CN111149208A - 集成辐射探测器设备 - Google Patents

Abstract

根据实施例，一种设备包括：闪烁体层，其被配置为将x射线或伽马射线光子转换成可见光的光子；光电二极管层，其被配置为将闪烁体层产生的可见光转换成电流；集成电路IC层，其位于光电二极管层下方，并被配置为接收和处理电流；其中使用引线接合将IC层的电触点连接到光电二极管层的电触点；并且其中引线接合被保护材料覆盖，同时IC层的底部至少部分地暴露。其他实施例涉及包括根据该设备的瓦片的阵列的探测器，以及包括x射线源和探测器的成像系统。

Description

集成辐射探测器设备

技术领域

本发明涉及一种在辐射探测器模块中使用的探测器结构。

背景

基于闪烁体的探测器和探测器阵列用于辐射成像，以便将高能辐射(例如，x射线或伽马射线光子)转换成电荷。它们通常由闪烁体层、安装在衬底上的光电二极管层和集成电路IC组成，集成电路分析和处理由光电二极管层中的像素产生的电流。该IC可以是简单的模数转换器或更复杂的专用集成电路ASIC。

为了提高性能、降低成本和减小物理尺寸，可能需要将IC定位成物理上靠近光电二极管层。这通常是通过将IC附接到与光电二极管层相同的衬底的相对侧来实现的。完成这种附接的一种简单方法是将封装的表面安装IC焊接到衬底上的焊盘上。然而，该工艺包括不必要的步骤且浪费材料，因为例如IC的封装已经包括IC被附接到其上的衬底，并且该衬底包括用于将IC焊接到探测器衬底上的接触焊盘。

概述

提供本概述来以简化形式介绍在以下详细描述中将进一步描述的概念的选择。本概述不旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦不旨在用于限定要求保护的主题的范围。

目的是提供一种探测器设备。该目的通过独立权利要求的特征来实现。在从属权利要求中限定了一些实施例。根据实施例，一种设备包括：闪烁体层，其被配置成将x射线或伽马射线光子转换成可见光的光子；光电二极管层，其被配置成将由闪烁体层生成的可见光转换成电流；集成电路IC层，其位于光电二极管层下方，并被配置为接收和处理电流；其中，使用引线接合(wire-bonding)将IC层的电触点连接到光电二极管层的电触点；并且其中引线接合被保护材料覆盖，同时使IC层的底部至少部分地暴露。两个层的引线接合避免了对额外衬底的需要。此外，使IC层的底部暴露可以显著改善设备的热传导。

在第一方面的另一实施方式中，该设备还包括位于IC层下方的散热器，用于改善散热。

在第一方面的其他实施方式中，IC层的底表面与散热器直接接触，以进一步改善从IC层到散热器的热传导。

此外，在第一方面的另一实施方式中，散热器可以被配置为加固物(stiffener)，这消除了对其他支撑结构或厚刚性衬底的需要。

在第一方面的又一实施方式中，该设备可以包括光电二极管层和IC层之间的x射线阻挡层，用于保护IC层内部的电子器件。

在第一方面的又一实施方式中，IC层的电触点直接连接到光电二极管层的电触点，这可以减小设备的尺寸。

在第一方面的其他实施方式中，光电二极管层还包括再分布层(redistributionlayer)，这可以使层的连接更容易并简化设备的制造。

在第一方面的另一实施方式中，使用薄膜辅助模制(film-assisted moulding)来覆盖引线接合，这允许对保护材料的分布进行更精细的控制。

另外，在第一方面的另一实施方式中，IC层包括堆叠的IC芯片的多个层，这使得设备更加紧凑。

其他实施例涉及包括根据该设备的瓦片(tiles)的阵列的探测器，以及包括x射线源和探测器的成像系统。

许多伴随的特征将更容易被认识到，因为通过参考结合附图考虑的以下详细描述它们变得更好理解。

附图说明

本描述从根据附图阅读的以下详细描述中将会得到更好的理解，在附图中：

图1示出了根据实施例的辐射探测器设备的横截面侧视图的示意表示，其显示了闪烁体层、光电二极管层、衬底、x射线阻挡层、读出集成电路和引线接合；

图2示出了探测器设备的另一个实施例的示意表示，其中保护材料覆盖引线接合；

图3示出了探测器设备的另一个实施例的示意表示，其中保护材料覆盖引线接合，并且该设备还包括与IC芯片直接接触的散热器；

图4示出了探测器设备的另一个实施例的示意表示，其中IC层包括堆叠的IC芯片的多个层。

图5示出了辐射探测器设备的另一个实施例的示意表示，其中x射线阻挡层、IC层和引线接合已经用保护材料覆盖；

图6示出了探测器设备的另一个实施例的示意表示，其中该设备还包括散热器；

图7示出了被配置成实施例的薄膜辅助模制工艺的示意表示；和

图8示出了包括多个辐射探测器设备的辐射探测器阵列的实施例的示意图。

在附图中，相同的标记用于表示相同的部件。

详细描述

以下结合附图所提供的详细描述旨在作为实施例的描述，而不旨在表示可以构造或使用该实施例的唯一形式。然而，相同或等效的功能和结构可由不同的实施例完成。

在下面的描述中，诸如下面、上面和垂直等方向术语仅用于清楚地指代设备的不同部件在附图中描绘设备的定向上的相对位置。

根据实施例，探测器包括闪烁体层、光电二极管层、衬底和集成电路IC层。闪烁体层将入射的高能电磁辐射转换成可见光，而光电二极管层又将可见光转换成电流。使用导体将这些电流传送通过衬底到达IC层，并且由IC层中的IC芯片处理这些电流的分析。IC芯片可以指单独制造的独立IC设备。例如，这些芯片可以是简单的模数转换器或更复杂的专用集成电路ASIC。

IC芯片的连接器使用引线接合被连接到衬底层的导体。通过用保护材料覆盖引线接合，可以保护引线接合免受腐蚀、机械应变和短路的影响。然而，为了不干扰由光电二极管层和IC芯片产生的热量的消散，保护材料覆盖IC芯片的尽可能小的一部分，同时仍然充分保护引线接合。由于IC层的一部分是暴露的，因此散热器可以与IC层的底表面直接接触。另外，散热器可以被配置为对整个设备提供结构支撑并保持设备平坦的加固物。

当封装的IC芯片以传统方式焊接到衬底上时，封装包括实际IC被引线接合到其上的衬底，并且该衬底又包括焊接中使用的接触焊盘。既然IC芯片使用引线接合直接连接到光电二极管层的像素，因而不需要任何额外的衬底。因此，在制造中需要更少的材料，这可以降低设备的成本和尺寸。另外，由于IC芯片的表面可以保持暴露，同时仍然保护引线接合，因此可以提高设备的散热能力。最后，由于散热器用作加固物，因此不需要额外的支撑结构或刚性陶瓷衬底，这可以进一步降低设备的成本和尺寸。

图1示出了根据实施例的部分组装的辐射探测器设备的横截面侧视图的示意表示，其显示了闪烁体层11、光电二极管层1、衬底2、x射线阻挡层3、两个IC芯片4和引线接合5。

闪烁体层11被配置成将高能电磁辐射(诸如x射线或伽马射线)转换成可见光。光电二极管层1又被配置成将可见光的这些光子转换成电荷。当在垂直方向上在光电二极管层1上施加偏置电压时，生成的电荷沿着该偏置移动，并且生成电流。由于电荷生成的速率取决于入射电磁辐射的强度，因此在光电二极管层1的不同部分中生成的电流是不同的。因此，通过在光电二极管层1下面引入电导体的阵列，可以测量电流分布，并且该信息又可以用于构建入射高能辐射的图像，其中每个导体中的电流量充当图像中的像素。

除了作为其上沉积光电二极管层1的基础之外，光电二极管层1下面的衬底2还用作再分布层，其将导体从光电二极管层1中的像素路由到衬底2的底侧上的电触点。这些触点被定位成使得它们与IC层中的IC芯片4的触点的位置一致。另外，也可以通过将附加的连接器引入到例如衬底2的底表面中的IC芯片没有覆盖衬底2的区域，使用衬底层2将来自IC芯片4的输出信号从设备中引出。IC芯片4的电触点使用引线接合5连接到衬底的底表面上的触点，使得IC芯片电连接到光电二极管层中的像素。应当注意，尽管图中仅示出了两个IC芯片4，但这仅仅是一个示例，并且IC芯片的数量通常可以明显更高。这同样适用于引线接合5。尽管对于每个IC芯片仅描绘了两个引线接合5，但是通常需要更高数量的引线接合来将单个IC芯片4连接到光电二极管层的像素。另外，为了保护IC芯片内部的电子器件免受高能电磁辐射影响，在衬底2和IC芯片4之间存在x射线阻挡层3。该层可以包括例如钨。

图2示出了根据实施例的类似于图1的另一组装的辐射探测器设备的横截面侧视图的示意表示。然而，现在引线接合5被保护材料6覆盖。

保护材料6保护引线接合5免受腐蚀、机械应变和短路影响。材料6仅覆盖引线接合5和在衬底2、阻挡层3以及IC芯片4中的位于引线接合5附近的部分，而衬底2和IC芯片4的大部分表面区域保持暴露。这种对保护材料分布的精确控制可以通过使用例如薄膜辅助模制FAM来实现。

图3是根据实施例的完整的辐射探测器设备的横截面侧视图的示意表示。与图4的设备相比，该设备还包括散热器7。

散热器7可以与IC芯片4的表面直接接触，因为保护材料6仅覆盖IC芯片表面的一小部分。因此，改善从IC芯片到散热器的热传递是可能的，并且因此改善了整个设备的散热。另外，散热器可被配置为用作加固物，以向设备提供结构支撑并保持设备平坦，这消除了对任何附加结构支撑(诸如，刚性陶瓷衬底)的需要。

图4示出了根据实施例的辐射探测器设备的横截面侧视图的示意表示，其中多个IC芯片4’堆叠在彼此的顶部，并且其中IC芯片4’使用每个堆叠的芯片对之间的间隔物8彼此分离。

像单个IC芯片一样，堆叠的IC芯片4’中的每一个被引线接合到衬底2的底侧上的电触点。此外，在IC芯片4’的堆叠和衬底2之间仅使用单个x射线阻挡层3。虽然在图中只描绘了两个堆叠的IC芯片4’，但这只是一个示例，并且堆叠的IC芯片4’的数量可以更高。

通过将多个IC芯片堆叠在彼此的顶部上，与非堆叠配置相比，芯片占据的总表面积可以减小。因此，例如，需要使用更少量的保护材料，并且衬底的尺寸可以更小，这可以降低制造成本并且使得更小的设备成为可能。

图5示出了根据实施例的部分组装的辐射探测器设备的替代实施方式的横截面侧视图的示意表示，其中除了引线接合5之外，保护材料6覆盖IC芯片4的整个表面区域。

由于整个IC芯片4被保护材料覆盖，因此保护材料的分布不需要像图3所示的实施例那样精确地控制。因此，制造工艺可以比前面提出的实施方式简单得多。

图6示出了根据实施例的辐射探测器设备的另一可选实施例的横截面侧视图的示意表示，其中保护材料6覆盖IC芯片4的整个表面区域，并且设备还包括散热器7。

由于保护材料6覆盖IC芯片4的整个表面，因此散热器7不能与芯片4直接接触。因此，该设备的散热比图3所提出的实施例差。然而，除了上述保护材料的更容易模制之外，将散热器7附接在平坦表面上可以明显更简单，这可以进一步简化制造工艺。另外，散热器7的顶表面也可以是平的，这可以简化散热器的制造。

图7示出了根据实施例的薄膜辅助模制FAM工艺的示意表示。该工艺包括衬底2、IC芯片4、引线接合5、保护材料6、两个特氟隆基薄膜8、两个模具9和动态插件10。

在FAM工艺中，特氟隆基薄膜8被吸到模具9的内表面上。模具填充有保护材料，同时动态插件10被压到IC芯片4上，并且插件的压力被连续监控和调节。在该工艺期间，保护材料6硬化，并且IC芯片4的顶表面由于动态插件10而暴露。

图8示出了根据实施例的辐射探测器设备100的阵列的示意表示。应当注意，阵列中的设备100的数量和阵列的形状可以变化。

将理解的是，上面描述的益处和优点可以涉及一个实施例或可以涉及若干实施例。实施例不限于解决任何或全部所陈述的问题的那些实施例或具有任何或全部所陈述的益处和优点的那些实施例。还将理解的是，对“一个(an)”项目的引用指的是那些项目中的一个或更多个。

本文描述的方法的步骤可以按照任何适当的顺序被执行或在适当时同时被执行。另外，各个块可以从任何方法中删除而不偏离本文描述的主题的精神和范围。上面描述的任何示例的方面可以与所描述的其它示例中的任一个的方面组合以形成另外的示例，而不失去所寻求的效果。

术语“包括”在本文中用于意指包括所识别的方法块或元件，但这样的块或元件并不包括独有列表，且方法或装置可包含额外的块或元件。

将理解，上述描述仅作为示例被给出，以及各种修改可由本领域中的技术人员做出。上述说明书、示例以及数据提供结构的完整描述和示例性实施例的用途。虽然上面以某个详细程度或参考一个或更多个单独的实施例描述了各种实施例，但是本领域中的技术人员可对所公开的实施例进行很多变更而不偏离本发明的精神或范围。

Claims (12)

1.一种设备，包括：

闪烁体层，所述闪烁体层被配置为将x射线或伽马射线光子转换成可见光的光子；

光电二极管层，所述二极管层被配置为将所述闪烁体层产生的可见光转换成电流；

集成电路IC层，所述IC层位于所述光电二极管层下方，并被配置为接收和处理所述电流；

其中，所述IC层的电触点使用引线接合被连接到所述光电二极管层的电触点；

并且其中，所述引线接合被保护材料覆盖，同时所述IC层的底部至少部分地暴露。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括位于所述IC层下方的散热器。

3.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述IC层的底表面与所述散热器直接接触。

4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述散热器还被配置为加固物。

5.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述设备还包括位于所述光电二极管层和所述IC层之间的x射线阻挡层。

6.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述IC层的电触点直接连接到所述光电二极管层的电触点。

7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述光电二极管层还包括再分布层。

8.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述引线接合使用薄膜辅助模制来覆盖。

9.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述IC层包括堆叠的IC芯片的多个层。

10.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述设备包括瓦片。

11.一种探测器，其包括根据任一前述权利要求的瓦片的阵列。

12.一种成像系统，包括：

高能辐射源；

根据任一前述权利要求所述的探测器。

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