CZ310034B6 - A method of producing electrically conductive connections with 3D arrangement between the components of an ionizing radiation detector and a detector with electrically conductive connections made using such method - Google Patents
A method of producing electrically conductive connections with 3D arrangement between the components of an ionizing radiation detector and a detector with electrically conductive connections made using such method Download PDFInfo
- Publication number
- CZ310034B6 CZ310034B6 CZ2018-535A CZ2018535A CZ310034B6 CZ 310034 B6 CZ310034 B6 CZ 310034B6 CZ 2018535 A CZ2018535 A CZ 2018535A CZ 310034 B6 CZ310034 B6 CZ 310034B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- electrically conductive
- printed circuit
- circuit board
- chip
- electrical contacts
- Prior art date
Links
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 title claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 39
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 22
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 30
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 18
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 18
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 18
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 18
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 13
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 6
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 11
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 abstract 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 2
- QWUZMTJBRUASOW-UHFFFAOYSA-N cadmium tellanylidenezinc Chemical compound [Zn].[Cd].[Te] QWUZMTJBRUASOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 2
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 2
- MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 5-phenyl-2h-tetrazole Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=NNN=N1 MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003848 UV Light-Curing Methods 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000006023 eutectic alloy Substances 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- RHZWSUVWRRXEJF-UHFFFAOYSA-N indium tin Chemical compound [In].[Sn] RHZWSUVWRRXEJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- LQBJWKCYZGMFEV-UHFFFAOYSA-N lead tin Chemical compound [Sn].[Pb] LQBJWKCYZGMFEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 150000003071 polychlorinated biphenyls Chemical class 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003685 thermal hair damage Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
- G01T1/243—Modular detectors, e.g. arrays formed from self contained units
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
- G01T1/244—Auxiliary details, e.g. casings, cooling, damping or insulation against damage by, e.g. heat, pressure or the like
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
- H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
- H01L21/76898—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics formed through a semiconductor substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14636—Interconnect structures
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Description
Způsob výroby elektricky vodivých spojů s 3D uspořádáním mezi komponentami detektoru ionizujícího záření a detektor s elektricky vodivými spoji vyrobenými tímto způsobemA method of producing electrically conductive joints with a 3D arrangement between components of an ionizing radiation detector and a detector with electrically conductive joints made in this way
Oblast technikyField of technology
Vynález se týká způsobu výroby elektricky vodivých spojů s 3D uspořádáním v detektoru ionizujícího záření tvořeného tepelně a mechanicky zranitelnými komponentami vyžadujícími přesnou montáž, a dále se vynález týká detektoru ionizujícího záření s elektricky vodivými spoji vyrobenými tímto způsobem.The invention relates to a method of producing electrically conductive joints with a 3D arrangement in an ionizing radiation detector consisting of thermally and mechanically vulnerable components requiring precise assembly, and further, the invention relates to an ionizing radiation detector with electrically conductive joints produced in this way.
Dosavadní stav technikyCurrent state of the art
V současné době čtvrté průmyslové revoluce se k přenosu elektrické energie a elektrických signálů mezi jednotlivými komponenty elektrických zařízení stále v největší míře používají elektricky vodivé pájky. Pájkou je z pravidla kov, nebo eutektická slitina kovů, mající nižší teplotu tání, než je teplota tání spojovaných materiálů. Díky této podmínce, se pájka při působení tepla roztaví, aniž by došlo k natavení spojovaných materiálů.Currently, in the fourth industrial revolution, electrically conductive solders are still widely used to transfer electrical energy and electrical signals between individual components of electrical equipment. As a rule, solder is a metal or a eutectic alloy of metals, having a lower melting point than the melting point of the materials to be joined. Thanks to this condition, the solder melts under the influence of heat without melting the joined materials.
Nevýhody pájení spočívají v tom, že teplo pro roztavení pájky se šíří do bezprostředního okolí, přičemž může dojít k tepelnému poškození okolních materiálů, včetně jejich struktur. Například může dojít k opětovnému natavení již vytvořených pájených spojů, nebo k degradaci okolního materiálu působením sil zapříčiněných teplotní roztažností materiálu atp.Disadvantages of soldering are that the heat to melt the solder spreads to the immediate surroundings, which can cause thermal damage to surrounding materials, including their structures. For example, there may be remelting of already formed solder joints, or degradation of the surrounding material due to forces caused by thermal expansion of the material, etc.
Alternativou k elektricky vodivým pájkám jsou elektricky vodivá lepidla, která nemusí být pro vytvoření elektricky vodivého spoje roztavena. Nevýhody elektricky vodivých lepidel spočívají v tom, že vykazují nižší elektrickou vodivost než pájky, a že se v některých případech musejí vytvrzovat působením světelného záření, např. v rozsahu vlnových délek UV světla. Naproti tomu pájka může být roztavena i v místech, kam se přímé osvětlení pro zastínění pájenými komponentami nedostane. V těchto případech tedy elektricky vodivá lepidla vyžadující vytvrzení UV světlem nelze použít.An alternative to electrically conductive solders are electrically conductive adhesives, which do not need to be melted to form an electrically conductive joint. Disadvantages of electrically conductive adhesives are that they exhibit lower electrical conductivity than solders, and that in some cases they must be cured by the action of light radiation, e.g. in the range of wavelengths of UV light. On the other hand, the solder can be melted even in places where direct lighting cannot reach for shading by the soldered components. In these cases, electrically conductive adhesives requiring UV light curing cannot be used.
V současné době jsou známé zobrazovací detektory ionizujícího záření, které jsou určeny pro intenzivně zdokonalované zobrazovací a diagnostické metody využívající ionizující záření, a které nacházejí čím dál více uplatnění v nejrůznějších technických i netechnických oborech od nedestruktivního testování kvality výrobků v průmyslu, až po diagnostické zobrazovací metody v medicíně. Prudký rozvoj těchto metod souvisí s digitalizací celého procesu snímání a zpracování obrazu. Vývoj nových plně digitálních obrazových snímačů je nutným předpokladem k dalšímu růstu kvality poskytované obrazové informace a to, jak ve 2D, tak ve 3D.Currently, imaging detectors of ionizing radiation are known, which are intended for intensively improved imaging and diagnostic methods using ionizing radiation, and which find more and more applications in various technical and non-technical fields, from non-destructive testing of product quality in industry to diagnostic imaging methods in medicine. The rapid development of these methods is related to the digitization of the entire image capture and processing process. The development of new fully digital image sensors is a necessary prerequisite for further growth in the quality of provided image information, both in 2D and 3D.
Nastupujícím typem zobrazovacích detektorů radiace jsou polovodičové detektory s přímou konverzí dopadajícího záření na elektrický signál. Konverze probíhá v objemu každého elementu (pixelu) polovodičového sensoru, ve kterém každé kvantum detekované radiace (např. každý foton rentgenového záření) vytvoří ionizací elektrický náboj, jenž může být následně přímo digitalizován v připojeném elektronickém obvodu specializovaného elektronického čipu, nebo akumulován v paměťové kapacitě. Každý pixel může být vybaven nezávislým elektrickým obvodem pro zpracování jednotlivých elektrických nábojů vytvořených jednotlivými kvanty záření. Tímto způsobem lze digitalizovat informaci o každém dopadajícím kvantu dopadajícího záření zvlášť (tj. například pro každý foton rentgenového nebo gama záření). Obrazová informace tedy již nemusí být akumulována v průběhu exposiční doby analogově, ale registrována digitálně například ve formě počtu částic (např. fotonů), které na pixel dopadly. V některých rozšířeních lze zaznamenat nejen počet dopadajících částic, ale i jejich další vlastnosti jako je energetické spektrum nebo čas detekce. Polovodičové detektory s přímou konverzí jsou vyráběny jednak jako monolitické, nebo jako hybridní.An emerging type of imaging radiation detectors are semiconductor detectors with direct conversion of incident radiation into an electrical signal. The conversion takes place in the volume of each element (pixel) of the semiconductor sensor, in which each quantum of detected radiation (e.g. each photon of X-ray radiation) creates an electric charge by ionization, which can then be directly digitized in the connected electronic circuit of a specialized electronic chip, or accumulated in a memory capacity . Each pixel can be equipped with an independent electrical circuit for processing individual electrical charges created by individual quanta of radiation. In this way, information about each incident quantum of incident radiation can be digitized separately (ie, for example, for each photon of X-ray or gamma radiation). Image information therefore no longer needs to be accumulated analogically during the exposure time, but registered digitally, for example in the form of the number of particles (eg photons) that hit the pixel. In some extensions, not only the number of incident particles can be recorded, but also their other properties such as the energy spectrum or detection time. Semiconductor detectors with direct conversion are produced either as monolithic or as hybrid.
- 1 CZ 310034 B6- 1 CZ 310034 B6
Monolitický pixelový detektor s přímou konverzí obsahuje jeden čip, jehož polovodičový materiál slouží jako sensor, ve kterém probíhá ionizace, a na jehož povrchu jsou vytvořeny elektronické obvody pro čtení a digitalizaci signálů. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost použití polovodiče vhodného jak pro vytvoření elektronických obvodů na dostatečné úrovni integrace, tak pro funkci sensoru tedy křemíku. Použití jiných materiálů více vhodných pro detekci požadovaného druhu záření je komplikované.A monolithic pixel detector with direct conversion contains one chip, whose semiconductor material serves as a sensor in which ionization takes place, and on the surface of which electronic circuits are created for reading and digitizing signals. The disadvantage of this solution is the need to use a semiconductor suitable both for the creation of electronic circuits at a sufficient level of integration and for the function of the sensor, i.e. silicon. The use of other materials more suitable for detecting the desired type of radiation is complicated.
Hybridní pixelové detektory s přímou konverzí sestávají z dvojice čipů umístěných na sobě: z tzv. senzorového čipu a z tzv. čtecího čipu (v odborné literatuře se používá zkratka ROC = z anglického Read-Out Chip). Plocha senzorového čipu je rozdělena na matici elementů (pixelů), každý pixel je opatřen elektricky vodivým kontaktem. Těmito kontakty dosedá senzorový čip na odpovídající kontakty čtecího čipu. Hybridní konstrukce detektoru umožňuje kombinovat určitý typ čtecího čipu s různými senzorovými čipy zhotovenými z různých polovodičových materiálů optimalizovaných pro detekci konkrétního typu ionizujícího záření. Například pro detekci rentgenového záření do energie nízkých desítek kilo-elektronvoltů (keV) se používají převážně křemíkové senzorové čipy, pro vyšší desítky keV pak GaAs senzorové čipy, a pro energie ve stovkách keV jsou senzorové čipy zhotovovány z CdTe (Cadmium Telluride) nebo CZT (Cadmium Zink Telluride). Další nové typy materiálů senzorových čipů jsou intenzivně vyvíjeny.Hybrid pixel detectors with direct conversion consist of a pair of chips placed on top of each other: a so-called sensor chip and a so-called readout chip (the abbreviation ROC = from the English Read-Out Chip is used in professional literature). The surface of the sensor chip is divided into a matrix of elements (pixels), each pixel is equipped with an electrically conductive contact. With these contacts, the sensor chip rests on the corresponding contacts of the reader chip. The hybrid design of the detector makes it possible to combine a certain type of reader chip with different sensor chips made of different semiconductor materials optimized for detecting a specific type of ionizing radiation. For example, for the detection of X-rays in the low tens of kilo-electronvolts (keV), silicon sensor chips are mainly used, for higher tens of keV, GaAs sensor chips are used, and for energies in the hundreds of keV, the sensor chips are made of CdTe (Cadmium Telluride) or CZT ( Cadmium Zinc Telluride). Other new types of sensor chip materials are being intensively developed.
Oba hlavní typy detektorů s přímou konverzí (monolitický i hybridní) jsou obvykle prostřednictvím elektrovodivých kontaktů umístěných většinou podél jedné, nebo více, stran čtecího čipu připojeny k plošnému spoji pro připojení ke zdroji napájecích napětí, k řídicí elektronice, anebo počítači pro záznam dat. Příkladem takového uspořádání je vynález z patentového dokumentu CZ 304899 B. Tento způsob připojení vyžaduje, aby část čtecího čipu alespoň podél jedné ze stran přesahovala senzorový čip, jak je vyobrazeno na obr. 1., přičemž přesahující část čtecího čipu se označuje jako periferie.Both main types of direct conversion detectors (monolithic and hybrid) are usually connected to a printed circuit board for connection to a power supply, to control electronics, or to a computer for data recording through electrically conductive contacts located mostly along one or more sides of the reader chip. An example of such an arrangement is the invention from patent document CZ 304899 B. This method of connection requires that a part of the reader chip at least along one of the sides extends beyond the sensor chip, as shown in Fig. 1, and the overhanging part of the reader chip is referred to as the periphery.
V současné době rozvíjenou alternativou k výše uvedenému uspořádání elektrovodivých kontaktů podél alespoň jedné strany čtecího čipu je nastupující technologie připojení prostřednictvím vodivých průchodek skrz křemíkový čtecí čip, viz obr. 2. Tyto průchodky známé zatím pouze pod anglickou zkratkou TSV (z angl. fráze „Through Silicon Via“) umožňují přenést elektrické signály na zadní stranu čtecího čipu, a zde je kontaktovat například prostřednictvím pole kuliček elektrovodivé pájky. Příkladem technologie TSV je například vynález známý z dokumentu US 9496310 B. Technologie použití pole kuliček pájky je označována zkratkou BGA (z angl. fráze „Ball Grid Array“) a příkladem takové technologie je vynález známý z dokumentu US 6373139 B1. Technologie TSV kombinovaná s BGA montáží vyžaduje, aby byla druhá strana čtecího čipu (někdy je v literatuře označována jako strana substrátu) upravena tak, že je na ní vytvořen obrazec vodivých cest propojujících TSV průchodky s elektricky vodivými ploškami upravenými pro pájení. Tento propojovací obrazec bývá označován jako redistribuční maska. Deska plošného spoje obsahuje stejné rozložení kontaktovacích elektrovodivých plošek. Na elektrovodivé plošky jednoho z těchto povrchů je nanesena pájka ve tvaru kuliček. Po přitlačení obou komponent na sebe je celá sestava zahřáta na teplotu tání pájky, čímž dojde jak k elektrickému, tak k mechanickému spojení.A currently developed alternative to the above-mentioned arrangement of electrically conductive contacts along at least one side of the reader chip is the emerging technology of connection via conductive bushings through the silicon reader chip, see Fig. 2. These bushings are known so far only by the English abbreviation TSV (from the English phrase "Through Silicon Via") allow electrical signals to be transferred to the back of the reader chip, and here they can be contacted, for example, via a field of electroconductive solder balls. An example of TSV technology is, for example, the invention known from document US 9496310 B. The technology of using an array of solder balls is denoted by the abbreviation BGA (from the English phrase "Ball Grid Array") and an example of such technology is the invention known from document US 6373139 B1. TSV technology combined with BGA assembly requires that the other side of the reader chip (sometimes referred to in the literature as the substrate side) is modified by forming a pattern of conductive paths connecting the TSV vias to electrically conductive surfaces prepared for soldering. This connection pattern is referred to as a redistribution mask. The printed circuit board contains the same distribution of contact conductive surfaces. Solder in the form of balls is applied to the electrically conductive surfaces of one of these surfaces. After pressing the two components together, the entire assembly is heated to the melting temperature of the solder, which results in both an electrical and a mechanical connection.
Připojení detektoru ze strany čtecího čipu prostřednictvím drátových propojek, viz obr. 1, umožňuje přiložit ze zadní strany detektoru blok pro chlazení, nebo pro stabilizaci teploty senzorového čipu, což umožňuje zlepšit kvalitu detekovaného signálu, a tedy i obrazu. U technologie výroby TSV+BGA, ve které je detektor připojen k desce plošných spojů ze spodní strany čtecího čipu, je možnost tepelné stabilizace omezena, což je jedna z nevýhod takového řešení. Další nevýhodou technologie TSV+BGA pro připojení desky plošných spojů k elektrickým kontaktům čtecího čipu je použití pájky pro vznik vodivého propojení mezi čtecím čipem a deskou plošných spojů. Při BGA montáži je nutné zvýšit teplotu celého detektoru, včetně plošných spojů mezi čtecím a senzorovým čipem, až na teplotu tání pájky. Některé materiályConnecting the detector from the side of the reading chip via wire jumpers, see Fig. 1, makes it possible to attach a block from the back of the detector for cooling, or for stabilizing the temperature of the sensor chip, which makes it possible to improve the quality of the detected signal, and thus the image. With the TSV+BGA production technology, in which the detector is connected to the printed circuit board from the underside of the reader chip, the possibility of thermal stabilization is limited, which is one of the disadvantages of such a solution. Another disadvantage of the TSV+BGA technology for connecting the printed circuit board to the electrical contacts of the reader chip is the use of solder to create a conductive connection between the reader chip and the printed circuit board. During BGA assembly, it is necessary to increase the temperature of the entire detector, including the PCBs between the reader and sensor chip, up to the melting temperature of the solder. Some materials
- 2 CZ 310034 B6 používané pro výrobu senzorového čipu však při tomto ohřevu degradují (např. CdTe degraduje již při teplotě kolem 150 °C, Hgl· degraduje již kolem 100 °C).- 2 CZ 310034 B6 used for the production of the sensor chip, however, degrade during this heating (e.g. CdTe degrades already at a temperature of around 150 °C, Hgl· degrades already at around 100 °C).
Další nevýhody v současné době známé BGA montáže spočívají v tom, že zahřátí sestavy komponent detektoru na teploty tání pájky představuje riziko mechanického poškození komponent detektoru při nekompatibilitě koeficientu tepelné roztažnosti materiálu senzorového čipu, čtecího čipu a desky plošných spojů. Navíc zahřátí detektoru při BGA montáži může poškodit již hotové propojení senzorového čipu ke čtecímu čipu, které je často realizováno také pomocí kuliček pájky (tzv. bump-bonding). BGA montáž tedy v tomto případě vyžaduje použití pájky s nižším bodem tání. Tento požadavek je však v některých případech těžké splnit, neboť teplota tání pájky pro bump-bonding je blízká teplotě tání pájky pro montáž BGA.Other disadvantages of the currently known BGA assembly are that the heating of the detector component assembly to the melting temperature of the solder poses a risk of mechanical damage to the detector components due to the incompatibility of the coefficient of thermal expansion of the material of the sensor chip, the reader chip and the printed circuit board. In addition, the heating of the detector during BGA assembly can damage the already finished connection of the sensor chip to the reading chip, which is often also implemented using solder balls (so-called bump-bonding). Therefore, BGA assembly in this case requires the use of solder with a lower melting point. However, this requirement is difficult to meet in some cases, as the melting temperature of bump-bonding solder is close to the melting temperature of BGA assembly solder.
Další nevýhoda BGA montáže spočívá v tom, že přesnost výroby desky plošných spojů je nižší, než přesnost výroby senzorových a čtecích čipů. Vytvoření detektoru ionizujícího záření se souvislou detekční plochou větší, než je plocha jednoho čipu senzoru vyžaduje uspořádání několika (mnoha) těchto čipů vedle sebe s přesností na úrovni velikosti jednoho pixelu senzorového čipu v celé ploše. Při plochách větších než cca 5 x 5 cm2 je splnění tohoto požadavku výrobně náročné, a tím finančně nákladné. Přitom se v průběhu BGA montáže může vzájemná poloha komponent mírně změnit. Je tedy obtížné dodržet dostatečnou přesnost a rovinnost ve všech třech rozměrech zejména při montáži velkého počtu segmentů do souvislé detekční plochy.Another disadvantage of BGA assembly is that the manufacturing accuracy of the printed circuit board is lower than the manufacturing accuracy of the sensor and reader chips. Creating an ionizing radiation detector with a continuous detection area larger than the area of one sensor chip requires arranging several (many) of these chips next to each other with an accuracy of one sensor chip pixel size across the entire area. For areas larger than approx. 5 x 5 cm 2 , meeting this requirement is production-intensive and thus financially costly. At the same time, the relative position of the components may change slightly during BGA assembly. It is therefore difficult to maintain sufficient accuracy and flatness in all three dimensions, especially when mounting a large number of segments in a continuous detection area.
BGA montáž v některých případech vyžaduje použití jisté přítlačné síly, která musí být aplikována prostřednictvím senzorového čipu. Některé materiály senzorových čipů a/nebo struktura velmi tenké krycí elektrody na povrchu senzorového čipu u monolitických detektorů jsou však velmi náchylné na mechanické poškození. Aplikace vnější síly je tedy nežádoucí.BGA assembly in some cases requires the use of a certain pressure force that must be applied through the sensor chip. However, some sensor chip materials and/or the structure of the very thin cover electrode on the surface of the sensor chip in monolithic detectors are very susceptible to mechanical damage. Application of external force is therefore undesirable.
Úkolem vynálezu je vytvoření způsobu výroby elektricky vodivých spojů v detektorech ionizujícího záření s tepelně a mechanicky zranitelnými komponentami, který by využíval pro výrobu spoje omezené množství tepla a který by dokázal efektivně odvádět odpadní teplo, aby nedocházelo k degradaci okolních komponent. Rovněž je úkolem vynálezu vytvoření detektoru ionizujícího záření s elektricky vodivými spoji vytvořenými právě tímto způsobem.The task of the invention is to create a method for the production of electrically conductive joints in ionizing radiation detectors with thermally and mechanically vulnerable components, which would use a limited amount of heat for the production of the joint and which would be able to effectively dissipate waste heat to prevent degradation of the surrounding components. It is also a task of the invention to create an ionizing radiation detector with electrically conductive connections created in this way.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Vynález řeší způsob mechanické montáže a výroby elektricky vodivého spoje mezi komponentami detektoru ionizujícího záření vytvořeného podle níže uvedeného vynálezu.The invention solves a method of mechanical assembly and production of an electrically conductive connection between the components of an ionizing radiation detector created according to the invention below.
Výše uvedené nedostatky technologie BGA montáže jednotlivých hybridních zobrazovacích detektorů radiace s využitím technologie TSV odstraňuje následující vynález, a to proto, že BGA technologie je mechanická montáž, tj. přesné umístění a upevnění detektoru a dále tvorba elektrických propojení, realizována jediným výrobním krokem a to pájením, při kterém dochází k zahřátí cele sestavy na teplotu tání použité pájky.The above-mentioned shortcomings of the BGA technology of mounting individual hybrid imaging radiation detectors using the TSV technology are eliminated by the following invention, because the BGA technology is a mechanical assembly, i.e. the precise positioning and fixing of the detector and the creation of electrical connections, realized in a single manufacturing step, namely soldering , during which the entire assembly is heated to the melting temperature of the solder used.
Nový vynález umožňuje provést krok mechanické montáže nezávisle na kroku tvorby elektrických propojení. Toto rozdělení umožňuje výrazně zlepšit kvalitu obou výrobních kroků. Samotný krok tvorby elektrických propojení prostřednictvím pájení navíc nevyžaduje celkový, ale jen velmi rychlý a lokální ohřev s minimem dodané tepelné energie přes desku plošných spojů.The new invention makes it possible to carry out the mechanical assembly step independently of the step of creating electrical connections. This division makes it possible to significantly improve the quality of both production steps. In addition, the very step of creating electrical connections through soldering does not require overall, but only very fast and local heating with a minimum of thermal energy delivered through the printed circuit board.
V tomto novém řešení není čtecí čip mechanicky fixován k desce plošných spojů, ale k nezávislému teplovodivému nosiči (např. kovový nebo keramický) například pomocí lepidla. Nosič zajišťuje efektivní přenos tepla, umožňuje dosáhnout vyšší přesnosti umístění detektoru, jeho fixaci a následnou mechanickou stálost. Na společném nosiči může být vedle sebe umístěnoIn this new solution, the reader chip is not mechanically fixed to the printed circuit board, but to an independent heat-conducting carrier (e.g. metal or ceramic), for example by means of glue. The carrier ensures efficient heat transfer, allows to achieve higher accuracy of detector placement, its fixation and subsequent mechanical stability. It can be placed side by side on a common carrier
- 3 CZ 310034 B6 více segmentů detektorů. Pro umožnění elektrického propojení je v tomto nosiči vytvořen jeden nebo více otvorů.- 3 CZ 310034 B6 multiple detector segments. One or more holes are formed in this carrier to allow electrical connection.
Elektrické připojení signálů je zajištěno prostřednictvím prostorově tvarované desky plošných spojů, umístěné pod čtecím čipem v otvorech v teplovodivém nosiči tak, že se těsně přimyká k povrchu zadní strany čtecího čipu, kde je vytvořena sada kontaktních plošek. Stejně rozmístěné kontaktní plošky jsou vytvořeny i na desce plošných spojů. Postup vytvoření elektrického kontaktu mezi oběma částmi je navržen ve třech výhodných provedeních:The electrical connection of the signals is ensured by means of a spatially shaped printed circuit board, placed under the reader chip in the holes in the heat-conducting carrier so that it fits closely to the surface of the back of the reader chip, where a set of contact pads is formed. Equally spaced contact surfaces are also created on the printed circuit board. The procedure for creating electrical contact between the two parts is designed in three advantageous versions:
Ve výhodném provedení způsobu podle vynálezu se v oblasti každého elektrického kontaktu na desce plošných spojů před přiložením k elektrickému kontaktu čtecího čipu vytvoří otvor, kterým je následně do prostoru mezi příslušnou kontaktní ploškou čtecího čipu a plošného spoje zavedeno elektrovodivé pojivo. Toto pojivo zprostředkovává pouze elektrický kontakt mezi příslušnou ploškou na desce plošných spojů a na čtecím čipu detektoru a neslouží tedy k mechanické fixaci čipu. Pojivo tedy může mít i formu gelu nebo viskózní kapaliny. Pro lepší pokrytí kontaktní plošky čtecího čipu a její spolehlivé propojení s příslušnou ploškou plošného spoje lze s výhodou využít kapilární síly. V tomto případě je výhodné volit materiál kontaktů tak, aby byl pro kapalná pojiva smáčivý a materiál mimo kontakty byl naopak nesmáčivý.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, an opening is created in the area of each electrical contact on the printed circuit board before the reader chip is attached to the electrical contact, through which an electrically conductive adhesive is subsequently introduced into the space between the respective contact surface of the reader chip and the printed circuit board. This binder only mediates electrical contact between the respective area on the printed circuit board and on the reading chip of the detector and therefore does not serve to mechanically fix the chip. The binder can therefore also take the form of a gel or a viscous liquid. For better coverage of the contact surface of the reader chip and its reliable connection with the corresponding printed circuit board, capillary forces can be advantageously used. In this case, it is advantageous to choose the material of the contacts so that it is wetting for liquid binders and the material outside the contacts is, on the contrary, non-wetting.
Dále je výhodné provedení způsobu podle vynálezu, při kterém se jako elektrovodivé pojivo použije pájecí pasta, která se zavede do otvoru elektrického kontaktu desky plošných spojů před přiložením k elektrickým kontaktům čtecího čipu. Pájecí pasta drží v otvorech dobře pro umožnění manipulace s deskou plošných spojů. Po přiložení desky plošných spojů k elektrickým kontaktům čtecího čipu je postupně a v každém otvoru pájka v pájecí pastě roztavena. Toto tavení je provedeno krátkodobým lokálním ohřevem skrz příslušný otvor alespoň jedním zdrojem tepla ze skupiny: laserový paprsek, fokusované infračervené světlo, pájecí hrot, ultrazvukový paprsek, řízený proud teplého plynného média. Při roztavení je pájka kapilárními silami vtažena mezi elektrické kontakty, čímž je vytvořen spoj s požadovanou elektrickou vodivostí. Tento proces bodového pájení je aplikován postupně na všechny kontakty. Při tomto bodovém pájení je tepelná energie dodána velmi rychle skrz otvor přímo pájecí pastě, kde slouží pouze pro roztavení malého objemu pájky v otvoru a pro ohřev příslušných kontaktních plošek. Tato tepelná energie je následně rozptýlena do mnohem většího objemu materiálu křemíkového čtecího čipu, kde způsobí jen nepatrné zvýšení teploty. Teplo je dále odvedeno do tepelně vodivého nosiče a nezpůsobí tedy významné zvýšení teploty čipu sensoru umístěného na druhé straně čtecího čipu. Zvýšení teploty sestavy čtecího čipu a sensoru lze vhodným řízením procesu bodového pájení udržet v intervalu 0.1 až 10 °C. Při tomto postupu tedy odpadá hlavní negativní postupový krok technologie BGA, kterým je zahřívání celé sestavy zahrnující desku plošných spojů a detektor na teplotu tání použité pájky, která činí obvykle 120 až 300 °C.Furthermore, it is advantageous to implement the method according to the invention, in which solder paste is used as an electrically conductive binder, which is introduced into the electrical contact hole of the printed circuit board before being applied to the electrical contacts of the reader chip. The solder paste holds well in the holes to allow manipulation of the printed circuit board. After placing the printed circuit board to the electrical contacts of the reader chip, the solder is melted in the solder paste gradually and in each hole. This melting is performed by short-term local heating through the respective opening by at least one heat source from the group: laser beam, focused infrared light, soldering tip, ultrasonic beam, controlled stream of warm gaseous medium. When melted, the solder is pulled between the electrical contacts by capillary forces, creating a connection with the required electrical conductivity. This spot soldering process is applied sequentially to all contacts. In this spot soldering, thermal energy is delivered very quickly through the hole directly to the solder paste, where it serves only to melt a small volume of solder in the hole and to heat the respective contact surfaces. This thermal energy is then dissipated into the much larger volume of silicon reader chip material, where it causes only a slight increase in temperature. The heat is further removed to a thermally conductive carrier and will therefore not cause a significant increase in the temperature of the sensor chip located on the other side of the reading chip. The increase in temperature of the reading chip and sensor assembly can be maintained in the range of 0.1 to 10 °C by appropriate control of the spot soldering process. With this procedure, the main negative step of the BGA technology, which is the heating of the entire assembly including the printed circuit board and the detector to the melting temperature of the used solder, which is usually 120 to 300 °C, is omitted.
Dalším výhodným provedením způsobu podle vynálezu je takové, ve kterém se jako elektrovodivé pojidlo použije elektrovodivé lepidlo, které se následně vytvrzuje pomocí UV světla procházejícího skrz otvor. Použití elektrovodivého lepidla a UV světla má minimální negativní dopad na komponenty detektoru ionizujícího záření. Lepidlo se nanáší za bezpečné teploty, intenzivní svazek UV světla neohřeje místo dopadu o více než několik stupňů Celsia. Podobně lze použít elektrovodivá lepidla vytvrzovaná teplem. Teplo je dodáno lokálně skrz otvor jedním z postupů uvedených výše (laserový paprsek, pájecí hrot, ..).Another advantageous embodiment of the method according to the invention is one in which an electroconductive adhesive is used as an electroconductive adhesive, which is subsequently cured with the help of UV light passing through the hole. The use of electrically conductive adhesive and UV light has a minimal negative impact on the components of the ionizing radiation detector. The glue is applied at a safe temperature, the intense beam of UV light will not heat the place of impact by more than a few degrees Celsius. Similarly, electrically conductive heat-cured adhesives can be used. The heat is delivered locally through the hole by one of the methods mentioned above (laser beam, soldering tip, ..).
Výhody vynálezu spočívají v nové technologii pájení skrz prostorově tvarovanou desku plošných spojů. Ve výhodném provedení může být tato deska navíc flexibilní pro usnadnění formování do požadovaného prostorového tvaru. Toto řešení nevyžaduje celkové zvýšení teploty všech komponent tedy detektoru a desky plošných spojů, ale vystačí s lokálním a velmi rychlým ohřevem tak, že se v průběhu této operace teplota senzorového čipu změní jen nepatrně, typicky o jednotky stupňů Celsia.The advantages of the invention lie in the new technology of soldering through a spatially shaped printed circuit board. In an advantageous embodiment, this plate can also be flexible to facilitate molding into the desired spatial shape. This solution does not require a total increase in the temperature of all components, i.e. the detector and the printed circuit board, but local and very fast heating is sufficient so that during this operation the temperature of the sensor chip changes only slightly, typically by units of degrees Celsius.
- 4 CZ 310034 B6- 4 CZ 310034 B6
V neposlední řadě je také výhodné provedení způsobu podle vynálezu, pokud je elektrovodivé pojivo nejdříve naneseno v požadované vrstvě na kontakty ještě před přiložením desky plošných spojů ke čtecímu čipu. Po přiložení elektrických kontaktů k sobě je elektrovodivé pojivo bezkontaktně roztaveno/aktivováno pomocí laserového paprsku procházejícího deskou plošných spojů. Vlnová délka laserového paprsku a materiál desky plošných spojů jsou přitom voleny tak, že absorpce laseru v materiálu desky je mnohem menší, než absorpce paprsku v materiálu kontaktu nebo pojidla. Laser tedy prozáří desku plošných spojů s minimálním účinkem na její materiál a je pohlcen až materiálem kontaktu nebo pojidla. Tímto způsobem dojde k lokálnímu ohřátí pojidla, čímž dojde k jeho natavení/aktivaci. Materiál s nízkou absorpcí světla dané vlnové délky může tvořit celou desku plošných spojů, nebo jen její vybrané oblasti. Tento způsob provedení nevyžaduje vytvoření otvorů v desce plošných spojů v místech jednotlivých kontaktů.Last but not least, it is also advantageous to carry out the method according to the invention if the electroconductive binder is first applied in the required layer to the contacts before the printed circuit board is attached to the reader chip. After the electrical contacts are placed together, the electrically conductive bond is contactlessly melted/activated by a laser beam passing through the printed circuit board. The wavelength of the laser beam and the material of the printed circuit board are chosen in such a way that the absorption of the laser in the material of the board is much smaller than the absorption of the beam in the material of the contact or the binder. The laser therefore shines through the printed circuit board with a minimal effect on its material and is absorbed only by the material of the contact or adhesive. In this way, the binder will be locally heated, thereby melting/activating it. A material with low light absorption of a given wavelength can form the entire printed circuit board, or only selected areas of it. This method of execution does not require the creation of holes in the printed circuit board in the places of individual contacts.
Alternativním výhodným provedením způsobu podle vynálezu je takové, při kterém se elektrické kontakty desky plošných spojů připojí pomocí tenké elektrovodivé dráhy uspořádané na desce plošných spojů k uzemněné elektrovodivé dráze, načež se po přiložení protilehle uspořádaných elektrických kontaktů nechá elektrickými kontakty desky plošných spojů, tenkými vodivými drahami a uzemněnou elektrovodivou dráhou protékat elektrický proud pro odporové roztavení elektrovodivého pojidla, načež se po vytvoření elektricky vodivého spoje tenké vodivé dráhy přepálí elektrickým proudem, nebo se mechanicky odstraní uzemněná elektrovodivá dráha. Zásadní výhoda tohoto provedení způsobu spočívá v tom, že zatímco ostatní způsoby vyžadují přesné navádění prostředku dodávajícího teplo do místa tvořeného elektrického propojení v průběhu pájení (ať už se jedná o světelné paprsky, hroty, či proudy horkého plynného média), tak oproti výše zmíněnému tento způsob vyžaduje pouze přesné nasazení desky plošných spojů na substrát čtecího čipu. Což významně zjednodušuje automatizaci výrobního procesu.An alternative preferred embodiment of the method according to the invention is one in which the electrical contacts of the printed circuit board are connected by means of a thin electrically conductive path arranged on the printed circuit board to a grounded electrically conductive path, after which, after applying the oppositely arranged electrical contacts, the electrical contacts of the printed circuit board, thin conductive paths and an electric current flows through the grounded electroconductive track for resistive melting of the electroconductive binder, after which, after the formation of an electrically conductive connection, the thin conductive track is burned with an electric current, or the grounded electroconductive track is mechanically removed. The fundamental advantage of this embodiment of the method is that, while other methods require the precise guidance of the means supplying heat to the place formed by the electrical connection during soldering (whether it is light beams, spikes, or streams of hot gas medium), compared to the aforementioned, this the method only requires precise placement of the printed circuit board on the substrate of the reader chip. Which significantly simplifies the automation of the production process.
V rámci provádění způsobů podle vynálezu je výhodné, pokud se jeden teplovodivý nosič použije pro dva a více čtecích čipů současně, neboť může sloužit jako nosná konstrukce při skládání detektorů do souvislé detekční plochy výsledného detektoru ionizujícího záření. Dále je výhodné, pokud se použije flexibilní deska plošných spojů o tloušťce v rozmezí od 50 μm do 500 μm. V neposlední řadě je výhodné, pokud se vytvoří v desce plošných spojů otvor o průměru minimálně 50 μm.Within the implementation of the methods according to the invention, it is advantageous if one heat-conducting carrier is used for two or more reading chips at the same time, as it can serve as a supporting structure when folding the detectors into a continuous detection area of the resulting ionizing radiation detector. Furthermore, it is advantageous if a flexible printed circuit board with a thickness ranging from 50 μm to 500 μm is used. Last but not least, it is advantageous if a hole with a diameter of at least 50 μm is created in the printed circuit board.
Součástí vynálezu je rovněž detektor ionizujícího záření s alespoň jedním elektricky vodivým spojem mezi jeho komponenty vytvořeným podle některého z výše uvedených způsobů. Detektor zahrnuje alespoň jeden senzorový čip pro snímání ionizujícího záření a alespoň jeden čtecí čip pro čtení signálů ze senzorového čipu, který je uspořádaný pod senzorovým čipem. Dále detektor zahrnuje alespoň jednu desku plošných spojů pro připojení detektoru ionizujícího záření k externímu zařízení, která je propojená se čtecím čipem pomocí alespoň jedné dvojice protilehle uspořádaných elektrických kontaktů.The invention also includes an ionizing radiation detector with at least one electrically conductive connection between its components created according to one of the above-mentioned methods. The detector includes at least one sensor chip for sensing ionizing radiation and at least one reading chip for reading signals from the sensor chip, which is arranged below the sensor chip. Furthermore, the detector includes at least one printed circuit board for connecting the ionizing radiation detector to an external device, which is connected to the reading chip by means of at least one pair of oppositely arranged electrical contacts.
Podstata vynalezeného detektoru spočívá v tom, že elektrický kontakt je vytvořen na straně substrátu čtecího čipu. Umístění elektrického kontaktu na stranu substrátu umožňuje vytvoření souvislé detekční plochy detektoru ve všech směrech 2D prostoru. Dále je podstatné, že strana substrátu čtecího čipu je z části umístěna na teplovodivý nosič, který slouží jako prostředek pro odvedení přebytečného tepla, čímž chrání komponenty detektoru před poškozením, jak při tvorbě elektrovodivých spojů mezi elektrickými kontakty, tak při provozu detektoru. Deska plošných spojů je prostorově tvarovaná tak, aby jedna její část prošla otvorem v teplovodivém nosiči, další část může nést například konektor pro připojení externí elektroniky. Je výhodné použít ohebnou desku plošných spojů, kterou lze tvarovat podle potřeby.The essence of the invented detector is that the electrical contact is made on the substrate side of the reading chip. Placing the electrical contact on the side of the substrate enables the creation of a continuous detection area of the detector in all directions of 2D space. It is also important that the substrate side of the reading chip is partially placed on a heat-conducting carrier, which serves as a means of removing excess heat, thus protecting the detector components from damage, both during the formation of electrically conductive connections between electrical contacts and during detector operation. The printed circuit board is spatially shaped so that one part of it passes through a hole in the heat-conducting carrier, another part can carry, for example, a connector for connecting external electronics. It is advantageous to use a flexible printed circuit board that can be shaped as needed.
Ve výhodném provedení detektoru podle vynálezu je detektor tvořen polem spárovaných senzorových čipů a čtecích čipů uspořádaných do souvislé detekční plochy, přičemž teplovodivý nosič vymezuje pod každým čtecím čipem senzorového čipu alespoň jeden otvor pro průchod desky plošných spojů k substrátu čtecího čipu. Tento otvor zajišťuje přístup k elektrickýmIn a preferred embodiment of the detector according to the invention, the detector is formed by an array of paired sensor chips and reading chips arranged in a continuous detection area, while the heat-conducting carrier defines at least one opening under each reading chip of the sensor chip for the passage of the printed circuit board to the substrate of the reading chip. This hole provides access to the electrical
- 5 CZ 310034 B6 kontaktům čtecího čipu. Teplovodivý nosič také fixuje čipy na svém místě, aby nedošlo k narušení souvislé detekční plochy.- 5 CZ 310034 B6 contacts of the reader chip. The thermal carrier also fixes the chips in place so that the continuous detection area is not disturbed.
S výhodou je alespoň jeden teplovodivý nosič opatřen vedením chladicího média, nebo je dutý pro vedení chladicího média. Toto médium slouží k odvádění přebytečného tepla z teplovodivého nosiče.Advantageously, at least one heat-conducting carrier is provided with a cooling medium conduit, or is hollow for the cooling medium conduit. This medium is used to remove excess heat from the heat-conducting carrier.
Mezi hlavní výhody vynálezu patří šetrnost vůči tepelně a mechanicky citlivým komponentům detektoru ionizujícího záření. Způsob podle vynálezu šetrně nakládá s teplem pro pájení, případně umožňuje nasazení elektrovodivého lepidla. Polovodičové struktury senzorových čipů jsou vytvořeny z tepelně velice citlivých materiálů a současně jsou tyto struktury náchylné na mechanické poškození v důsledku tepelné roztažnosti požitých materiálů. Tato poškození mohou nastat zejména při větším počtu senzorových čipů sestavených do souvislé detekční plochy již při ohřevu v řádech desítek stupňů Celsia. Navíc vynalezený způsob využívá z pohledu pájení stávající stav techniky, takže není potřeba pro jeho nasazení vytvářet kompletně nové nástroje a materiály. Je možné použít stávající zdroje tepla, stávající pojiva atp. Detektor ionizujícího záření se spoji vytvořenými podle vynálezu může zahrnovat pole detekčních segmentů ze senzorových a čtecích čipů sesazených do souvislé detekční plochy, aniž by docházelo k deformacím (průhybům) při mechanickému upevnění na teplovodivé nosiče, k deformaci vlivem tepelné roztažnosti atp. Vynález navíc umožňuje vést elektrické vodiče v prostoru pod čtecími čipy, a tedy i pod celým detektorem ionizujícího záření.The main advantages of the invention include gentleness towards the thermally and mechanically sensitive components of the ionizing radiation detector. The method according to the invention gently handles the heat for soldering, possibly enabling the use of electroconductive glue. Semiconductor structures of sensor chips are made of thermally very sensitive materials, and at the same time these structures are susceptible to mechanical damage due to thermal expansion of the ingested materials. These damages can occur in particular with a larger number of sensor chips assembled into a continuous detection area already when heated in the order of tens of degrees Celsius. In addition, the invented method uses the current state of the art from the point of view of soldering, so there is no need to create completely new tools and materials for its deployment. It is possible to use existing heat sources, existing binders, etc. An ionizing radiation detector with connections created according to the invention can include an array of detection segments from sensor and reading chips set down in a continuous detection surface, without deformations (bends) occurring during mechanical attachment to heat-conducting carriers, deformation due to thermal expansion, etc. In addition, the invention makes it possible to run electric wires in the space under the reading chips, and thus also under the entire ionizing radiation detector.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:Said invention will be further explained in the following drawings, where:
obr. 1 znázorňuje dosavadní stav techniky s bočním vyvedením elektrických kontaktů čtecího čipu, obr. 2 znázorňuje dosavadní stav techniky s vyvedením elektrických kontaktů skrz čtecí čip (TSV technologie), obr. 3 znázorňuje detektor podle vynálezu s flexibilní deskou plošných spojů opatřenou otvory pro průchod pojiva, obr. 4 znázorňuje detektor podle vynálezu s flexibilní deskou plošných spojů s natavováním pojiva pomocí prozáření materiálu flexibilní desky plošných spojů, obr. 5 znázorňuje flexibilní desku plošných spojů s tenkými elektrovodivými dráhami a s uzemněnou elektrovodivou dráhou.Fig. 1 shows the current state of the art with the lateral output of the electrical contacts of the reader chip, Fig. 2 shows the current state of the art with the output of the electrical contacts through the read chip (TSV technology), Fig. 3 shows the detector according to the invention with a flexible printed circuit board equipped with holes for passage binders, Fig. 4 shows a detector according to the invention with a flexible printed circuit board with melting of the binder by means of radiation of the material of the flexible printed circuit board, Fig. 5 shows a flexible printed circuit board with thin electrically conductive paths and with a grounded electrically conductive path.
Příklad uskutečnění vynálezuAn example of the implementation of the invention
Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.It is to be understood that the specific embodiments of the invention described and illustrated below are presented for illustration purposes and not as a limitation of the invention to the examples shown. Those skilled in the art will find or be able to ascertain, using routine experimentation, a greater or lesser number of equivalents to the specific embodiments of the invention described herein. Even these equivalents will be included in the scope of the following patent claims.
Na obr. 3 je vyobrazen příčný řez částí detektoru 1 ionizujícího záření, který zahrnuje dva páry tvořené senzorovým čipem 7 a čtecím čipem 4. Senzorový čip 7 je ke čtecímu čipu 4 připojen pomocí pole rozmístěných kuliček pájky, tzv. bump-bonding. Senzorové čipy 7 jsou uspořádány do souvislé detekční plochy a k nim přiřazené čtecí čipy 4 jsou uloženy na teplovodivýchFig. 3 shows a cross-section of a part of the ionizing radiation detector 1, which includes two pairs formed by a sensor chip 7 and a reading chip 4. The sensor chip 7 is connected to the reading chip 4 by means of a field of distributed solder balls, the so-called bump-bonding. The sensor chips 7 are arranged in a continuous detection area and the reading chips 4 assigned to them are stored on heat-conducting
- 6 CZ 310034 B6 nosičích 6. Na straně substrátu čtecích čipů 4 mezi teplovodivými nosiči 6 jsou vytvořeny elektrické kontakty 3 pro elektrické připojení desky 5 plošných spojů.- 6 CZ 310034 B6 carriers 6. On the substrate side of the reading chips 4, between the thermally conductive carriers 6, electrical contacts 3 are formed for the electrical connection of the circuit board 5.
Deska 5 plošných spojů je tvořena flexibilním materiálem, aby ji bylo možné zohýbat do správného prostorového tvarování tak, aby se vyhnula teplovodivým nosičům 6.The printed circuit board 5 is made of a flexible material so that it can be bent into the correct spatial shaping so as to avoid the heat-conducting carriers 6.
Teplovodivé nosiče 6 jsou tvořeny kovovými nosníky vykazujícími tvarovou stálost, tepelnou a radiační odolnost. Navíc může teplovodivými nosiči 6 v nevyobrazeném uskutečnění vynálezu procházet chladicí médium, ať už přímo, či vedením chladicího média.Heat-conducting carriers 6 are formed by metal beams exhibiting dimensional stability, thermal and radiation resistance. In addition, in the non-illustrated implementation of the invention, the cooling medium can pass through the heat-conducting carriers 6, either directly or via a cooling medium line.
Jak je z obr. 3 zjevné, je deska 5 plošných spojů opatřena otvory 8 a elektrickými kontakty 2, které jsou vytvořené v otvorech 8. Elektrické kontakty 2 mají v tomto vyobrazeném příkladu uskutečnění vynálezu tvar dutých špulek, tento tvar je v elektronice označován jako prokovy. Současně jsou otvory 8 ve flexibilní desce 5 plošných spojů vyplněny elektrovodivým pojivem, které je skrz otvor 8 natavováno zdrojem 9 tepla, např. pulsním laserovým paprskem, či pájecím hrotem. Zdroj 9 tepla systematicky postupuje od jednoho otvoru 8 ke druhému, taví elektrovodivé pojivo, které je kapilární silou vtaženo mezi elektrické kontakty 2 a 3, čímž dojde ke vzniku pájeného spoje. Odpadní teplo uniká vedením přes křemíkový čip do teplovodivých nosičů 6.As is clear from Fig. 3, the printed circuit board 5 is provided with holes 8 and electrical contacts 2, which are formed in the holes 8. The electrical contacts 2 have the shape of hollow coils in this depicted example of the implementation of the invention, this shape is referred to as through holes in electronics . At the same time, the holes 8 in the flexible printed circuit board 5 are filled with electroconductive adhesive, which is melted through the hole 8 by a heat source 9, e.g. a pulsed laser beam or a soldering tip. The heat source 9 systematically proceeds from one opening 8 to the other, melting the electroconductive binder, which is drawn by capillary force between the electrical contacts 2 and 3, resulting in the formation of a solder joint. Waste heat escapes by conduction through the silicon chip into heat-conducting carriers 6.
Elektrovodivým pojivem může být pájka například s cínově-olověným nebo indium-cínovým základem. Či je elektrovodivé pojivo tvořeno elektrovodivým lepidlem, které se vytvrzuje skrz otvor 8 UV světelným paprskem. V jiných příkladech uskutečnění vynálezu může mít elektrovodivé pojivo formu gelu, či viskózní kapaliny.The electrically conductive binder can be solder with a tin-lead or indium-tin base, for example. Whether the electroconductive binder consists of an electroconductive glue that is cured through the hole 8 by a UV light beam. In other examples of implementation of the invention, the electroconductive binder can be in the form of a gel or a viscous liquid.
V příkladu uskutečnění vynálezu na obr. 4 je namísto obecného zdroje 9 tepla použit laserový paprsek 10. Laserový paprsek 10 má vlnovou délku zvolenou tak, aby procházel materiálem plošného spoje a byl pohlcován materiálem kontaktu 2. Flexibilní deska 5 plošných spojů je souvislá bez otvorů 8, přičemž je elektrovodivé pojivo uloženo na elektrickém kontaktu 2 flexibilní desky 5 plošných spojů. Laserový paprsek 10 proniká skrz flexibilní desku 5 plošných spojů s minimální energetickou ztrátou a zahřívá elektrický kontakt 2 desky 5 plošných spojů, od něhož se natavuje elektrovodivé pojivo. Případně, pokud není děravá deska 5 plošných spojů žádoucí, mohou být otvory 8 desky 5 ze světlo pohlcujícího materiálu zaslepeny materiálem s nízkou absorpcí vlnové délky laserového paprsku 10, takže se deska 5 plošných spojů jeví jako souvislá, přičemž obsahuje virtuální otvory pro průchod laserového paprsku 10.In the example of the implementation of the invention in Fig. 4, a laser beam 10 is used instead of the general heat source 9. The laser beam 10 has a wavelength chosen so that it passes through the printed circuit material and is absorbed by the contact material 2. The flexible printed circuit board 5 is continuous without holes 8 , while the electroconductive binder is placed on the electrical contact 2 of the flexible plate 5 of the circuit board. The laser beam 10 penetrates through the flexible circuit board 5 with minimal energy loss and heats the electrical contact 2 of the circuit board 5, from which the electrically conductive adhesive is melted. Alternatively, if a holey printed circuit board 5 is not desired, the holes 8 of the light-absorbing material of the printed circuit board 5 can be blinded by a material with low absorption of the wavelength of the laser beam 10, so that the printed circuit board 5 appears to be continuous, while containing virtual holes for the passage of the laser beam 10.
Alternativní uskutečnění vynálezu je znázorněno na obr. 5. Flexibilní deska 5 plošných spojů zahrnuje navíc tenké elektrovodivé dráhy 11 směřující od elektrických kontaktů 2 k uzemněné elektrovodivé dráze 12. Po přiložení elektrických kontaktů 2 k elektrickým kontaktům 3 čtecího čipu 4, se nechá elektrovodivými dráhami 11 a 12 protékat elektrický proud, který zapříčiní nejprve lokální ohřev v oblastech přiložených elektrických kontaktů 2 a 3, poté natavení elektrovodivého pojiva a následné spájení elektrických kontaktů 2 a 3. Posléze se po ztuhnutí pájky nechá protékat krátký impulz zvýšeného proudu, který dříve přepálí tenké elektrovodivé dráhy 11, než se stihne opětovně natavit pájka mezi elektrickými kontakty 2 a 3. Alternativou k vysoko proudovému impulzu je mechanické oddělení uzemněné vodivé dráhy 12, např. odstřižením nebo odlomením v perforaci.An alternative embodiment of the invention is shown in Fig. 5. The flexible printed circuit board 5 additionally includes thin electrically conductive paths 11 leading from the electrical contacts 2 to the grounded electrically conductive path 12. After applying the electrical contacts 2 to the electrical contacts 3 of the reader chip 4, it is left by the electrically conductive paths 11 and 12 to flow an electric current, which will first cause local heating in the areas of attached electrical contacts 2 and 3, then the melting of the electrically conductive binder and the subsequent joining of the electrical contacts 2 and 3. Then, after the solder solidifies, a short pulse of increased current is allowed to flow, which previously burns the thin electrically conductive track 11 before the solder between electrical contacts 2 and 3 has time to re-melt. An alternative to a high current pulse is mechanical separation of the grounded conductive track 12, e.g. by cutting or breaking off in a perforation.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Způsob výroby elektricky vodivého spoje mezi komponenty detektoru ionizujícího záření a detektor s elektricky vodivým spojem podle vynálezu naleznou uplatnění v oblastech techniky využívajících pronikavého ionizujícího záření, zejména v průmyslové defektoskopii, v lékařství, a ve výzkumu.The method of producing an electrically conductive connection between the components of an ionizing radiation detector and a detector with an electrically conductive connection according to the invention will find application in technical areas using penetrating ionizing radiation, especially in industrial defectoscopy, in medicine, and in research.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-535A CZ310034B6 (en) | 2018-10-09 | 2018-10-09 | A method of producing electrically conductive connections with 3D arrangement between the components of an ionizing radiation detector and a detector with electrically conductive connections made using such method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-535A CZ310034B6 (en) | 2018-10-09 | 2018-10-09 | A method of producing electrically conductive connections with 3D arrangement between the components of an ionizing radiation detector and a detector with electrically conductive connections made using such method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2018535A3 CZ2018535A3 (en) | 2020-06-03 |
| CZ310034B6 true CZ310034B6 (en) | 2024-05-29 |
Family
ID=70848240
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2018-535A CZ310034B6 (en) | 2018-10-09 | 2018-10-09 | A method of producing electrically conductive connections with 3D arrangement between the components of an ionizing radiation detector and a detector with electrically conductive connections made using such method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ310034B6 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5635718A (en) * | 1996-01-16 | 1997-06-03 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Multi-module radiation detecting device and fabrication method |
| US20020011572A1 (en) * | 2000-07-04 | 2002-01-31 | Kenji Kajiwara | Radiation image pickup device and system |
| US20120183119A1 (en) * | 2011-01-13 | 2012-07-19 | Abdelaziz Ikhlef | Multi-slice ct detector with tileable packaging structure |
| US20130221468A1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-29 | Analog Devices, Inc. | Compact sensor module |
| US20140270057A1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-09-18 | Texas Instruments Incorporated | X-ray sensor and signal processing assembly for an x-ray computed tomography machine |
| WO2016064374A1 (en) * | 2014-10-20 | 2016-04-28 | Analogic Corporation | Detector unit for detector array of radiation imaging modality |
-
2018
- 2018-10-09 CZ CZ2018-535A patent/CZ310034B6/en unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5635718A (en) * | 1996-01-16 | 1997-06-03 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Multi-module radiation detecting device and fabrication method |
| US20020011572A1 (en) * | 2000-07-04 | 2002-01-31 | Kenji Kajiwara | Radiation image pickup device and system |
| US20120183119A1 (en) * | 2011-01-13 | 2012-07-19 | Abdelaziz Ikhlef | Multi-slice ct detector with tileable packaging structure |
| US20130221468A1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-29 | Analog Devices, Inc. | Compact sensor module |
| US20140270057A1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-09-18 | Texas Instruments Incorporated | X-ray sensor and signal processing assembly for an x-ray computed tomography machine |
| WO2016064374A1 (en) * | 2014-10-20 | 2016-04-28 | Analogic Corporation | Detector unit for detector array of radiation imaging modality |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2018535A3 (en) | 2020-06-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7531809B2 (en) | Gamma ray detector modules | |
| JP5418510B2 (en) | Semiconductor chip for evaluation, evaluation system and repair method thereof | |
| NL1028105C2 (en) | Device for detecting ionizing radiation. | |
| CN105534540B (en) | Method for manufacturing the sensor board of detector module | |
| JP2009544011A5 (en) | ||
| US20100327173A1 (en) | Integrated Direct Conversion Detector Module | |
| CN110058291B (en) | Assembly method for producing an x-ray detector, x-ray detector and x-ray device | |
| JP7427066B2 (en) | radiation imaging device | |
| JP2007024542A (en) | Inspection method and inspection device | |
| JP3804803B2 (en) | Electronic component mounting substrate and semiconductor device | |
| JP5610520B2 (en) | Radiation detector | |
| CZ310034B6 (en) | A method of producing electrically conductive connections with 3D arrangement between the components of an ionizing radiation detector and a detector with electrically conductive connections made using such method | |
| JP2004219318A (en) | Radiation detector | |
| Blanchot et al. | Hybrid circuit prototypes for the CMS Tracker upgrade front-end electronics | |
| JP5966091B2 (en) | Radiation detector element and construction method | |
| US10217790B2 (en) | Imaging detector module assembly | |
| US8755486B2 (en) | Method for placing A/D converter, front-lit detector and CT apparatus | |
| JP6842528B2 (en) | Manufacture method of detector module, detector, imaging device and detector module | |
| JP2020064008A (en) | Radiation imaging device | |
| TW595290B (en) | Electronic device having connection structure and connection method thereof | |
| JP7181049B2 (en) | Radiation imaging device, method for manufacturing radiation imaging device, and method for repairing radiation imaging device | |
| EP2747129A1 (en) | Curing a heat-curable material in an embedded curing zone | |
| JP2005026419A (en) | Semiconductor radiation detector and diagnostic imaging device using the same | |
| US20210384249A1 (en) | Integrated radiation detector device | |
| JPH09199540A (en) | Semiconductor device, mounting structure, manufacture thereof, method and apparatus for inspecting the mounting structure |