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Die Erfindung betrifft ein Detektormodul für einen Strahlendetektor sowie einen Strahlendetektor mit solchen Detektormodulen.
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Die bei Röntgentomographiegeräten, beispielsweise Computertomographiegeräten, eingesetzten Strahlendetektoren setzen sich in der Regel aus mehreren nahtlos aneinandergereihten Detektormodulen zusammen. Jedes Detektormodul weist eine Wandlerschicht auf, die zur Umwandlung von eintreffenden Röntgenquanten in elektrische Signale dient, und die zur Erzielung einer gewissen Ortsauflösung pixelartig strukturiert ist. Zur Gewährleistung einer gewissen mechanischen Stabilität des Detektormoduls ist an der in Strahleneintrittsrichtung hinteren Seite der Wandlerschicht eine Trägerschicht angeordnet.
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Als Wandlerschicht wird bei Computertomographiegeräten bislang eine indirekt konvertierende Wandlerschicht eingesetzt. Die Konvertierung der Strahlenquanten erfolgt bei dieser Art von Detektoren zweistufig. In einer ersten Stufe werden die Röntgenquanten mittels eines Szintillators absorbiert und in optisch sichtbare Lichtimpulse umgewandelt. Die erzeugten Lichtimpulse werden anschließend in einer zweiten Stufe durch ein mit dem Szintillator optisch gekoppeltes Photodiodenarray in elektrische Signale umgewandelt. Das Auslesen der auf diese Weise erzeugten Signale erfolgt üblicherweise an der hinteren Seite des Photodiodenarrays über elektrische Kontakte, die über die Fläche des Photodiodenarrays verteilt angeordnete sind. Da an dieser Seite des Photodiodenarrays auch die Trägerschicht angeordnet ist, müssen die Signale zur Weiterverarbeitung an eine Ausleseelektronik durch die Trägerschicht geführt werden. Die Kontakte auf Seiten des Photodiodenarrays werden daher zunächst über Klebe- oder Lötprozesse mit entsprechend ersten Kontakten auf der Trägerschicht verbunden und innerhalb der Trägerschicht über metallische Verbindungen auf korrespondierende zweite Kontakte auf die Unterseite der Trägerschicht geführt. Diese zweiten Kontakte sind wiederum über Klebe- oder Lötprozesse mit Kontaktstellen auf einer Leiterplatine verbunden, welche durch in der Leiterplatine eingebrachte Leiterbahnen an die Ausleseelektronik geführt werden.
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Die Signalführung zwischen der Wandlerschicht und der Ausleseelektronik ist bei einem solchen Aufbau eines Detektormoduls mit einem hohen Fertigungsaufwand verbunden. Darüber hinaus sind Ausfälle von einzelnen Signalführungen aber auch des gesamten Detektormoduls beobachtet worden.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Detektormodul für einen Strahlendetektor und einen Strahlendetektor so auszugestalten, dass die Voraussetzung für eine einfache und eine sichere Signalführung zwischen Kontakten einer Wandlerschicht und einer Ausleseelektronik geschaffen wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Detektormodul gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Strahlendetektor mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weitergestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Zur Erzielung einer gewissen Ortsauflösung ist die Wandlerschicht pixelartig strukturiert. Dabei werden zu jedem Pixel in Abhängigkeit der von dem Pixel erfassten Absorptionsereignisse elektrische Signale erzeugt, welche über rückseitig angeordnete Kontakte auslesbar sind. Zu jedem Pixel sind also entsprechende Kontakte vorhanden, die entsprechend der Struktur der Pixel über die gesamte Fläche des Detektormoduls verteilt angeordnet sind.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Ausfälle von einzelnen Signalführungen oder des gesamten Detektormoduls in vielen Situationen durch eine Störung der Verbindung der Kontakte zwischen der Wandlerschicht und der Trägerschicht hervorgerufen werden. Eine solche Störung kann dabei durch ein vorhandenes unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten der Wandlerschicht und der Trägerschicht verursacht werden. Durch wechselnde thermische Bedingungen im Betrieb des Detektormoduls und bei der Herstellung werden nämlich die Kontaktverbindungen mechanisch beansprucht, was in einen Kontaktabriss resultieren kann.
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Die Erfinder haben dabei erkannt, dass sich die Störungen in der Kontaktierung zwischen der Wandlerschicht und der Trägerschicht bei wechselnden thermischen Bedingungen genau dann in einem erheblichen Maße reduzieren lassen, wenn die auf der Wandlerschicht rückseitig angeordneten Kontakte auf einen wesentlich kleineren Zielbereich konzentriert werden. Für die Erfindung ist es dabei unerheblich, an welcher Position der Zielbereich in Bezug zu der Fläche der Wandlerschicht angeordnet ist. Eine sinnvolle Variante besteht darin, den Zielbereich mittig zu der Fläche der Wandlerschicht zu platzieren.
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Das erfindungsgemäße Detektormodul für einen Strahlendetektor umfasst dementsprechend eine Wandlerschicht mit rückseitig über eine Fläche verteilt angeordneten Kontakten zur Übertragung elektrischer Signale, wobei die Kontakte durch eine Umverdrahtung auf Zielkontakte auf einen im Vergleich zu dieser Fläche kleineren Zielbereich geführt sind.
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Als Rückseite wird im Zusammenhang der Erfindung jeweils diejenige Seite einer Schicht verstanden, welche bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Detektormoduls aus Richtung des Strahleneinfalls als Rückseite dieser Schicht anzusehen ist.
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Die Umverdrahtung erfolgt dabei vorzugsweise in einer Umverdrahtungsschicht. Eine derartige Umverdrahtung kann durch einen in der Siliziumtechnologie bekannten Standardprozess realisiert werden und erlaubt die Anordnung von Kontakten in Abständen von weniger als 100 μm. In Abhängigkeit der Detektormodulgröße kann damit die Fläche, auf der die Kontakte verteilt angeordnet sind, durch Umverdrahtung um einen Faktor 103 reduziert werden. In gleichem Maße verringert sich dann auch die mechanische Beanspruchung der Kontaktverbindungen durch thermische Ausdehnung. Die Gefahr eines Kontaktabrisses ist daher in erheblichem Maße reduziert. Wegen der gering benötigten Fläche für die konzentrierten Zielkontakte ergeben sich zudem auch keine Probleme mit thermischer Ausdehnung bei Lötprozessen.
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Zur mechanischen Stabilisierung des Detektormoduls ist strahlenausgangsseitig eine Trägerschicht angeordnet, welche zur elektrischen Kontaktierung der Zielkontakte in dem Zielbereich eine Aussparung aufweist.
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Bislang musste die Trägerschicht sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Funktion erfüllen. Die elektrische Funktion umfasst bislang nämlich die elektrische Durchkontaktierung der wandlerseitigen Kontakte in Richtung der Ausleseelektronik. Mögliche Materialien mit geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten, die beiden Funktionen gerecht werden, (z. B. HTCC, LTCC, usw.) sind jedoch relativ teuer. Durch die Konzentration der wandlerseitigen Kontakte auf Zielkontakte in einem Zielbereich mit sehr kleiner Flächenausdehnung ist lediglich eine einzige Aussparung in dem Trägersubstrat notwendig, um eine direkte Kontaktierung der Wandlerschicht an die weiterführenden Signalleitungen ohne Zwischenschaltung der Trägerschicht zu möglichen. Die Trägerschicht muss daher keine elektrische Funktion mehr erfüllen und ist lediglich im Hinblick auf die rein mechanische Funktion zu optimieren. So kann die Trägerschicht optimal an den Ausdehnungskoeffizienten von Silizium angepasst werden. Materialien mit geeigneten mechanischen Eigenschaften sind darüber hinaus verfügbar und kostengünstig.
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Durch die direkte Verbindung zwischen den wandlerseitigen Kontakten und den weiterführenden Signalleitungen entfällt also auch eine bei Zwischenschaltung der Trägerschicht zusätzlich notwendige Kontaktherstellung zu Kontakten auf der Vorderseite der Trägerschicht. Es entfallen also zuvor notwendige Lötschritte und Underfill-Prozesse beim Aufbau des Detektormoduls. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess und reduziert Schwachstellen bei der jeweiligen Signalführung. Insbesondere die Maßnahmen zur elektrischen Durchkontaktierung der Trägerschicht gestalten sich kompliziert, so dass sich aus dem Wegfall der elektrischen Funktion erhebliche Einsparungen bei der Trägerschichtherstellung ergeben.
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Durch den Wegfall der elektrischen Funktion muss die Trägerschicht auch nicht mehr in so präziser Form gegenüber der Wandlerschicht ausgerichtet werden, wie es bei der Herstellung einer elektrischen Kontaktierung der Schichten bislang erforderlich ist. Die Konzentration der Zielkontakte auf einen Zielbereich mit sehr kleiner Flächenausdehnung schafft bei entsprechend großer Aussparung zudem genügend Platz für eine Justage und Montage der Trägerschicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Zielkontakte über flexible Leiterbahnen mit einer Ausleseelektronik verbunden. Die Verbindung ist dadurch robust gegenüber mechanischen Einwirkungen, wie Vibrationen oder Erschütterungen. Als Verbindung kommt beispielsweise eine ACF(Anisotropic Conductive Film)-Verbindung in Betracht, bei der ein anisotroper leitfähiger Kleber eingesetzt wird, mit welchem sich präzise Klebstellen bei extrem niedrigen Prozesstemperaturen bilden lassen. Für die Kontaktierung der Zielkontakte mit den Leiterbahnen kommen neben den Klebeverbindungen vorteilhaft auch Lötverbindungen in Frage.
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Dabei sind die flexiblen Leiterbahnen vorzugsweise Teil einer flexiblen Leiterplatine. Derartige Platinen werden standardmäßig bei LCD-Monitoren eingesetzt und sind kostengünstig mit geringem Aufwand herstellbar. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Teil der Ausleseelektronik unmittelbar auf der flexiblen Leiterplatine angeordnet. Dies erlaubt also die direkte Montage beispielsweise eines die Ausleseelektronik umfassenden ASICs oder von anderen Bauteilen auf die flexible Leiterplatine. Dieses Herstellverfahren ist auch unter dem Begriff COF (Chip on Flex) bekannt.
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Weitere Aspekte der Erfindung betreffen einen Strahlendetektor für ein Computertomographiegerät, welcher eine Mehrzahl von solchen Detektormodulen umfasst.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein Computertomographiegerät mit einem Strahlendetektor, umfassend erfindungsgemäße Detektormodule,
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2 in Rückseitenansicht eine Wandlerschicht des erfindungsgemäßen Detektormoduls mit in einem Zielbereich angeordneten Zielkontakten,
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3 in Rückseitenansicht eine Trägerschicht des erfindungsgemäßen Detektormoduls mit einer Aussparung in einer Größe des Zielbereichs, und
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4 in einer Seitensicht das erfindungsgemäße Detektormodul.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei sich wiederholenden Elementen in einer Figur ist jeweils nur ein Element aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu, wobei Maßstäbe zwischen den Figuren variieren können.
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In der 1 ist in zum Teil perspektivischer und zum Teil blockschaltbildartiger Sicht ein Röntgentomographiegerät in Form eines Computertomographiegerätes 12 dargestellt. Das Computertomographiegerät 12 umfasst einen nicht gezeigten Patientenlagerungstisch zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten 14. Es umfasst ferner eine nicht dargestellte Gantry mit einem um eine Systemachse Z drehbar gelagerten Aufnahmesystem 15, 2. Das Aufnahmesystem 15, 2 weist eine Röntgenröhre 15 und einen ihr gegenüberliegend angeordneten erfindungsgemäßen Strahlendetektor 2 auf, so dass eine im Betrieb von dem Fokus 16 der Röntgenröhre 15 ausgehende Röntgenstrahlung durch den Patienten tritt und auf den Strahlendetektor 2 trifft.
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Zur Aufnahme eines Bildes von einem Untersuchungsgebiet werden bei Rotation des Aufnahmesystems 15, 2 um die Systemachse Z Projektionen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst. Im Fall einer Spiralabtastung erfolgt während einer Rotation des Aufnahmesystems 15, 2 beispielsweise gleichzeitig eine kontinuierliche Verstellung des Patientenlagerungstisches in Richtung der Systemachse Z. Das Aufnahmesystem 15, 2 bewegt sich bei dieser Art der Abtastung somit auf einer Helixbahn um den Patienten 14. Die von dem Strahlendetektor 2 während der Abtastung erfassten elektrischen Signale werden in einem Sequenzer serialisiert und anschließend an einen Bildrechner 17 übertragen. Der Bildrechner 17 enthält eine Rekonstruktionseinheit, mit der die Signale zu einem Bild verrechnet werden. Das Bild ist auf einer an den Bildrechner 17 angeschlossenen Anzeigeeinheit 18, z. B. einem Videomonitor, anzeigbar.
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Der erfindungsgemäße Strahlendetektor 2 ist in mehrere in φ-Richtung nahtlos aneinandergereihte Detektormodule 1 segmentiert. Jedes Detektormodul 1 weist eine Wandlerschicht 3 auf, in der eintreffende Röntgenquanten in die elektrischen Signale umgewandelt werden. Sie ist zur Erzielung einer gewissen Ortsauflösung in einzelne Pixel 18 strukturiert. Der gezeigte Strahlendetektor 2 ist indirekt konvertierend. Die Wandlung in elektrische Signale erfolgt daher zweistufig. In einer ersten Stufe werden die Röntgenquanten in einem Szintillatorarray 19 absorbiert und in optisch sichtbare Lichtimpulse umgewandelt. Die erzeugten Lichtimpulse werden anschließend in einer zweiten Stufe durch ein mit dem Szintillatorarray 19 optisch gekoppelten Photodiodenarray 20 in elektrische Signale umgewandelt. Der Strahlendetektor 2 wird in einem integrierenden Modus betrieben. Es wäre aber ebenso denkbar, dass der Strahlendetektor zur zählenden und zur energieselektiven Erfassung einzelner Absorptionsereignisse bei Hochflussanwendungen mit Flussraten von mehr als 108 Röntgenquanten/(mm2·s) ausgestaltet ist. Zu diesem Zweck kommen neben dem indirekt konvertierenden Ansatz auch Direktkonverter, beispielsweise eines Direktkonverters auf Basis von CdTe-, CdZnTe- oder CdZnTeSe-Halbleiterverbindungen, in Betracht.
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In der 2 wird in einer Rückseitenansicht eine Wandlerschicht 3 des erfindungsgemäßen Detektormoduls 2 gezeigt. Die von dem Photodiodenarray 20 erzeugten elektrischen Signale sind über die gestrichelt gezeigten Kontakte 4 auf der Rückseite des Photodiodenarrays 20 auslesbar. Sie werden von einer in 4 erkennbaren Umverdrahtungsschicht 8 verdeckt. In der Umverdrahtungsschicht 8 werden die Kontakte 4 auf Zielkontakte 5 geführt. Dies erfolgt beispielsweise durch schichtweises Abscheiden eines leitfähigen Materials zur Bildung entsprechender Signalführungen. Derartige Prozesse sind in der Siliziumtechnologie wohl bekannt. Die Zielkontakte 5 sind in einem sehr kleinen Zielbereich 6 in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Abstand von etwa 100 μm zueinander angeordnet.
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In der 3 ist in einer Rückansicht eine Trägerschicht 9 des erfindungsgemäßen Detektormoduls 1 mit einer Aussparung 13 in einer Größe des Zielbereichs 6 zu sehen, welches eine rein mechanische Funktion zur Stabilisierung des Detektormoduls 2 übernimmt. Die Aussparung ist dabei so gewählt, dass genügend Spielraum zur Justage und Montage vorhanden ist. Als Material kommt beispielsweise Glas oder Keramik in Betracht. Diese Materialien besitzen einen zu Silizium und somit zum Photodiodenarray 20 vergleichbaren Ausdehnungskoeffizienten, so dass mechanische Spannungen bei wechselnden Temperaturbedingungen vernachlässigbar klein sind. Die Trägerschicht 9 bildet einen Rahmen, welcher zur Herstellung eines Detektormoduls 2 mit der Wandlerschicht so verklebt wird, dass der Zielbereich 6 zur direkten Kontaktierung der Zielkontakte 5 frei bleibt.
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In der 4 ist in einer Seitenansicht ein vollständig aufgebautes Detektormodul 2 zu sehen. Die Zielkontakte 5 sind über eine Klebeverbindung, beispielsweise mittels eines ACF-Klebers, mit flexiblen Leiterbahnen elektrisch verbunden. Die Leiterbahnen werden zu diesem Zweck durch die in der Trägerschicht 9 vorhandene Aussparung 13 geführt. Die flexiblen Leiterbahnen sind dabei ein Teil einer flexiblen Leiterplatine 11, so wie sie beispielsweise bei LCD-Monitoren zum Einsatz kommt. Auf der flexiblen Leiterplatine 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel die Ausleseelektronik 10 in Form eines ASICs unmittelbar angeordnet. Die Anbindung erfolgt nach der dafür bekannten COF-Technologie.
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Ein Aufbauverfahren für das in 4 gezeigte Detektormodul umfasst also folgende wesentliche Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen einer Wandlerschicht mit rückseitig über eine Fläche 7 verteilt angeordneten Kontakten 4 zur Übertragung elektrischer Signale,
- b) Umverdrahten der Kontakte 4 auf Zielkontakte 5 auf einen im Vergleich zu dieser Fläche kleineren Zielbereich 6 geführt sind, beispielsweise in einer Umverdrahtungsschicht,
- c) Anbringen einer Trägerschicht, welche zur elektrischen Kontaktierung der Zielkontakte 5 in dem Zielbereich 6 eine Aussparung 13 aufweist, und
- d) Kontaktieren der Zielkontakte mit flexiblen Leiterbahnen, welche die elektrischen Signale an eine Ausleseelektronik weiterleiten.
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Zusammenfassend kann gesagt werden:
Die Erfindung betrifft ein Detektormodul 1 für einen Strahlendetektor 2, umfassend eine Wandlerschicht 3 mit rückseitig über eine Fläche 7 verteilt angeordneten Kontakten 4 zur Übertragung elektrischer Signale, wobei die Kontakte 4 durch eine Umverdrahtung auf Zielkontakte 5 auf einen im Vergleich zu dieser Fläche kleineren Zielbereich 6 geführt sind. Hierdurch werden die Voraussetzungen für eine einfache und eine sichere Signalführung zwischen den Kontakten 4 der Wandlerschicht 3 und einer Ausleseelektronik 10 geschaffen. Dies gelingt insbesondere dann, wenn eine zur Stabilisierung eingesetzte Trägerschicht 9 für den Zielbereich 6 eine Aussparung 13 aufweist, über die die Zielkontakte 5 unmittelbar mit den signalführenden Leitungen einer Ausleseelektronik 10 verbunden sind.
