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Die
Erfindung betrifft insbesondere ein Herstellungsverfahren für einen
zur Detektion von Röntgen-
oder Gammastrahlung ausgebildeten Strahlungswandler mit einer Wandlereinheit
zur direkten Wandlung der Röntgen-
oder Gammastrahlung in elektrische Signale und einen zur elektronischen
Signalverarbeitung der Wandlereinheit unmittelbar nachgeschalteten
elektronischen Schaltkreis.
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Solche
Strahlungswandler werden auch kurz als direkt konvertierende Strahlungswandler
bezeichnet und finden beispielsweise bei Röntgendetektoren in der Röntgen-Computertomografie
Anwendung. Bei der Wandlereinheit kann es sich beispielsweise um
eine pixelierte Halbleiterschicht aus Cadmium-Tellurid handeln.
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Bei
solchen Strahlungswandlern wird einfallende Röntgen- oder Gammastrahlung,
im Weiteren kurz Strahlung, in der Wandlereinheit absorbiert und unmittelbar,
d. h. in einem einstufigen Wandlungsprozess, in elektrische Ladungen
gewandelt, die wiederum elektrische Signale induzieren, welche vom Schaltkreis,
beispielsweise einem ASIC (Anwendungsspezifischer elektronischer
Schaltkreis, engl. Application Specific Electronic Circuit) weiterverarbeitet
werden.
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Ein
kritischer Punkt der Herstellung derartiger Strahlungswandler liegt
darin, dass zu hohe Prozesstemperaturen und damit einhergehende
Temperaturbelastungen im Rahmen der elektrischen Kontaktierung von
Wandlereinheitkontaktstellen mit korrespondierenden Schaltkreiskontaktstellen
zu einer Beeinträchtigung
der Detektionseffizienz der in der Regel temperaturempfindlichen
Wandlereinheit führen
können.
Solche Beein trächtigungen
können
beim Halbleitermaterial CdTe beispielsweise bereits ab Temperaturen
von 150°C
auftreten.
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Insoweit
ist es wünschenswert,
die Temperaturbelastung für
die Wandlereinheit bei der Herstellung des Strahlungswandlers so
gering als möglich zu
halten. Das gilt auch für
die elektrischen Schaltkreise, die jedoch in der Regel weniger temperaturanfällig sind
als die Wandlereinheiten.
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Ausgehend
davon ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren
der eingangs genannten Art anzugeben, welches sich u. a. durch eine
besonders geringe Temperaturbelastung insbesondere der Wandlereinheit
auszeichnet. Ferner sollen ein Strahlungsdetektormodul, ein Strahlungsdetektor
und ein Tomografiegerät
angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der Ansprüche
1, 9, 10, und 11. Ausgestaltungen ergeben sich aus Merkmalen der
Unteransprüche.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen
zur Detektion von Röntgen-
und/oder Gammastrahlung ausgebildeten Strahlungswandler. Der Strahlungswandler
umfasst eine Wandlereinheit, bei welcher es sich beispielsweise
um eine, insbesondere pixelierte, Wandlerschicht handeln kann.
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Bei
der Wandlereinheit handelt es sich also um eine direkt konvertierende
Wandlereinheit, bei welcher die Röntgen- und/oder Gammastrahlung unmittelbar
in elektrische Ladungen gewandelt wird. Die Bezeichnung unmittelbar
soll dabei bedeuten, dass einfallende Strahlung durch Wechselwirkungs-, insbesondere
Absorptionsprozesse, der Röntgen- und/oder
Gammastrahlung mit einem Wandlermaterial der Wandlereinheit direkt,
und insoweit in einem einstufigen Wandlungsschritt, in elektrische
Ladungen gewandelt wird.
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Zur
Vereinfachung wird für
die Begriffe Röntgen-
und Gammastrahlung im Folgenden die Kurzform ”Strahlung” verwendet.
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Der
Strahlungswandler umfasst ferner einen elektronischen Schaltkreis,
beispielsweise einen ASIC, mit einer Funktion zur elektronischen
Signalverarbeitung von durch die Ladungen induzierten elektrischen
Signalen.
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Der
elektronische Schaltkreis ist der Wandlereinheit unmittelbar nachgeschaltet.
Im Rahmen der Erfindung soll die Formulierung ”unmittelbar nachgeschaltet” im Sinne
der Signalführung
verstanden werden. Das bedeutet, dass der Schaltkreis hinsichtlich der
Signalführung
der Wandlereinheit unmittelbar nachgeschaltet ist, was insbesondere
in Zusammensicht mit den weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispielen
deutlich wird.
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Bei
dem Herstellungsverfahren wird zur Herstellung elektrischer Kontakte
zwischen Wandlereinheitkontaktstellen und korrespondierenden Schaltkreiskontaktstellen
eine indiumhaltige Legierung verwendet.
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Bei
den Wandlereinheitkontaktstellen kann es sich um sog. Kontaktpads
handeln, an welchen durch die Ladungen induzierte elektrische Signale abgegriffen
werden können.
Bei den Schaltkreiskontaktstellen kann es sich ebenfalls um Kontaktpads handeln,
die Eingangskontakte des Schaltkreises ausbilden, und über welche
die elektrischen Signale dem Schaltkreis zugeführt werden können.
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Über die
Kontakte können
die Wandlereinheit und die Schaltung nicht nur elektronisch, sondern
auch mechanisch miteinander verbunden werden. Anders ausgedrückt, kann
vermittels der Kontakte auch unmittelbar eine Kraftschlüssige Verbindung
zwischen Wandlereinheit Schaltung hergestellt werden. Letzteres
soll jedoch nur verdeutlichend für Position
und relative Lage der Wandlereinheit und des Schaltkreises verstanden
werden.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die in einzahliger Formulierung gehaltenen
Begriffe Wandlereinheit und Schaltkreis im Rahmen der Erfindung
im Sinne von ”zumindest
ein” verstanden
werden sollen. So liegt es beispielsweise im Rahmen der Erfindung, wenn
der Strahlungswandler mehr als eine Wandlereinheit und mehr als
einen Schaltkreis umfasst. Dabei ist zu bemerken, dass jeder Wandereinheit
ein oder auch mehrere Schaltkreise zugeordnet sein können. Entsprechend
können
einem Schaltkreis ein oder mehrere Wandlereinheiten zugeordnet sein.
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Durch
das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren,
insbesondere wegen der Verwendung der indiumhaltigen Legierung ist
es möglich,
die bei der Herstellung der elektrischen Kontakte verursachte Temperaturbelastung
der Wandlereinheit, und damit auch des elektronischen Schaltkreises,
vergleichsweise gering zu halten. Bei der Herstellung des Strahlungswandlers
können
Prozesstemperaturen von weniger als 150°C erreicht werden. Zumindest für üblicherweise
verwendete Wandlermaterialien wie CdTe, CdZnTe oder CdZnTeSe können in
diesem Temperaturbereich die Wandlungseigenschaften der Wandlermaterialien
beeinträchtigende
Einwirkungen zumindest auf ein vernachlässigbares Niveau eingeschränkt werden.
Bei den vorgenannten Wandlermaterialien treten maßgebliche
Beeinträchtigungen
der Wandlungseigenschaften bei Temperaturen ab ca. 160°C auf. Davon
abgesehen ermöglicht
die indiumhaltige Legierung qualitativ hochwertige elektrische Kontakte,
so dass Fehlerraten von weniger als 1 ppm (parts per milion) erreicht
werden können.
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Die
Möglichkeit
der Herstellung qualitativ hochwertiger elektrische Kontakte liegt
nicht zuletzt darin begründet,
dass die maßgeblichen
Legierungen aufgrund des darin enthaltenen Elements Indium (In)
besonders vorteilhafte Benetzungseigenschaften aufweisen, und im
Allgemeinen gut prozessierbar sind. Insbesondere können mit
den genannten Legierungen bei Wandlereinheitenkontaktstellen bzw. Schaltkreiskontaktstellen
umfassend das Element Gold (Au) mechanisch besonders stabile, qualitativ hochwertige
und hochzuverlässige
elektrische Kontaktierungen erreicht werden. Das liegt u. a. daran, dass
Gold und Indium intermetallische Phasen wie Au3In,
AuIn oder AuIn2 ausbilden.
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Darüber hinaus
ermöglichen
die indiumhaltigen Legierungen, dass zur Herstellung der Kontakte vergleichsweise
wenig aggressive Flussmittel verwendet werden können. Dadurch kann u. a. erreicht werden,
dass zur Vermeidung von Kriechströmen vorgesehene Passivierungsschichten
der Wandlereinheit und/oder des Schaltkreises im Wesentlichen nicht
angegriffen werden.
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Aufgrund
der vorteilhaften Eigenschaften ermöglicht das Herstellungsverfahren
insbesondere eine effiziente und kostengünstige Massenfertigung mit
hoher Ausbeute an qualitativ hochwertigen Strahlungswandlern.
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Die
Wandlereinheit kann ein direkt konvertierendes Halbleitermaterial
umfassen. In Frage kommen insbesondere binäre, tertiäre oder quaternäre Halbleitermaterialien
auf der Grundlage der Elemente Cadmium (Cd), Zink (Zn), Tellur (Te)
und Selen (Se), also insbesondere CdTe, CdZnTe, CdTeSe und CdZnTeSe.
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Qualitativ
besonders hochwertige elektrische Kontakte können erhalten werden, wenn
die Legierung die Legierungselemente Zinn (Sn) und/oder Silber (Ag)
umfasst. Vorteilhafterweise ist Sn in einer Konzentration von 20%
bis 50%, vorzugsweise im Bereich von 48%, und Ag in einer Konzentration
von 1% bis 10%, vorzugsweise im Bereich von 3%, enthalten. Beispielhaft
wird die Verbindung InxSnyAgz mit x + y + z = 100% genannt, anhand der
die Prozentangaben deutlich werden In Betracht kommt z. B: In50Sn48Ag2.
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Reflow-Prozesse
im Zusammenhang mit der Herstellung der Kontakte können beispielsweise
in herkömmlichen
Vakuumlötanlagen
durchgeführt
werden, wodurch die Kosten und Komplexität des Herstellungsverfahrens
verringert werden können.
Dabei ist es auf Grund des vergleichsweise geringen Schmelzpunkts
von Legierungen, wie beispielsweise InSn mit einem Schmelzpunkt
von etwa 118°C,
möglich,
Reflow-Prozesse, bei welchen die Legierung aufgeheizt und wieder
abgekühlt
werden, bei maximalen Prozesstemperaturen im Bereich von ca. 135°C bis 150°C, insbesondere
um 145°C
durchzuführen.
Solche Prozesstemperaturen sind die für gängigen Wandlermaterialien hinsichtlich
der Beeinträchtigung
der Detektionseffizienz besonders schonend.
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Eine
Wandlermaterial schonende Prozessführung kann erreicht werden,
wenn Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten
im Reflow-Prozess
wie folgt gewählt
werden:
- – bis
zu 1,5°C/s,
vorzugsweise etwa 1,0°C/s,
in einem ersten Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur, bei welcher
es sich um eine mögliche Starttemperatur
handelt, und etwa 100°C;
- – bis
zu 0,8°C/s,
vorzugsweise etwa 0,6°C/s,
in einem zweiten Temperaturbereich zwischen etwa 100°C und etwa
120°C;
- – bis
zu 0,6°C/s,
vorzugsweise etwa 0,4°C/s,
in einem dritten Temperaturbereich zwischen etwa 120°C bis etwa
145°C oder
150°C.
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Eine
besonders geringe Beeinträchtigung der
Wandlereinheiten, bzw. der Wandlermaterialien kann dadurch erreicht
werden, wenn die die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten derart
gewählt
werden, dass die Prozesstemperaturen höchstens für einen Zeitraum von 3 Minuten
oberhalb von 60°C
liegen
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Wie
bereits erwähnt
können
besonders stabile und qualitativ hochwertige Kontakte erreicht werden,
wenn die Wandlereinheitkontaktstellen und/oder die Schaltkreiskontaktstellen
das Element Gold (Au) umfassen. Demgemäß kann das Herstellungsverfahren
den weiteren Schritt der Herstellung oder der Beschichtung der Wandlereinheitkontaktstellen und/oder
Schalt kreiskontaktstellen aus bzw. mit einem das Element Gold umfassenden
Material aufweisen.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Strahlungsdetektormodul
mit zumindest einem nach dem Herstellungsverfahren des ersten Aspekts
hergestellten Strahlungswandler.
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit
zumindest einem Detektormodul nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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Ein
vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Tomografiegerät, insbesondere
eine Röntgen-Computertomografiegerät mit zumindest
einem Strahlungsdetektor nach dem dritten Aspekt der Erfindung.
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Wegen
Vorteilen und vorteilhaften Wirkungen zum zweiten bis vierten Aspekt
der Erfindung wird auf die Ausführungen
zum ersten Aspekt der Erfindung verwiesen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
ein Röntgen-Computertomografiegerät als Beispiel
eines erfindungsgemäßen Tomografiegeräts;
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2 eine
schematisch perspektivische Ansicht eines Strahlungswandlers; und
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3 einen
Ausschnitt des Strahlungswandlers 9 im Querschnitt.
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In
den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente durchwegs
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Darstellungen in den
Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu und Maßstäbe zwischen
den Figuren können
variieren. Ohne Beschränkung
der Allgemeinheit wird die Erfindung nachfolgend anhand der Röntgen-Computertomografie
beschrieben.
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1 zeigt
schematisch ein Röntgen-Computertomografiegerät 1,
umfassend einen Patientenlagerungstisch 2 zur Lagerung
eines zu untersuchenden Patienten 3. Das Röntgen-Computertomografiegerät 1 umfasst
ferner eine Gantry 4, mit einem um eine Systemachse 5 drehbar
gelagerten Röhren-Detektor-System.
Das Röhren-Detektor-System
wiederum umfasst eine Röntgenröhre 6 und
einen dieser gegenüber
liegend angeordneten Röntgendetektor 7.
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Im
Betrieb des Röntgen-Computertomografiegeräts 1 geht
von der Röntgenröhre 6 Röntgenstrahlung
R in Richtung des Röntgendetektors 7 aus und
wird mittels des Röntgendetektors 7 erfasst.
Zur Erfassung der Röntgenstrahlung
R weist der Röntgendetektor 7 mehrere
Strahlungsdetektormodule 8 auf.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Strahlungswandlers 9 eines
der Strahlungsdetektormodule 8. Bei dem Strahlungswandler 9 handelt
es sich um einen direkt konvertierenden Strahlungswandler. Als Abgrenzung
des Begriffs direkt konvertierend seien Szintillationswandler erwähnt, bei
welchen die Röntgenstrahlung
zunächst
in Licht und dann mittels Photodioden in elektrische Signale gewandelt
wird, wobei es sich demnach nicht um eine direkte Wandlung der Röntgenstrahlung 8 handelt.
Es wird darauf hingewiesen, dass aus Veranschaulichungsgründen die
der einfallenden Röntgenstrahlung
R abgewandte Seite obenliegend dargestellt ist.
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Zur
direkten Wandlung der Röntgenstrahlung
R in elektrische Ladungen umfasst der Strahlungswandler 9 eine
Wandlereinheit 10, durch welche die Röntgenstrahlung R durch Wechselwirkungsprozesse
mit dem Wandlermaterial der Wandlereinheit 10 unmittelbar,
d. h. direkt, in elektrische Ladungen gewandelt wird.
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Bei
dem Wandlermaterial handelt es sich um ein binäres, tertiäres oder quaternäres Halbleitermaterial
der Elemente Cd, Zn, Te, Se, insbesondere CdTe, CdZnTe, CdTeSe,
CdZnTeSe.
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Der
vorliegende Strahlungswandler 9 weist eine Vielzahl an
Bildpunkten, d. h. Pixel auf. Die Pixel werden dadurch gebildet,
dass auf einer der einfallenden Röntgenstrahlung R angewandten
Seite entsprechend der Anzahl der Pixel eine Vielzahl an Pixelelektroden 11,
und auf einer der Röntgenstrahlung R
zugewandten Seite eine Gegenelektrode 12 angeordnet sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Pixel ohne Beschränkung der
Allgemeinheit als lediglich beispielhaft anzusehen ist.
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Die
durch direkte Wandlung der Röntgenstrahlung
R erzeugten elektrischen Ladungen induzieren auf die Pixelelektroden 11 elektrische
Signale, die an den Pixelelektroden 11 abgegriffen werden können.
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Die
elektrischen Signale werden einem an der der einfallenden Röntgenstrahlung
R abgewandten Seite angebrachten elektronischen Bauelement 13,
wie beispielsweise einem ASIC, zugeführt und durch diesen weiter
verarbeitet. Das Bauelement 13 ist der Wandlereinheit 10 unmittelbar
nachgeschaltet, was bedeuten soll, dass das Bauelement 13 direkt auf
der Röntgenstrahlung
R abgewandten Seite angebracht ist.
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Zur Übertragung
der elektronischen Signale von der Wandlereinheit 10 auf
das Bauelement 13 sind Wandlereinheitkontaktstellen 14,
welche die Pixelelektroden 11 umfassen, mit Bauelementkontaktstellen 15 der
Wandlereinheit 10 über
elektrische Kontakte 16 miteinander verbunden.
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Zur
besseren Übersichtlichkeit
ist das Bauelement 10 in 2 durchscheinend
abgebildet.
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3 zeigt
einen Ausschnitt des Strahlungswandlers 9 im Querschnitt.
Daraus ist deutlicher ersichtlich, dass die Wandlereinheitkontaktstellen 14 mit
den Bauelementkontaktstellen 15 über die elektrischen Kontakte 16 elektrisch
leitend miteinander verbunden sind.
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Die
elektrischen Kontakte 16 sind aus einer indiumhaltigen
Legierung hergestellt. Zur Herstellung des Strahlungswandlers 9 kann
zunächst
die indiumhaltige Legierung beispielsweise in Form von Kugeln oder
in anderer geeigneter Weise z. B. auf die Wandlereinheitkontaktstellen 14 aufgebracht
werden. Sodann kann das Bauelement 13 mit der erforderlichen geometrischen
Ausrichtung auf die Wandlereinheit 10 aufgebracht werden,
so dass Wandlereinheitkontaktstellen 14 mit den korrespondierenden
Bauelementkontaktstellen 15 fluchten. In einem weiteren Schritt
wird die Legierung einem Reflow-Prozess unterworfen, bei welchem
die Legierung zur Ausbildung qualitativ hochwertiger und stabiler
Kontakte 16 aufgeheizt und wieder abgekühlt wird.
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Indem
die elektrischen Kontakte 16 aus einer indiumhaltigen Legierung
hergestellt sind, welche die Legierungselemente Sri und/oder Ag
enthalten können,
ist es möglich
bei dem Reflow-Prozess
besonders niedrige Prozesstemperaturen zu erreichen.
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Beispielsweise
kann der Reflow-Prozess mit Prozesstemperaturen von weniger als
150°C durchgeführt werden.
In diesem Temperaturbereich kann, insbesondere bei den genannten
Halbleitermaterialien, vermieden werden, dass temperaturbedingte
Beeinträchtigungen
der Detektionseffizienz der Wandlereinheit induziert werden. Solche
Beeinträchtigungen können beispielsweise
darin begründet
liegen, dass die intrinsische Störstellencharakteristik
des Halbleitermaterials zu Ungunsten der effektiven Wandlung von
Röntgenstrahlung
R in elektrische Ladungen verändert
wird.
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Bei
geeigneter Zusammensetzung der Legierungen können auch Prozesstemperaturen
von weniger als 145°C
erreicht werden.
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Ein
besonders schonender Reflow-Prozess kann durch geeignet gewählte Aufheiz-
und Abkühlgeschwindigkeiten
erreicht werden. Beispielhaft sei folgender, besonders vorteilhafter
Reflow-Prozess genannt:
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- a) Aufheizen der Legierung mit einer Aufheizgeschwindigkeit
von etwa 1°C/s
im Temperaturbereich zwischen Starttemperatur, bzw. der Starttemperatur,
und etwa 100°C,
- b) weiteres Aufheizen der Legierung mit einer Aufheizgeschwindigkeit
von ca. 0,6°C/s
im Temperaturbereich von ca. 100°C
bis etwa 120°C,
- c) weiteres Aufheizen der Legierung mit einer Aufheizgeschwindigkeit
von etwa 0,4°C/s
im Temperaturbereich von ca. 120°C
bis etwa 145°C,
- d) anschließendes
Abkühlen
der Legierung, wobei vorzugsweise den Aufheizgeschwindigkeiten betragsmäßig im Wesentlichen
entsprechende Abkühlgeschwindigkeiten,
in analogen Temperaturbereichen verwendet werden.
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Es
versteht sich, dass die angegebenen Temperaturbereiche und Aufheizgeschwindigkeiten innerhalb
der weiter oben angegebenen Grenzen variiert werden können. Besonders
vorteilhaft und materialschonend ist es, wenn die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten
derart gewählt
werden, dass Prozesstemperaturen höchstens für einen Zeitraum von 3 Minuten über 60°C liegen.
Auf diese Weise kann die Anzahl temperaturindizierter Störstellen
oder vergleichbarer Defekte, welche die Detektionseffizienz herabsetzen,
auf einem besonders niedrigen, wenn nicht verschwindenden, Niveau
gehalten werden.
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Besonders
vorteilhafte elektrische Kontakte 16, sei es hinsichtlich
der Qualität,
insbesondere der elektrischen Leitfähigkeit, oder der Zuverlässigkeit, insbesondere
der mechanischen Stabilität
und der Lebensdauer, können
erreicht werden, wenn das Legierungselement Sn in einer Konzentration
von 20% bis 50% und das Legierungselement Ag in einer Konzentration
von 1% bis 10% in der Legierung enthalten sind.
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Auch
ist es insbesondere hinsichtlich der mechanischen Stabilität von besonderem
Vorteil, wenn die Wandlereinheitkontaktstellen und/oder die Bauelementkontaktstellen
das Element Gold umfassen.
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Das
vorweg beschriebene Herstellungsverfahren eignet sich insbesondere
zur Massenfertigung der Strahlungswandler, wobei insbesondere sowohl herkömmliche
Lötanlagen
als auch Vakuumlötanlagen
verwendet werden können.
In Massenfertigung können
u. a. die Herstellungskosten für
den Strahlungswandler deutlich gesenkt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der genannten Legierungen liegt darin, dass vergleichsweise
schonende Flussmittel bei der Herstellung der elektrischen Kontakte 16 verwendet
werden können,
so dass zur Unterdrückung
von Oberflächenkriechströmen aufgebrachte
Passivierungsschichten in deren Wirkung zumindest nicht maßgeblich
beeinträchtigt
werden.
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Insgesamt
zeigt sich, dass insbesondere die der Erfindung zu Grunde liegende
Aufgabe gelöst wird.