CN106324648B - 半导体探测器及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种半导体探测器及其封装方法。所述半导体探测器包括：阳极电路板，包括读出芯片；阴极电路板，所述阴极电路板包括阴极电路板高压端顶层、阴极电路板底部连接层和填充在阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层之间的电介质，所述阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层通过过孔连接；探测器晶体，包括晶体主体、阳极和阴极，所述阳极与所述阳极电路板上的读出芯片相连，其中所述阴极电路板高压端顶层用于连接半导体探测器的输入，所述阴极电路板底部连接层与所述探测器晶体的阴极直接接触而连接所述阴极和所述阴极电路板。

Description

半导体探测器及其封装方法
技术领域
本发明涉及半导体探测器，具体地涉及碲锌镉半导体探测器及其封装方法，更具体地涉及半导体探测器的阴极封装、高压连接、高压滤波以及这样得到的半导体探测器。
背景技术
半导体探测器以其较高的探测效率、较好的能量分辨率受到广泛的关注，被应用到辐射探测的各项应用中，例如环境辐射检测中的核素识别仪、计量报警仪等；国家安全中的物品检测如物品机、工业CT(Computed Tomography)；医疗应用中的CT、牙科成像、PET(Positron Emission Tomography)、SPECT(Single Photon Emission ComputedTomography)等。半导体材料的种类很多，例如CdMnTe(cadmium manganese telluride)、HgI2(mercury iodide)、TlBr(thallium bromide)、PbI2(lead iodide)、GaAs(galliumarsenide)、Ge(germanium)等，它们分别具有不同的特点，被应用到不同的领域。
碲锌镉(Cadmium Zinc Telluride，CZT)晶体是近年发展起来的一种性能优异的室温半导体辐射探测材料。CZT的电阻率高、原子序数大、禁带宽度较大，所以制成的探测器漏电流小、在温室下对X、γ射线的能量分辨率较好，无极化现象。当射线进入探测器后与碲锌镉相互作用产生电子和空穴。电子和空穴在电场的牵引下，分别向阳极和阴极移动，产生感应信号。
CdZnTe除具有很好的能量分辨率、高的探测效率外，它还能在室温下工作，这是它成为最有潜力的辐射探测材料。然而碲锌镉是一种昂贵、易碎的半导体材料。在现有的设计应用中，CZT的阴极与高压线连接采用焊接或导电胶连接的方式，高压线和电极裸露在空气中。这种方式使得在安装过程中会触碰到晶体阴极面和高压连接线，导致阴极面变脏、高压线被触碰。而且机械接触会使阳极的晶体破碎，影响晶体的探测性能，甚至会损坏探测器。采用高压接线直接连接到探测器的阴极面的方法会带来安全隐患，导致短路或空间放电；重复安装会导致高压线断裂，损坏探测器；在多个探测器的集成条件下，探测器高压端距离高压源较远，由于无法进行有效滤波，会增加系统的噪声。
图1示出了传统的CZT阴极高压端的高压连接方式。如图1所示，高压线101的一端焊接到探测器102的阴极，高压线的另一端焊接到与阳极封装在一起的PCB板103上；或者高压线的另一端直接连接到高压源上。这种连接方式，首先高压线的连接不方便，悬空的线长时间后会变形，使用过程中也容易碰到高压线；由于接到阳极的PCB103上，阳极的PCB大于探测器，因此不能实现多个探测器的无缝连接。由于阴极没有任何保护措施，使用过程中容易磕碰探测器，导致性能下降。
发明内容
本发明涉及半导体探测器，具体地涉及碲锌镉半导体探测器及其封装方法，更具体地涉及半导体探测器的阴极封装、高压连接、高压滤波以及这样得到的半导体探测器。
本发明提出了一种半导体探测器，包括：阳极电路板，包括读出芯片；阴极电路板，所述阴极电路板包括阴极电路板高压端顶层、阴极电路板底部连接层和填充在阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层之间的电介质，所述阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层通过过孔连接；探测器晶体，包括晶体主体、阳极和阴极，所述阳极与所述阳极电路板上的读出芯片相连，其中所述阴极电路板高压端顶层用于连接半导体探测器的输入，所述阴极电路板底部连接层与所述探测器晶体的阴极直接接触而连接所述阴极和所述阴极电路板。
本发明还提出了一种半导体探测器的封装方法，所述半导体探测器包括：阳极电路板，包括读出芯片；阴极电路板，所述阴极电路板包括阴极电路板高压端顶层、阴极电路板底部连接层和填充在阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层之间的电介质，所述阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层通过过孔连接；探测器晶体，包括晶体主体、阳极和阴极，所述阳极与所述阳极电路板上的读出芯片相连，所述方法包括：将所述阴极电路板高压端顶层连接半导体探测器的高压输入，并且通过所述阴极电路板底部连接层与所述探测器晶体的阴极直接接触而连接所述阴极和所述阴极电路板。
本发明的方法可以应用于线阵探测器、像素探测器以及其它半导体探测器中。
通过本发明的半导体探测器及其封装方法，可以对探测器晶体的高压端进行机械保护，降低高压带来的安全隐患，提高高压连接的稳固性；通过在距离探测器最近的地方添加滤波电路，能有效地降低高压带来的噪声，提高探测器的性能；通过调节阴极和阳极电路板的尺寸能够实现多个探测器的无缝级联。
附图说明
图1示出了传统的CZT阴极高压端的高压连接方式；
图2示出了本发明实施例的PCB与探测器的侧面结构图；
图3示出了本发明实施例的PCB的结构图；
图4示出了本发明实施例的PCB底层结构图；
图5示出了本发明的多个探测器的级联(俯视图)示意图；
图6示出了通过柔性PCB为多个级联模块提供高压的示意图；以及
图7示出了一种半导体探测器的封装方法的流程图。
具体实施方式
现在对本发明的实施例提供详细参考，其范例在附图中说明，图中相同的数字全部代表相同的元件。为解释本发明下述实施例将参考附图被描述。
本发明采用将PCB(Printed Circuit Board、印刷电路板)直接封装到探测器的高压面。在探测器的高压连接端，将PCB板直接封装到探测器的高压端，高压端电极的类型可以为面阵、像素、条形等多种形状。PCB板采用双层结构顶层和底层，不限于两层，底层面为裸露电极，直接与探测器的高压电极封装在一起。PCB板的顶面为高压连接面，在此面可以添加滤波电路。高压经引线连接到PCB板的顶层，在顶层滤波后经过孔与PCB的地面相连。这样能够有效地避免探测器的阳极与外界的接触，起到良好的保护作用。
PCB的尺寸可以与晶体的大小相同，也可以大于或小于探测器高压端的尺寸。晶体的形状可以为长方体、正方体或圆柱体等。优选地，PCB与探测器的形状和大小相同。
本发明通过PCB板实现高压源与探测器高压电极端的连接。PCB采用两层结构(底层和顶层)，也可以采用多层的PCB结构。PCB的顶层和底层通过过孔连接，过孔的数量不限，分布方式不限；优选地多个过孔按照多方位分布，使得探测器阴极面高压均匀分布；PCB的底层电极直接与探测器的高压电极端连接，可以采用导电胶连接的方式或者其他方式。PCB板的顶层采用焊接贴片插座，通过插拔高压线就可以实现高压连接，或者是直接焊接的方式，实现与高压源的连接。在此过程中，优选的采用柔性的PCB板。焊接点的金属要尽量少，减少由于PCB板顶部的金属对探测器探测性能的影响。
本发明还可以通过在高压端的PCB上添加滤波电路，实现对高压的滤波，减少了滤波电路与阳极的之间的距离。高压滤波电路采用有源滤波或无源滤波，优选无源滤波方式。这种方式能够减小经过滤波后的高压与探测器之间的距离，减少有由于引线过长带来的干扰，影响探测器的探测性能。在采用柔性PCB实现PCB与高压源的连接时，优选的将滤波电路放置在柔性PCB上，滤波方式优选采用无源滤波。这种方式，在缩短了滤波后的高压与探测器之间距离的同时，减少了当阴极入射时滤波电子元件对于射线的阻挡；当阳极入射时，电子元件的影响可以不予考虑。
本发明实施例中采用CZT探测器作为示例，探测器的大小为10*10*10mm3，探测的阳极为像素结构，封装在PCB板上与读出芯片相连接；探测器的阴极为面阵结构，与负高压相连。本发明不受阳极的电极结构、封装方式限制；也不受阴极的电极机构限制，阴极电极可以为面阵、共面栅、线阵等；也不受探测器的形成限制，探测器可为长方体、立方体、圆柱体等；也不受探测器的材料限制。
本发明采用PCB板与探测器的阴极直接封装的方式，保护了探测器也提供了有效的高压连接方式，PCB也可以采用多种材料。
在实施例中，CZT探测器为正方体。图2示出了本发明实施例的PCB与探测器的侧面结构图。如图2所述，图2中的ABC分别为三种情况下发明装置的侧面结构图。其中201为高压端(阴极)的PCB板，202为探测器晶体，203为晶体另外一端(阳极)的电路板。阴极端的PCB板形状和大小任意，即201的形状可以为圆柱体、长方体，可以与探测器阴极面形状相同也可不同。探测器202的阴极和阳极电极没有标出。
图3示出了本发明实施例的PCB的结构图。这种封装结构能够有效的保护探测器的阳极，也能够通过PCB板实现高压与探测器阴极的连接。由于采用的PCB板，可以通过PCB板的底层与探测器的阴极直接连接，通过过孔将高压连接到PCB板的顶层。具体地，PCB板的结构如图3所示，201为探测高压端的PCB板；306为PCB底层，PCB底层的导电材料(材料可选金、铜等)直接与探测器的阴极接触，可以采用导电胶的连接方式；305为PCB顶层，连接高压；304为过孔，连接底层和顶层。过孔304的数目不限，分布不限，优选多个过孔，多处分布。
根据本发明实施例的半导体探测器包括：阳极电路板，包括读出芯片；阴极电路板，所述阴极电路板包括阴极电路板高压端顶层、阴极电路板底部连接层和填充在阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层之间的电介质，所述阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层通过过孔连接；探测器晶体，包括晶体主体、阳极和阴极，所述阳极与所述阳极电路板上的读出芯片相连，其中所述阴极电路板高压端顶层用于连接半导体探测器的输入，所述阴极电路板底部连接层与所述探测器晶体的阴极直接接触而连接所述阴极和所述阴极电路板。
优选地，所述探测器晶体是碲锌镉晶体。
优选地，所述阴极电路板底部连接层采用导电胶的形式与所述阴极接触。
优选地，所述半导体探测器包括多个过孔，所述过孔均匀地设置。
优选地，所述阴极电路板高压端顶层通过焊接贴片插座或者直接焊接与外部高压源相连。
图4示出了本发明实施例的PCB底层结构图。具体地，所述PCB底层305包括过孔304的开孔、滤波电路406和端口407。端口407可以采用焊接的方式、插座的方式等；可以直接与高压源相连，也可以实现多个模块的级联，级联的线可以选用普通高压线，也可以选用柔性PCB，优选的选用柔性PCB。级联的方式可以为线阵级联和像素级联提高系统的探测器面积。
如图4所示，在本发明实施例的半导体探测器，在所述阴极电路板高压端顶层中设置滤波电路。滤波方式可以采用有源滤波和无缘滤波。优选地，所述滤波电路采用无源滤波，无源滤波可以减少滤波电路的元件个数，降低由于电子器件产生的热量对探测器性能的影响。在无源滤波电路元器件的选择中，要考虑器件的散热、功耗、材料等因素，即避免对探测器的性能有影响，避免对射线过多的阻挡。
所述滤波电路设置于所述阴极电路板高压端顶层的边缘。通过将高压滤波电路设置为距离探测器阳极的距离最短，降低了噪声的影响，提高了信噪比。这种方式能够提高探测器的能量分辨率。
优选地，所述阴极电路板是柔性电路板。所述滤波电路设置于所述柔性电路板中。也就是说，滤波方式可以采用柔性PCB的滤波方式，即通过柔性PCB实现高压源与PCB顶层405的连接，在距离电压连接端口407最近的地方放置滤波电路。同样滤波方式可以采用有源滤波和无缘滤波，优选的选用无源滤波，减少滤波电路的元件个数，降低由于电子器件产生的热量对探测器性能的影响。在这种方式中，减小了滤波元器件对射线的阻挡，当射线阳极入射的情况下，滤波元件对射线的阻挡就不予考虑。
图5示出了本发明的多个探测器的级联(俯视图)示意图。如图5所示，本发明能够实现较多探测器模块的级联。现有技术中采用高压线与探测器阴极连接然后通过探测器阳极面的电路板引出，不能实现面阵的级联，同时级联的探测器模块之间的间隙也比较大。由于在以往的级联中，高压只进行了一次滤波就将所有的探测器模块连接到一起，由于高压线的加长，会大大增加系统的噪声。同时，高压线的裸露也会带来安全隐患。而采用如图5所示的级联结构图，可以实现半导体探测器的各种级联。
图6示出了通过柔性PCB为多个级联模块提供高压。如图6所示，如上图所示，在选用柔性PCB作为高压连接线的情况下，可以增大柔性PCB的宽度。这种情况下可以将滤波电路放置在柔性PCB上，接近阴极的PCB板的端口。柔性PCB布局上应该绕开探测器的顶部，在探测器的边缘，从而减少对射线的阻挡。本发明柔性PCB的形状不限，可以采用其他形状，结构的柔性PCB。
图7示出了一种半导体探测器的封装方法的流程图。所述半导体探测器包括：阳极电路板，包括读出芯片；阴极电路板，所述阴极电路板包括阴极电路板高压端顶层、阴极电路板底部连接层和填充在阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层之间的电介质，所述阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层通过过孔连接；探测器晶体，包括晶体主体、阳极和阴极，所述阳极与所述阳极电路板上的读出芯片相连。述方法包括：将所述阴极电路板高压端顶层连接半导体探测器的输入(S701)；以及通过所述阴极电路板底部连接层与所述探测器晶体的阴极直接接触而连接所述阴极和所述阴极电路板(S702)。
具体地，在所述阴极电路板高压顶层上设置滤波电路来实现对高压的滤波。
通过本发明的半导体探测器及其封装方法，可以对探测器晶体的高压端进行机械保护，降低高压带来的安全隐患，提高高压连接的稳固性；通过在距离探测器最近的地方添加滤波电路，能够降低高压带来的噪声，提高探测器的性能；通过调节阳极和阴极电路板的尺寸能够实现多个探测器的无缝级联。
尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。

Claims (10)

1.一种半导体探测器，包括：
阳极电路板，包括读出芯片；
阴极电路板，所述阴极电路板包括阴极电路板高压端顶层、阴极电路板底部连接层和填充在阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层之间的电介质，所述阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层通过过孔连接；
探测器晶体，包括晶体主体、阳极和阴极，所述阳极与所述阳极电路板上的读出芯片相连，
其中所述阴极电路板高压端顶层用于连接半导体探测器的输入，所述阴极电路板底部连接层与所述探测器晶体的阴极直接接触而连接所述阴极和所述阴极电路板，并且
其中在所述阴极电路板高压端顶层中设置滤波电路。
2.根据权利要求1所述的半导体探测器，其中所述探测器晶体是碲锌镉晶体。
3.根据权利要求1所述的半导体探测器，其中所述阴极电路板底部连接层采用导电胶的形式与所述阴极接触。
4.根据权利要求1所述的半导体探测器，其中所述滤波电路采用无源滤波。
5.根据权利要求1所述的半导体探测器，其中所述滤波电路设置于所述阴极电路板高压端顶层的边缘。
6.根据权利要求1所述的半导体探测器，包括多个过孔，所述过孔均匀地设置。
7.根据权利要求1所述的半导体探测器，其中所述阴极电路板高压端顶层通过焊接贴片插座或者直接焊接与外部高压源相连。
8.根据权利要求1所述的半导体探测器，其中所述阴极电路板是柔性电路板。
9.根据权利要求8所述的半导体探测器，其中所述滤波电路设置于所述柔性电路板中。
10.一种半导体探测器的封装方法，所述半导体探测器包括：
阳极电路板，包括读出芯片；
阴极电路板，所述阴极电路板包括阴极电路板高压端顶层、阴极电路板底部连接层和填充在阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层之间的电介质，所述阴极电路板高压端顶层和阴极电路板底部连接层通过过孔连接；
探测器晶体，包括晶体主体、阳极和阴极，所述阳极与所述阳极电路板上的读出芯片相连，
所述方法包括：将所述阴极电路板高压端顶层连接半导体探测器的输入，并且通过所述阴极电路板底部连接层与所述探测器晶体的阴极直接接触而连接所述阴极和所述阴极电路板，
其中在所述阴极电路板高压顶层上设置滤波电路来实现对高压的滤波。
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