的矩阵点胶模式，可以有效控制胶点间的相对位置，精度达到10μm，同时采用流量控制器可以获得的最小胶点尺寸为150μm，有效克服了像素电极的的短路问题。通过比对顶部与底部两个CCD的图像信息，进而反馈给传动系统，可以实现像素电极与基板上金属电极的对位精度达到20μm，克服了像素电极的断路问题。同时采用银导电胶作为导电介质，使得倒装连接时的温度降低至40～80度范围内，减少对探测器性能的影响。采用包封胶涂覆碲锌镉像素电极探测器元件的表面，可以减少探测器受外界环境及外力的影响。
以下结合附图和具体实施方式详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明方法采用的三维自动点胶仪及其工作状态示意图
图2为本发明方法采用的倒装焊接仪及其工作状态示意图。
图3为采用本发明方法制备的8×8阵列的碲锌镉像素探测器模块，其典型像素单元的I-V曲线。
图4为采用本发明方法制备的20×20阵列的碲锌镉像素探测器模块，其典型像素单元对137Cs662KeV的响应能谱。
图中，1-碲锌镉像素探测器元件，2-三维平移台，3-CCD，4-基板，5-基座，6-金属电极，7-银导电胶，8-流量控制器，9-基准台，10-顶部CCD，11-真空吸头，12-传动系统，13-底部CCD。
具体实施方式
以下实施例参照附图1－4。
实施例1：
步骤一、采用碲锌镉单晶片制备8×8阵列的碲锌镉像素探测器元件1。设计与像素电极尺寸相对应的倒装连接用基板4。然后将PCB材质的基板4固定于三维自动点胶机的基座5上，通过CCD3观察基板4的位置信息并传输给电脑，选择8×8矩阵点胶模式，选择X轴步进为1mm，Y轴步进为1mm，并输入电脑，电脑通过控制三维平移台2的运动完成矩阵点胶，在基板4的金属电极6上均匀涂覆银导电胶7，并通过流量控制器8控制单次的点胶量。
步骤二、将点好胶的基板4放置于倒装焊接仪的基准台9上，通过顶部CCD10记录基板4上的图像信息并传输给电脑。使用倒装焊接仪的真空吸头11将碲锌镉像素探测器元件1抓起，并保持像素电极面向下，通过底部CCD13记录碲锌镉像素探测器元件1中像素电极面上的图像信息，并传输给电脑。电脑通过比对顶部CCD10和底部CCD13传输的图像信息，将需要移动的参数反馈给传动系统12，从而带动真空吸头11完成倒装，实现碲锌镉像素探测器元件1上的电极与基板4上的金属电极6的连接。
步骤三、将连接好的碲锌镉像素探测器元件1与基板4放置于烘箱内，温度设置为40度，保温12小时，使得银导电胶固化。
步骤四、采用三维自动点胶机在碲锌镉像素探测器元件1的表面涂覆包封胶，并在80度温度下，固化4小时，形成碲锌镉像素探测器模块，以保护所制备的金属电极不受外界环境及外力的影响。
采用I-V测试系统测试制备好的8×8阵列碲锌镉像素探测器模块中每个像素单元的I-V曲线，未发现短路或断路现象。从图3中可以观察到制备的8×8阵列碲锌镉像素探测器模块中单个像素单元典型的I-V曲线，电压在400V时的漏电流仅为10nA。
此外，通过将仅完成倒装连接的8×8阵列碲锌镉像素电极探测器模块的碲锌镉像素探测器元件1与基板4分离后，采用光学显微镜观察碲锌镉像素探测器元件1上每个像素电极和基板4上的金属电极6覆盖的银导电胶7，发现胶点尺寸均匀，胶点平均尺寸为300μm，碲锌镉像素探测器元件1上的像素电极与基板4上金属电极6的对位偏差小于20μm。
实施例2：
步骤一、采用碲锌镉单晶片制备20×20阵列的碲锌镉像素探测器元件1。设计与像素电极尺寸相对应的倒装连接用基板4。然后将陶瓷材质的基板4固定于三维自动点胶机的基座5上，通过CCD3观察基板4的位置信息并传输给电脑，选择20×20矩阵点胶模式，选择X轴步进为350μm，Y轴步进为350μm，并将步进参数输入电脑，电脑通过控制三维平移台2的运动完成矩阵点胶，在基板4的金属电极6上均匀涂覆银导电胶7，并通过流量控制器8控制单次的点胶量。
步骤二、将点好胶的基板4放置于倒装焊接仪的基准台9上，通过顶部CCD10记录基板4上的图像信息并传输给电脑。使用倒装焊接仪的真空吸头11将碲锌镉像素探测器元件1抓起，并保持像素电极面向下，通过底部CCD13记录碲锌镉像素探测器元件1中像素电极面上的图像信息，并传输给电脑。电脑通过比对顶部CCD10和底部CCD13传输的图像信息，将需要移动的参数反馈给传动系统12，从而带动真空吸头11完成倒装，实现碲锌镉像素探测器元件1上的电极与基板4上的金属电极6的连接。
步骤三、将连接好的碲锌镉像素探测器元件1与基板4放置于烘箱内，温度设置为80度，保温6小时，使得银导电胶固化。
步骤四、采用三维自动点胶机在碲锌镉像素探测器元件1的表面涂覆包封胶，并在60度温度下，固化8小时，形成碲锌镉像素探测器模块，以保护所制备的金属电极不受外界环境及外力的影响。
对于典型的封装完成的20×20阵列碲锌镉像素探测器模块，采用超声波无损检测发现，胶点连接处均无空洞，胶点的尺寸达到150μm，相邻胶点的中心间距偏差仅为10μm，，说明实现了对胶点尺寸及相对位置的精确控制，没有断路或短路现象。
采用伽马射线能谱测试系统测试制备好的20×20阵列碲锌镉像素探测器模块中每个像素单元的能谱响应曲线，图4为碲锌镉像素探测器模块中典型的像素单元对137Cs662KeV的响应能谱，通过计算其能量分辨率达到1.5%。
Claims (2)
1.一种碲锌镉像素探测器模块的封装方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、采用碲锌镉单晶片制备碲锌镉像素探测器元件（1）；设计与像素电极尺寸相对应的倒装连接用基板（4）；然后将基板（4）固定于三维自动点胶机的基座（5）上，通过电荷耦合元件CCD（3）观察基板（4）的位置信息并传输给电脑，设定点胶初始位置在基板（4）任一顶点，设定X轴及Y轴步进频次，并将步进参数输入电脑，电脑通过控制三维平移台（2）的运动完成矩阵点胶，在基板（4）的金属电极（6）上均匀涂覆银导电胶（7），并通过流量控制器（8）控制单次的点胶量；
步骤二、将点好胶的基板（4）放置于倒装焊接仪的基准台（9）上，通过顶部CCD（10）记录基板（4）上的图像信息并传输给电脑；使用倒装焊接仪的真空吸头（11）将碲锌镉像素探测器元件（1）抓起，并保持像素电极面向下，通过底部CCD（13）记录碲锌镉像素探测器元件（1）中像素电极面上的图像信息，并传输给电脑；电脑通过比对顶部CCD（10）和底部CCD（13）传输的图像信息，将需要移动的参数反馈给传动系统（12），从而带动真空吸头（11）完成倒装，实现碲锌镉像素探测器元件（1）上的电极与基板（4）上的金属电极（6）的连接；
步骤三、将连接好的碲锌镉像素探测器元件（1）与基板（4）放置于烘箱内，温度设定在40～80度范围，加热6～12小时，使得银导电胶（7）固化；
步骤四、采用三维自动点胶机在碲锌镉像素探测器元件（1）的表面涂覆包封胶，并在60～80度温度下，固化4～8小时，形成碲锌镉像素探测器模块。
2.根据权利要求1所述的碲锌镉像素探测器模块的封装方法，其特征在于：所述基板（4）的材质是陶瓷或PCB的任一种。
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