CN109478556A - 检测器模块、检测器、成像设备和制造检测器模块的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测器模块，包括：直接转换晶体(10)，其用于将入射光子转换成电信号，所述直接转换晶体具有沉积在第一表面上的阴极金属化层(100)和沉积在第二表面上的阳极金属化层(101)；集成电路(12)，其与所述直接转换晶体电通信，所述集成电路具有小于所述直接转换晶体的宽度，因此在所述集成电路的侧表面处在宽度方向上形成凹部(120)；内插器(11、11a)，其布置在所述直接转换晶体与所述集成电路之间，以用于在两者之间提供电通信，其中，所述内插器被制造成单独的元件，其与所述直接转换晶体的面向所述集成电路的阳极金属化层(101)胶合、钎焊或接合；和多引线柔性线缆(13、13a、13b、13c、13d)，其提供多个输出路径，所述多引线柔性线缆具有利用一个表面与所述直接转换晶体连接并且利用相反表面与所述集成电路(12)连接的第一部分(131、131a、131b、131c、131d)以及相对于第一部分弯曲并且布置在所述凹部中的第二部分(132)。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测器模块、检测器、成像设备和制造检测器模块的方法。
背景技术
具有四侧可对接性的检测器模块是构建大面积检测器的先决条件，如用在X射线和CT成像设备(例如，用于医疗或工业成像)中的。对于能量集成检测器，这个问题通过使用(陶瓷)内插器(interposer)来解决，(陶瓷)内插器提供光电二极管阵列阳极触点到集成电路(通常为ASIC)的再分配，该集成电路小于(背照式)光电二极管阵列。在更先进的方法中，再分配功能在光电二极管阵列阳极的顶部上实施，使得可以避免(昂贵的)陶瓷内插器。这种更先进的方法导致在阳极触点与ASIC上的对应输入焊盘之间产生较短迹线长度。尽管较短迹线长度降低了ASIC的输入焊盘所见的电容性负载，并且因此有助于降低噪声，但是可用的模拟读出通道可以容易地处理由较长迹线长度引起的SNR。较短迹线长度可以允许降低ASIC的功耗，因为由于电容性负载降低而使SNR更高。
对于光子计数光谱检测器，如(例如)在CT系统中使用的，在直接转换晶体(例如，CZT)传感器像素与读出ASIC的输入焊盘之间的较长迹线长度是不可容忍的，因为所产生的噪声将以不可接受的方式限制能量分离(energy separation)能力；非常快的模拟放大器和显著更多的每面积像素限制了每像素的可用功率，使得与能量集成读出系统相比，只能容忍较小的电容性负载。然而，更重要的是，根据像素活动，长迹线也会引起像素间串扰。
提供具有最小迹线长度的互连的直接方法是设计具有TSV(穿硅通孔)的ASIC。尽管对于某些大宗产品(手机相机、堆叠式存储器装置，…)，可便宜地获得TSV，但是对于相对量少的复杂医疗成像装置，并不容易以可接受的价格获得TSV。另外，在TSV的情况下，ASIC必须与传感器一样大，即使在所选择CMOS技术中用于像素的电子器件和所有像素共用的电子器件可能不需要所有可用空间，因此昂贵的芯片面积可能会被浪费，而只是为了支持TSV提供的背面接触。最后，为了获得具有TSV且具有足够厚度的ASIC，以使其机械稳固(这在组装期间是有帮助的)，TSV处理必须在CMOS处理之后进行，这通常需要第二个供应商。
US 2010/327173 A1公开一种检测器模块，包括：直接转换晶体，该直接转换静态用于将入射光子转换成电信号，该直接转换晶体具有沉积在第一表面上的阳极层和沉积在第二表面上的阴极层；再分配层，该再分配层沉积在阳极层上，该再分配层被配置成使直接转换晶体的焊盘阵列布局适应预定的引线图案；集成电路，该集成电路与直接转换晶体电通信；和多个输入/输出电路径，该多个输入/输出电路径连接到再分配层以提供在成像模块与另一级互连件之间的连接性。可以将柔性尾线焊接到再分配层上的一个或多个对应的再分配周边焊盘，以为集成电路提供多个输入/输出电路径。
US 2009/080601 A1公开了一种CT检测器，包括：直接转换材料，该直接转换材料被配置成在接收x射线时产生电荷；多个金属化阳极，该多个金属化阳极被配置成收集在直接转换材料中产生的电荷；至少一个读出装置；和再分配层，该再分配层具有多个电通路，该多个电通路被配置成将电荷从多个金属化阳极引导到至少一个读出装置。
WO 2016/066850 A1公开了一种用于检测辐射信号的传感器装置。为了在维持四侧可对接能力的同时实现较高的信号完整性和成本效率，该传感器装置包括：传感器阵列，该传感器阵列包括多个检测器；传感器元件，该传感器元件用于将所接收的所述辐射信号转换成多个对应的电信号；内插器元件，该内插器元件在第一侧与第二侧之间侧向地延伸；和集成电路元件。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够在不使用TSV的情况下实现四侧可对接性并且可以容易且廉价地制造的检测器模块。本发明的另一目的是提供一种检测器、成像设备和制造检测器模块的方法。
在本发明的第一方面中，给出了一种检测器模块，包括：
-直接转换晶体，所述直接转换晶体用于将入射光子转换成电信号，所述直接转换晶体具有沉积在第一表面上的阴极金属化层和沉积在第二表面上的阳极金属化层，
-集成电路，所述集成电路与所述直接转换晶体电通信，所述集成电路具有小于所述直接转换晶体的宽度，因此在所述集成电路的侧表面处在宽度方向上形成凹部，
-内插器，所述内插器布置在所述直接转换晶体与所述集成电路之间以用于在两者之间提供电通信，其中所述内插器被制造成单独的元件，所述单独的元件与所述直接转换晶体的面向所述集成电路的阳极金属化层胶合、钎焊或接合，和
-多引线柔性线缆，所述多引线柔性线缆提供多个输出路径，所述多引线柔性线缆具有利用一个表面与所述直接转换晶体连接并且利用相反表面与所述集成电路连接的第一部分以及相对于所述第一部分弯曲并且布置在所述凹部中的第二部分。
在本发明的另一方面中，给出了一种包括多个如本文中所公开的检测器模块的检测器，所述检测器模块彼此毗邻地布置以形成检测器模块的平面阵列。
在本发明的另一方面中，给出了一种包括如本文中所公开的检测器的成像设备。
在本发明的另一方面中，给出了一种制造检测器模块的方法，包括：
-将内插器制造成单独的元件，
-通过胶合、钎焊或接合使所述内插器接触直接转换晶体的阳极金属化层，所述直接转换晶体被配置成将入射光子转换成电信号，所述直接转换晶体具有沉积在第一表面上的阴极金属化层和沉积在第二表面上的阳极金属化层，
-将集成电路布置在所述内插器的背离所述直接转换晶体的表面侧上，所述内插器提供所述集成电路与所述直接转换晶体之间的电通信，所述集成电路具有小于所述直接转换晶体的宽度，因此在所述集成电路的侧表面处在宽度方向上形成凹部，
-在所述凹部中布置多引线柔性线缆，所述多引线柔性线缆提供多个输出路径，其中所述多引线柔性线缆的第一部分利用一个表面与所述直接转换晶体连接并且利用相反表面与所述集成电路连接，并且将相对于所述第一部分弯曲的所述第二部分配置在所述凹部中。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的检测器、成像设备和方法具有与所要求保护的尤其是如从属权利要求中所定义的以及如本文中所公开的检测器模块类似和/或相同的优选实施例。
本发明的要素之一是细的多引线柔性线缆，其允许小的弯曲半径。由于弯曲半径小，仅需要很小的空间来容纳该柔性线缆，使得毗邻检测器模块之间的空间可以最小化或保持非常小(例如，200μm)，因为柔性线缆可以至少部分地(即，其第二部分)布置在该集成电路中所形成的凹部中。
本发明的另一要素是内插器的构造，该内插器尤其是最小化迹线长度的定制内插器，作为单独的元件，该内插器在单独的制造步骤中安装到直接转换晶体的阳极金属化层，即内插器不是沉积在直接转换晶体的阳极金属化层。在直接转换晶体上沉积再分配层是复杂的，因为晶体材料经常限制最大允许的处理温度；如果超过这个限制，则晶体的成像性能劣化。因此，与在US 2010/327173 A1中公开的检测器模块的制造过程相比，根据本发明，使用对各种元件的不同处理和不同的制造技术来制造检测器模块。
根据本发明，所述内插器被胶合、钎焊或接合到所述直接转换晶体的面向所述集成电路的阳极金属化层。这通常可以包括胶合、钎焊和接合中的任何形式，接合包括(例如)热压接合、室温接合、与胶合组合的柱形凸块接合等。这些形成接触并且将一个元件安装到另一元件的方式是便宜的并且允许轻松地处理这些元件。
在另一优选实施例中，所述集成电路被胶合、钎焊或接合到所述内插器的面向所述集成电路的表面。在这种情况下，柔性线缆的第一部分通常较短并且仅布置在内插器与集成电路之间的边缘部分处。
在另一实施例中，所述内插器包括空腔，并且所述多引线柔性线缆的第一部分至少部分地布置在所述空腔中。这提供了节省空间的布置结构。
内插器优选地被配置成刚性元件，该刚性元件提供检测器模块的稳定性。
在实施例中，所述多引线柔性线缆的第一部分内插在所述内插器与所述集成电路之间，以用于在两者之间提供电通信，优选地跨过所述集成电路的整个宽度提供电通信。这进一步改进了稳定性。因此，多引线柔性线缆也可以被用于在内插器与集成电路之间对信号进行再分配。
在另一实施例中，第一部分和所述内插器是集成的，从而形成柔性内插器。因此，可以在柔性内插器内部提供再分配。
优选地，检测器模块进一步包括散热器，该散热器布置在所述集成电路的背离所述内插器的表面上。这用于检测器模块、尤其是集成电路的冷却。
所述多引线柔性线缆的第一部分可以胶合、钎焊或接合到所述内插器的面向所述集成电路的表面。
在又一个实施例中，所述多引线柔性线缆的第一部分或所述内插器包括用于将所述直接转换晶体的晶体像素触点与所述集成电路的集成电路像素触点连接的再分配连接件。这提供了一种在所述不同像素之间提供连接件的简单但有效的方式。
附图说明
参照下文中描述的(多个)实施例，本发明的这些和其它方面将变得明显并得以阐明。在以下附图中
图1示出了检测器模块的第一实施例的横截面视图，
图2示出了检测器模块的第二实施例的横截面视图，
图3示出了检测器模块的第三实施例的横截面视图，
图4示出了检测器模块的第四实施例的横截面视图，
图5示出了检测器模块的第五实施例的横截面视图，
图6示出了检测器模块的第六实施例的横截面视图，
图7示出了检测器模块的第七实施例的横截面视图，和
图8示出了包括两个根据第一实施例的检测器模块的检测器的实施例的横截面视图。
具体实施方式
图1示出了检测器模块1的第一实施例的横截面视图。它包括(例如)由CZT和/或CdTe或其它材料制成的直接转换晶体10(以下也被称为DiCo)，直接转换晶体10用于将入射光子转换成电信号。直接转换晶体具有沉积在第一表面上的阴极金属化层100(也被称为阴极层)和沉积在第二表面上的阳极金属化层101(也被称为阳极层)。
检测器模块1进一步包括与所述直接转换晶体10电通信的集成电路12(例如，ASIC)。在这个实施例中，提供了两个集成电路12、12’，每个集成电路都具有凹部120、120’，但这通常不是必需的。集成电路具有小于所述直接转换晶体的宽度，并且因此在一个侧表面处在宽度方向上形成凹部120。
内插器11布置在所述直接转换晶体10与所述(多个)集成电路12、12’之间，以用于在两者之间提供电通信。内插器11是刚性元件，并且被制造成与直接转换晶体10的面向所述集成电路12、12’的阳极金属化层101接触的单独元件。在这个实施例中，内插器11通过钎料球14钎焊到所述直接转换晶体10的阳极金属化层101。内插器11进一步通过钎料球15钎焊到ASIC 12、12’的面向直接转换晶体10的表面。只要内插器11可以作为单独的元件形成和处理，除了钎焊之外的其它形成连接的方式也是可能的。例如，可以使用胶合、钎焊和接合中的任何形式，接合包括(例如)热压接合、室温接合、柱形凸块接合等。
优选地，刚性内插器11具有再分配功能，并且还可以称为RDL内插器。为了这个目的，它包括再分配连接件16。因此，刚性内插器11将ASIC12、12’的像素触点连接到直接转换晶体10的像素。
提供多引线柔性线缆13、13’(在这个实施例中，提供了两个柔性线缆13、13’，这通常不是必需的)，这样提供多个输出路径。多引线柔性线缆13、13’各自具有连接到所述直接转换晶体10的第一部分131、131’和相对于第一部分131、131’弯曲的第二部分132、132’。所述第一部分131、131’在沿着集成电路的宽度并且垂直于集成电路的长度的方向上布置。所述第二部分132、132’布置在相应的凹部120、120’中。柔性线缆(例如，具有Cu迹线)13、13’可以由(例如)聚酰亚胺制成，并且因此可以具有非常小的弯曲半径。柔性线缆13、13’接触将ASIC 12、12’连接到外部世界的ASIC I/O/P(输入/输出/电源)焊盘。
为了借助于钎料球实现接触，可以施用球尺寸和熔化温度的层级。用不同的钎焊合金可以实现温度层级：柔性线缆13、13’首先用在T1处熔化的合金15a钎焊，然后内插器11利用在小于T1的T2处熔化的钎料球15接触ASIC 12、12’的像素，并且在最后的步骤中，无论如何必须在低温处进行处理的DiCo晶体10利用在小于T2的T3处熔化的钎料球14接触内插器11的顶侧焊盘。
可选地，如图1中所示，共用散热器17(例如，铝块)设置在ASIC 12、12’的背离所述内插器11的表面121上。从背离ASIC 12、12’的表面一侧，可以出于冷却目的提供气流18。
图2示出了检测器模块2的第二实施例的横截面视图。与检测器模块1的第一实施例不同，检测器模块2包括单个ASIC 12和单个柔性线缆13。空腔111形成在内插器11的表面110中。柔性线缆13的第一部分131布置在空腔111中。空腔111可能增加内插器11的成本，但是在检测器模块2的这个实施例中，仅需要熔化温度的层级，因为内插器11中的空腔111(或铣削区域)提供了使用与钎料球15和15a相同的球尺寸所需的空间。
在检测器模块1和2的较短的柔性线缆11、11’的情况下，机械稳定性受到限制，因为少数钎料球15a必须接受在弯曲的柔性线缆11、11’的弯曲过程中施加的力。刚性RDL内插器11可以(例如)由陶瓷或玻璃制成。
图3示出了检测器模块3的第三实施例的横截面视图，检测器模块3包括由柔性材料制成的1对1内插器(即，没有RDL功能)。因此，这个1对1内插器131a由柔性线缆13a的第一部分形成。在1对1内插器131a的顶部上，通过使用钎料球19钎焊来安装刚性RDL内插器11。
柔性线缆13a仍然满足将I/O/P触点带到检测器模块3的外部世界的目的。在RDL内插器11的顶部上，DiCo材料10通过钎料球14钎焊。在这种情况下，由于非常长的柔性线缆13a，柔性部分的机械稳定性被最大化。缺点可能是在1对1内插器131a下方和上方的两组钎料球15、19。同样在这个实施例中，可能需要具有三个不同熔化温度的熔化温度层级。
图4示出了检测器模块4的第四实施例的横截面视图。柔性内插器131b(即，柔性线缆13b的第一部分)在这个实施例中也实施了RDL功能，即，它组合了柔性线缆的第一部分(1对1内插器)和刚性内插器的功能。如果检测器模块4由陶瓷制成，则这样的检测器模块4甚至可以表现比使用刚性RDL内插器的检测器模块更好的串扰减少。
通过在DiCo晶体10与柔性内插器131b之间的一排钎料球14形成的连接必须承受弯曲期间施加的力，这在两个方面至关重要：钎料连接可能断裂和/或相当脆的DiCo晶体10可能在弯曲期间被损坏和/或晶体材料可能从DiCo晶体块中被撕裂。此外，由于接近连接钎料球的DiCo晶体边缘，所需的模块间空间(即，毗邻检测器模块之间的空间)可能比第一实施例中的稍大，在第一实施例中，刚性内插器11在ASIC 12上方延伸，并且“保护”在内插器11与DiCo晶体10之间的第一排钎料球14。如果第一排DiCo晶体阳极非常靠近DiCo晶体10的边缘，则情况尤其如此。因为DiCo晶体阳极通常比用于互连的区域大得多，出于获得一些弯曲空间的目的，第一排中的钎焊掩模可以朝向DiCo晶体的内侧移位。也就是说，保持阳极的间距，但是第一排上的钎料球14有意地移位，从而导致与后续排的间距略小。
图5示出了检测器模块5的第五实施例的横截面视图。在这个实施例中，通过将1对1柔性线缆13c(尤其是其第一部分131c)接合到刚性RDL内插器11，可以甚至更好地解决后一问题。为了获得这样的接合，存在多种方法，该方法包括：
·用ACF(各向异性导电胶)胶合两个基底，只要所产生的串联电阻保持较低(例如，<10欧姆)；
·热压接合；
·室温接合(由商业供应商提供)；在这种接合工艺中，激光局部加热彼此接触的两个部分的表面，从而产生等离子体层，该等离子体层然后形成接合。这种工艺不仅接合基底，还产生电连接件(参见理查德·比拉德(Richard Bijlard)的“No-Compromise multi-material solutions with ATB ambient temperature bonding(具有ATB环境温度接合的无妥协多材料解决方案)，CMN，第8卷，第7号”。
刚性RDL内插器11很好地保护了第一排钎料球14。缺点可能是刚性RDL内插器11的串扰电容较大，如果它是用陶瓷制造的，受到上文所提及的所允许的迹线密度的限制；接合到柔性1对1内插器13c的由玻璃制成的RDL内插器的组合将提供较低的交叉耦合电容，因此是一种良好的解决方案，因为DiCo晶体10在弯曲期间受到很好的保护以免受力的影响，并且内插器11防止将钎料球从DiCo晶体10上拉下来。
图6示出了检测器模块6的第六实施例的横截面视图，检测器模块6利用相反的组合，即，低温接合到刚性1对1内插器11a的柔性RDL内插器131d。这在降低柔性内插器的串扰电容方面提供了优势，并且消除了由于弯曲而损坏脆性DiCo晶体10的风险。可能仍然存在的问题是，在弯曲期间，施加到钎料球14的第一排14a的力会损坏1对1内插器11a(由陶瓷或玻璃制成)与柔性线缆13d之间的接合连接。通过仅在第一排14a处在1对1内插器11a中引入较小的RDL功能性，可以显著缓解这个问题。在这个选项中，陶瓷1对1内插器11a可以与柔性线缆13d组合使用；玻璃由于其机械性能而在旋转台架上可能不够可靠。
图7示出了检测器模块7的第七实施例的横截面视图。在这个实施例中，柔性内插器131d通过一排钎料球20接触刚性内插器11a。
图8示出了包括两个根据第一实施例(替代性地，根据任何其它实施例)的检测器模块1、1’的检测器50的实施例的横截面视图。如图8中所示，检测器模块1、1’可以彼此毗邻地布置，彼此非常靠近，其中间几乎没有空的空间。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但这样的图示和描述被认为是图示性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员在实践所主张的本发明时，能够理解并实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
在权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。
Claims (13)
1.一种检测器模块，包括：
-直接转换晶体(10)，所述直接转换晶体用于将入射光子转换成电信号，所述直接转换晶体具有沉积在第一表面上的阴极金属化层(100)和沉积在第二表面上的阳极金属化层(101)，
-集成电路(12)，所述集成电路与所述直接转换晶体电通信，所述集成电路具有小于所述直接转换晶体的宽度，因此在所述集成电路的侧表面处在宽度方向上形成凹部(120)，
-内插器(11、11a)，所述内插器布置在所述直接转换晶体与所述集成电路之间以用于在两者之间提供电通信，其中所述内插器被制成单独的元件，所述单独的元件与所述直接转换晶体的面向所述集成电路的所述阳极金属化层(101)胶合、钎焊或接合，和
-多引线柔性线缆(13、13a、13b、13c、13d)，所述多引线柔性线缆提供多个输出路径，所述多引线柔性线缆具有利用一个表面与所述直接转换晶体连接并且利用相反表面与所述集成电路(12)连接的第一部分(131、131a、131b、131c、131d)，以及相对于所述第一部分弯曲并且布置在所述凹部中的第二部分(132)。
2.根据权利要求1所述的检测器模块，其特征在于，
所述集成电路(12)被胶合、钎焊或接合到所述内插器(11)的面向所述集成电路的表面(110)。
3.根据权利要求1所述的检测器模块，其特征在于，
所述内插器(11)包括空腔(111)，并且所述多引线柔性线缆(13)的所述第一部分(131、131a、131b、131c、131d)至少部分地布置在所述空腔中。
4.根据权利要求1所述的检测器模块，其特征在于，
所述内插器(11、11a)被配置成刚性元件。
5.根据权利要求1所述的检测器模块，其特征在于，
所述多引线柔性线缆(13a、13c、13d)的所述第一部分(131、131a、131c、131d)被内插在所述内插器与所述集成电路之间，以用于在两者之间提供电通信。
6.根据权利要求5所述的检测器模块，其特征在于，
所述多引线柔性线缆(13a、13c、13d)的所述第一部分(131、131a、131c、131d)跨过所述集成电路的整个宽度内插在所述内插器与所述集成电路之间。
7.根据权利要求1所述的检测器模块，其特征在于，
所述第一部分和所述内插器被集成，从而形成柔性内插器(131b、131d)。
8.根据权利要求1所述的检测器模块，其特征在于，
所述检测器模块还包括散热器(17)，所述散热器布置在所述集成电路(12)的背离所述内插器(11、11a)的表面(121)上。
9.根据权利要求5或7所述的检测器模块，其特征在于，
所述多引线柔性线缆(13a、13b、13c、13d)的所述第一部分(131、131a、131b、131c、131d)被胶合、钎焊或接合到所述内插器(11、11a)的面向所述集成电路的表面(110)。
10.根据权利要求1所述的检测器模块，其特征在于，
所述多引线柔性线缆(13a、13b、13c、13d)的所述第一部分(131b、131d)或所述内插器(11)包括再分配连接件(16、16b)，所述再分配连接件用于连接所述直接转换晶体(10)的晶体像素触点(14)和所述集成电路的集成电路像素触点(15)。
11.一种包括多个根据权利要求1所述的检测器模块(1、1’)的检测器(50)，所述检测器模块彼此毗邻地布置以形成检测器模块的平面阵列。
12.一种包括根据权利要求11所述的检测器(50)的成像设备。
13.一种制造根据权利要求1所述的检测器模块的方法，所述方法包括：
-将内插器(11、11a)制造成单独的元件，
-通过胶合、钎焊或接合使所述内插器(11、11a)接触直接转换晶体(10)的阳极金属化层(101)，所述直接转换晶体(10)被配置成将入射光子转换成电信号，所述直接转换晶体具有沉积在第一表面上的阴极金属化层(100)和沉积在第二表面上的阳极金属化层(101)，
-将集成电路(12)布置在所述内插器的背离所述直接转换晶体的表面侧(110)上，所述内插器提供所述集成电路与所述直接转换晶体之间的电通信，所述集成电路具有小于所述直接转换晶体的宽度，因此在所述集成电路的侧表面处在宽度方向上形成凹部(120)，
-在所述凹部中布置多引线柔性线缆(13、13a、13b、13c、13d)，所述多引线柔性线缆提供多个输出路径，其中所述多引线柔性线缆的第一部分(131、131a、131b、131c、131d)利用一个表面与所述直接转换晶体连接并且利用相反表面与所述集成电路(12)连接，并且将相对于所述第一部分弯曲的所述第二部分布置在所述凹部中。
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