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Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor und ein medizinisches Gerät.
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In der Röntgenbildgebung, beispielsweise in der Computertomographie, der Angiographie oder der Radiographie, können zählende direkt-konvertierende Röntgendetektoren oder integrierende indirekt-konvertierende Röntgendetektoren verwendet werden.
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Die Röntgenstrahlung oder die Photonen können in direkt-konvertierenden Röntgendetektoren durch ein geeignetes Konvertermaterial in elektrische Pulse umgewandelt werden. Als Konvertermaterial können beispielsweise CdTe, CZT, CdZnTeSe, CdTeSe, CdMnTe, InP, TlBr2, HgI2, GaAs oder andere verwendet werden. Die elektrischen Pulse werden von einer Auswerteelektronik, beispielsweise einem integrierten Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), bewertet. In zählenden Röntgendetektoren wird einfallende Röntgenstrahlung durch Zählen der elektrischen Pulse, welche durch die Absorption von Röntgenphotonen im Konvertermaterial ausgelöst werden, gemessen. Die Höhe des elektrischen Pulses ist in der Regel proportional zur Energie des absorbierten Röntgenphotons. Dadurch kann eine spektrale Information durch den Vergleich der Höhe des elektrischen Pulses mit einem Schwellwert extrahiert werden.
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Die Röntgenstrahlung oder die Photonen können in indirekt-konvertierenden Röntgendetektoren durch ein geeignetes Konvertermaterial in Licht und mittels Photodioden in elektrische Pulse umgewandelt werden. Als Konvertermaterial werden häufig Szintillatoren, beispielsweise GOS (Gd2O2S), CsJ, YGO oder LuTAG, eingesetzt. Szintillatoren werden insbesondere in der medizinischen Röntgenbildgebung im Energiebereich bis 1MeV eingesetzt. Üblicherweise werden sogenannte indirekt-konvertierende Röntgendetektoren, sogenannte Szintillatordetektoren, verwendet, bei denen die Konvertierung der Röntgen- oder Gammastrahlen in elektrische Signale in zwei Stufen erfolgt. In einer ersten Stufe werden die Röntgen- oder Gammaquanten in einem Szintillatorelement absorbiert und in optisch sichtbares Licht umgewandelt, dieser Effekt wird Lumineszenz genannt. Das durch Lumineszenz angeregte Licht wird anschließend in einer zweiten Stufe durch eine mit dem Szintillatorelement optisch gekoppelten ersten Photodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt, über eine Auswerte- oder Ausleseelektronik ausgelesen und anschließend an eine Recheneinheit weitergeleitet.
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Bei extremen Anforderungen an die Verwindung und Verwölbung von sogenannten Schaltungsträgern oder Trägersubstraten, welche zur Ausleitung der elektrischen Signale aus dem Röntgendetektor verwendet werden, wird vorwiegend auf keramische Substrate zurückgegriffen, da diese sehr geringe Ausdehnungskoeffizienten sowohl parallel zur der Röntgenstrahlung zugewandten Seite des Konvertermaterials als auch in Richtung der Röntgenstrahlung besitzen.
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Auf einen Trägersubstrat sind beispielsweise Photodioden-Elemente oder integrierte Schaltkreise (ASIC) aufgelötet. Das Trägersubstrat fungiert in diesem Aufbau sowohl als Umverdrahtung, so dass in den Lagen die Leitungen bis zum Stecker oder Connector, der sich auf der Unterseite des Substrats befindet geführt werden. Die weitere Signalführung erfolgt anschließend über ein einzusteckendes Flachbandkabel. Des Weiteren übernimmt das Trägersubstrat ebenfalls die Aufgabe der mechanischen Stabilisierung des Aufbaus. Die Photodioden-Elemente oder integrierten Schaltkreise müssen aus mechanischen Gründen unterfüllt werden.
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Aufgrund von Anforderung an die Verwindung und Verwölbung von aufgebauten Photodioden-Boards, welche weniger als 40μm oder weniger als 0,1 Prozent der Diagonale des Schaltungsträgers betragen sollen, bei Röntgendetektoren, insbesondere für die Computertomographie, die auf weiteren Assemblierungsschritten beruhen, finden bisher vorwiegend Keramiken, beispielsweise LTCC oder HTCC, als Substrat ihre Anwendung. Diese Verwölbungsanforderungen werden von organischen Substraten, beispielsweise Leiterplatten im Allgemeinen, FR4, Rogers, Hoch-Tg-Materialien mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten in x/y- und z-Richtung der Leiterplatte oder aber auch LCP-Materialien (Liquid Crystal Polymers), aktuell nicht reproduzierbar eingehalten.
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Bedingt durch das Mismatch oder den Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien würde sich bei der Verwendung eines organischen Substrats, beispielsweise FR4, Rogers oder andere, bei der Aushärtung des Materials eine nichtdefinierbare Verwindung und Verwölbung des Aufbaus einstellen, der die Anforderung von weniger als 40μm oder weniger als 0,1 Prozent der Diagonale des Schaltungsträgers überschreiten würde.
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In der Regel wird diese Anforderung lediglich durch den Einsatz von keramischen Substraten erzielt, deren Verwölbungsverhalten sich auf den Gesamtaufbau positiv überträgt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Röntgendetektor und ein medizinisches Gerät anzugeben, welche eine Entkopplung einer mechanischen Stabilisierung einer elektrischen Leitung zur Ausleitung elektrischer Signale aus dem Röntgendetektor und einer Umverdrahtungseinheit ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Röntgendetektor nach Anspruch 1 und medizinisches Gerät nach Anspruch 14.
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Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor zur direkten Umwandlung oder zur indirekten Umwandlung von Röntgenstrahlung in elektrische Signale. Der Röntgendetektor weist eine Ausleseeinheit zum Auslesen der elektrischen Signale, eine erste elektrisch leitende Lotverbindung zwischen der Ausleseeinheit und einer elektrischen Leitung, Umverdrahtungseinheit zur Umordnung von elektrischen Verbindungen, die elektrische Leitung zur Ausleitung der elektrischen Signale aus dem Röntgendetektor, und eine passive Versteifungseinheit zur mechanischen Stabilisierung der elektrischen Leitung auf. Die Ausleseeinheit, die erste elektrisch leitende Lotverbindung und die passive Versteifungseinheit sind in einem Stapelaufbau angeordnet.
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Die Ausleseeinheit kann ein Photodioden-Element, beispielsweise aufweisend mehreren Szintillatorelementen zugeordnete mehrere Photodioden, oder ein integrierter Schaltkreis, welcher einem direkt-konvertierenden Konvertermaterial zugeordnet sein kann, sein. Der Röntgendetektor kann mehrere Ausleseeinheiten oder mehrere Einheiten des Konvertermaterials aufweisen. Der Röntgendetektor kann auch als Detektormodul bezeichnet werden.
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Die elektrische Leitung kann eine Flex- oder Starrflex-Leiterplatte, eine flexible Leiterplatten oder eine elektrische Leitung durch einen Interposer oder die Versteifungseinheit sein. Die elektrische Leitung kann mehrere Lagen aufweisen. Die elektrische Leitung kann besonders bevorzugt eine einzige Lage aufweisen. Die elektrische Leitung kann bevorzugt 1 bis 4 Lagen aufweisen. Im Starrbereich einer elektrischen Leitung, beispielsweise einer Starrflex-Leiterplatte, kann eine größere oder höhere Anzahl an Lagen vorgesehen sein als im flexiblen Bereich der elektrischen Leitung. Die etwaigen mehreren Lagen im Starrbereich der elektrischen Leitung können als Umverdrahtungseinheit vorgesehen sein.
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Die Versteifungseinheit kann als Stiffener bezeichnet werden. Die Versteifungseinheit kann ein Metallmaterial oder ein Keramikmaterial aufweisen, bzw. kann die Versteifungseinheit mit einem Metallmaterial oder mit einem Keramikmaterial aufgebaut sein. Die Versteifungseinheit kann den Anforderungen an die Verwindung oder Verwölbung genügen. Die Versteifungseinheit kann vorteilhaft wärmeleitfähig sein, so dass ein Wärmeabtransport vom Konvertermaterial weg, beispielsweise hin zur etwaigen Modulmechanik, verbessert werden kann. Die Versteifungseinheit kann mechanisch, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, mit einem etwaigen Rahmenelement verbunden sein. Die Versteifungseinheit ist eine passive Versteifungseinheit, wobei sie beispielsweise zur mechanischen Stabilisierung dient. Die Versteifungseinheit kann keine aktiven Bauteile aufweisen. Die passive Versteifungseinheit kann mit der elektrischen Leitung kombiniert sein.
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Die Umverdrahtungseinheit kann eine Leiterplatte, beispielsweise aus einem organischen Substrat, sein. Die Umverdrahtungseinheit kann bevorzugt steif sein. Die Umordnung der elektrischen Verbindung kann zu einer Erhöhung der Dichte der elektrischen Verbindungen führen, so dass die elektrischen Verbindungen an einen Stecker oder Connector angeschlossen werden können. Die Dichte der Kontaktpunkte an den Detektorelementen bzw. Ausleseeinheiten ist zum Beispiel durch die Abmessungen der Detektorfläche vorgegeben. Bei der Steckverbindung bzw. dem Connector kann hingegen eine höhere Dichte der Kontaktpunkte (d.h. Anzahl von Kontaktpunkten pro Fläche) erwünscht sein. Dies kann durch eine entsprechende Umverdrahtungseinheit bewirkt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Versteifungseinheit ein organisches Substrat oder/und eine Keramik oder/und ein Keramikmaterial auf. Die Versteifungseinheit kann vorteilhaft zur Kombination mit elektrischen Leitungen als Interposer geeignet sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die elektrische Leitung von der Versteifungseinheit umfasst. Umfassen kann sowohl als Umgeben oder Umschließen als auch als Aufweisen verstanden werden. Die elektrischen Leitungen können als sogenannte Vias, also mit einem elektrisch leitfähigen Material ausgekleidete Löcher oder Bohrungen durch die Versteifungseinheit, ausgebildet sein. Die elektrisch leitfähige Auskleidung kann die elektrische Leitung darstellen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Versteifungseinheit ein Metall oder/und eine Keramik oder/und ein Keramikmaterial auf. Die Versteifungseinheit kann ein gegen Verwölbung und Verbiegung stabiles Material aufweisen. Das Material der Versteifungseinheit kann bevorzugt eine geeignete Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die elektrische Leitung zumindest teilweise flexibel. Zumindest teilweise flexibel kann bedeuten, dass die elektrische Leitung zumindest in einem Teilabschnitt der Leitung entlang der Leitungsrichtung flexibel sein kann. Die elektrische Leitung kann eine flexible elektrische Leitung sein. Die elektrische Leitung kann eine flexible Leiterplatte sein. Die elektrische Leitung kann eine Starrflex-Leiterplatte sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umschließt die elektrische Leitung die Versteifungseinheit zumindest teilweise. Die elektrische Leitung kann um die Versteifungseinheit herumgebogen werden, um die elektrischen Signale von der Oberseite der Versteifungseinheit auf die Unterseite zu führen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Versteifungseinheit eine Öffnung als Durchlass für die elektrische Leitung auf. Die Öffnung in der Versteifungseinheit kann zum Durchführen der elektrischen Leitung von der Oberseite der Versteifungseinheit zur Unterseite der Versteifungseinheit genutzt werden. Die Öffnung kann als gemeinsame Öffnung für eine Mehrzahl von elektrischen Leitungen oder alle elektrischen Leitungen dienen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist der Röntgendetektor ferner ein Rahmenelement zur mechanischen Aufnahme der elektrischen Leitung, der Versteifungseinheit und der Umverdrahtungseinheit auf. Das Rahmenelement kann ein Metallrähmchen sein. Das Rahmenelement kann insbesondere in Verbindung mit einem Interposer oder einer flexiblen Leiterplatte verwendet werden. Das Rahmenelement kann beispielsweise ein Metallmaterial aufweisen. Das Rahmenelement kann beispielsweise Al, Cu oder AlZn aufweisen. Das Rahmenelement kann eine gute oder geeignete Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das Rahmenelement ein Metallmaterial auf. Das Rahmenelement kann vorteilhaft zur Wärmeleitung geeignet sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Umverdrahtungseinheit oder/und das Rahmenelement eine Befestigungsvorrichtung auf. Mittels der Befestigungsvorrichtung kann beispielsweise das Rahmenelement oder die Umverdrahtungseinheit mit der Modulmechanik mechanisch verbunden werden. Die Befestigungsvorrichtung kann beispielsweise die Verwendung einer, insbesondere thermisch leitfähigen, Schraube vorsehen. Die Schraube kann beispielsweise ein Metallmaterial aufweisen. Vorteilhaft kann eine Befestigungsvorrichtung zur mechanischen Verbindung zur Modulmechanik vorgesehen sein. Vorteilhaft kann die Befestigungsvorrichtung zur Wärmeleitung geeignet sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das der Ausleseeinheit abgewandte Ende der elektrischen Leitung von der Umverdrahtungseinheit umfasst oder das der Ausleseeinheit abgewandte Ende der elektrischen Leitung mündet in die Umverdrahtungseinheit. Die, insbesondere flexible, elektrische Leitung kann an einem Ende von der Umverdrahtungseinheit, einer starren Leiterplatte, umschlossen sein. Die elektrische Leitung kann gemeinsam mit der Umverdrahtungseinheit als eine Starrflex-Leiterplatte ausgebildet sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist der Röntgendetektor ferner ein Bauteil, welches auf der elektrischen Leitung, der Umverdrahtungseinheit oder der Versteifungseinheit montiert ist, auf. Das Bauteil kann ein Widerstand oder eine Kapazität sein, welches beispielsweise nah an der Auswerteinheit vorgesehen ist. Das Bauteil kann vorteilhaft in geringer Entfernung zum Photodioden-Element oder zum integrierten Schaltkreis angeordnet werden. Ein Abstand zwischen dem Bauteil und der Ausleseeinheit kann geringer sein als ein Abstand zwischen der Umverdrahtungseinheit und der Ausleseeinheit, wobei das Bauteil eine Kapazität oder einen Widerstand aufweist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Umverdrahtungseinheit einen Connector oder eine Steckverbindung zur weiteren Ausleitung der elektrischen Signale aus dem Röntgendetektor auf. Der Connector kann ein Stecker oder eine ZIF-Ausleitung sein.
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Die Erfindung beschreibt ein Konzept und eine Ausführung eines sogenannten Flexaufbaus, also eines Röntgendetektors aufweisend eine flexible elektrische Leitung oder flexible Leiterplatte, wobei trotz des Verzichts auf einen keramischen Schaltungsträger die Anforderungen an Verwindung und Verwölbung realisiert werden können.
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Anstelle eines entflochtenen Keramiksubstrats werden der integrierte Schaltkreis oder die Photodioden-Elemente auf einer flexiblen Leiterplatte oder einem Flexboard oder einer elektrischen Leitung bestückt und fixiert, beispielsweise gelötet oder leitgeklebt, welches auf einem mechanischen Grundträger oder einer Versteifungseinheit (engl.: Stiffener) aufgebracht ist. Aufbringen kann als Laminieren, Verkleben, Aufpressen, Verpressen oder andere Verfahren zur Verbindung verstanden werden. Bei der Versteifungseinheit kann es sich ebenfalls weiterhin um ein keramisches Substrat handeln, jedoch besitzt dieses keine elektrische Funktion wie eine teure Entflechtung oder Umverdrahtung.
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Die Versteifungseinheit kann auch aus anderen Materialien, beispielsweise Aluminium, Kupfer oder ähnliches, bestehen und zur Entwärmung des Röntgendetektors in die dem Konvertermaterial entgegengesetzte Richtung genutzt werden. Die Wärme kann beispielsweise weiter an eine Modulmechanik übertragen werden. Um die spätere Anreihbarkeit der verbauten Photodioden-Elemente oder integrierten Schaltkreise zu ermöglichen, ist es notwendig, dass die, insbesondere flexible, elektrische Leitung nicht seitlich neben den Rändern des Photodioden-Elements hinausgeführt werden darf. Der Bereich der, insbesondere flexiblen, elektrischen Leitung weist in etwa identische zu den vorherigen Abmaßen der bisherigen Aufbauten mit keramischen Substraten auf. Die Wegführung der elektrischen Signale unterhalb des Photodioden-Elementes oder des integrierten Schaltkreises stellt eine wesentliche Anforderung an die Versteifungseinheit und die elektrische Leitung.
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Bei der Herstellung der, insbesondere flexiblen, elektrischen Leitung kann die dem Konvertermaterial abgewandte Lage nur teilweise mit einer darüber liegenden Lage verpresst sein. Somit kann die mindestens eine nicht-verpresste Lage als „Flachbandkabel“ genutzt werden und in einem Radius zur dem Konvertermaterial abgewandten Seite gebogen werden.
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Damit kann die mindestens eine nicht-verpresste Lage bei der Herstellung der, insbesondere flexiblen, elektrischen Leitung oder der flexiblen Leiterplatte von den Dimensionen unabhängig von den oberen Lagen, wobei die verpresste, obere Lage die Ausdehnung des Photodioden-Elements oder Photodioden-Elemente aufweisen, gestaltet werden. Die untere, nicht-verpresste Lage kann länger sein, da sie als elektrische Leitung zur Ausleitung der elektrischen Signale aus dem Röntgendetektor dienen kann. Die Möglichkeit zum Ausleiten der elektrischen Signale mittels der unverpressten oder nicht-verpressten Lage kann vorteilhaft die Verwendung der Kombination aus Versteifungseinheit und flexibler Leiterplatte ermöglichen, wobei eine Anreihbarkeit von mehreren Röntgendetektoren gewährleistet ist.
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Die Versteifungseinheit kann eine Öffnung als Durchlass für die elektrische Leitung, insbesondere die nicht-verpresste Lage zur Ausleitung der elektrischen Signale aus dem Röntgendetektor, aufweisen Vorteilhaft kann die Verwindung und die Verwölbung des Aufbaus des Röntgendetektors durch die Versteifungseinheit eingestellt oder vermindert werden. Vorteilhaft kann die Umverdrahtung im Keramiksubtrat vermieden werden. Vorteilhaft kann ein teures Keramiksubstrat durch ein organisches Substrat, beispielsweise Leiterplatten im Allgemeinen, FR4 oder Rogers, Hoch-Tg-Materialien mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten in x/y- und z-Richtung der Leiterplatte oder aber auch LCP-Materialien (Liquid Crystal Polymers), ersetzt werden. Vorteilhaft kann ein Flachbandkabel durch die flexible elektrische Leitung ersetzt werden. Vorteilhaft ist der Aufbau mit einer flexiblen elektrischen Leitung günstiger in der Herstellung als eine Umverdrahtung in einem Keramiksubstrat.
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Die Erfindung beschreibt ein Konzept und eine Ausführung eines sogenannten kombinierten Flex-Stiffener-Aufbaus mit einer darunterliegenden Leiterplatte oder Umverdrahtungseinheit, die die Umverdrahtung übernimmt. Der kombinierte Flex-Stiffener-Aufbau kann eine flexible elektrische Leitung und eine Versteifungseinheit aufweisen.
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Die Umverdrahtung oder Umordnung der elektrisch leitenden Verbindungen kann weiterhin auf der der Röntgenstrahlung abgewandten Seite des integrierten Schaltkreises oder des Photodioden-Elements erfolgen. Um die Umverdrahtung zu erreichen, kann eine ähnliche Anzahl an Lagen notwendig sein wie sie in Konzepten mit einem keramischen Substrat verwendet werden. Die Anzahl der Lagen kann bei der Verwendung von keramischen Substraten im Bereich von 8 bis 12 liegen.
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Eine hohe Anzahl an Lagen, beispielsweise mehr als 5 Lagen, kann, bedingt durch den Aufbau der elektrischen Leitung aus Kupferleitungen, Laminat und Harzanteilen, trotz Verwendung einer Versteifungseinheit zu einer reliefartigen Oberflächenstruktur als auch zur Verwindung des Aufbaus führen, die die hohen Anforderungen an die Verwindung und Verwölbung nicht erfüllen würden. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wird im Bereich unterhalb des integrierten Schaltkreises oder der Photodioden-Elemente keine Umverdrahtung oder lediglich eine einzige Umverdrahtung realisiert, so dass dort nur wenige Lagen, beispielsweise 1 bis 4, notwendig sein können. Die flexible elektrische Leitung kann die elektrischen Signale von der dem integrierten Schaltkreis oder dem Photodioden-Element zugewandten Seite zur der dem integrierten Schaltkreis oder dem Photodioden-Element abgewandten Seite führen. Die flexible elektrische Leitung kann einen mittleren Bereich zur Ankontaktierung an den integrierten Schaltreis oder das Photodioden-Element aufweisen. In einem Randbereich kann die flexible elektrische Leitung einen Bereich zum Ankontaktieren an die Umverdrahtungseinheit aufweisen. Der mittlere Bereich und der Randbereich können beabstandet sein, sodass ein Bereich ohne die Möglichkeit zur Ankontaktierung bereitgestellt ist, der zum Umschließen oder Umbiegen um die Versteifungseinheit geeignet ist. Der mittlere Bereich kann auf der dem integrierten Schaltkreis oder dem Photodioden-Element zugewandten Seite der Versteifungseinheit fixiert werden sowie der Randbereich kann auf der entgegengesetzten Seite fixiert werden. Fixieren kann als Kleben, Heiß- oder Kaltverpressen, Laminieren oder ähnliches verstanden werden. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit kann ein gefüllter Klebstoff verwendet werden. Die mechanische Stabilisierung erfolgt somit über die Versteifungseinheit, um den die flexible elektrische Leitung herum aufgebracht oder fixiert sein kann.
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Eine mittige Kavität oder Aussparung in der Versteifungseinheit kann die Unterbringung von einem eventuell notwendigen Bauteil, das nahe zum integrierten Schaltkreis oder Photodioden-Element platziert werden soll, ermöglichen. Das Bauteil kann zunächst auf die flexible elektrische Leitung aufgelötet oder aufgebracht werden. Anschließend kann die flexible elektrische Leitung auf der Versteifungseinheit fixiert werden. Das Bauteil kann beispielsweise eine Kapazität oder ein Widerstand sein.
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Die Umverdrahtungseinheit an der dem integrierten Schaltkreis oder dem Photodioden-Element abgewandten Seite der Versteifungseinheit kann zur Umverdrahtung oder Umordnung der elektrischen Verbindungen verwendet werden. Die Umverdrahtungseinheit wird mittels einer zweiten Lotverbindung oder einer ähnlichen elektrisch leitenden Verbindung mit der elektrischen Leitung elektrisch leitend verbunden. Das Photodioden-Element oder der integrierte Schaltkreis ist mit einer ersten Lotverbindung elektrisch leitend mit der elektrischen Leitung verbunden. Dabei können mehrere, beispielsweise 2 bis 4, Lotverbindungen oder eine Lotverbindung pro Leiterbahn der elektrischen Leitung vorgesehen sein.
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Die Umverdrahtungseinheit kann einen Stecker oder Connector aufweisen, über den die elektrischen Signale mittels eines Flachbandkabels an die weitere Elektronik weitergeleitet werden können.
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Die Umverdrahtungseinheit kann als Quader ausgestaltet sein. Seitliche Aussparungen an der Umverdrahtungseinheit in den vier Ecken parallel zur Richtung Flächennormalen der dem integrierten Schaltkreis oder dem Photodioden-Element zugewandten Seite des Umverdrahtungseinheit als auch Aussparungen an der flexiblen elektrischen Leitung können dazu dienen, dass die Umverdrahtungseinheit zur Fixierung des Röntgendetektors oder Sensorboards auf dem Modulcarrier oder der Modulmechanik nicht als direkter Fügepartner fungiert, sondern dass ein Rahmenelement hier die Formgebung übernehmen kann. Das Rahmenelement kann eine Grundplatte mit Aussparungen für den Stecker oder Connector aufweisen. Das Rahmenelement kann an den vier Ecken Stifte, Dome oder Quader, beispielsweise mit einer Höhe in etwa entsprechend der Höhe der Umverdrahtungseinheit, der elektrischen Leitung und der Versteifungseinheit aufweisen.
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Vorteilhaft kann die Umverdrahtung und die mechanische Stabilisierung entkoppelt werden. Vorteilhaft kann eine flexible elektrische Leitung oder eine flexible Leiterplatte eingesetzt werden, die im Bereich des Photodioden-Elements oder des integrierten Schaltkreises wenige Lagen, beispielsweise 1 bis 4, aufweist und die in Verbindung mit der Versteifungseinheit die Anforderungen an die Verwindung und Verwölbung erfüllen kann.
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Die flexible elektrische Leitung kann hierbei die Signale von der Oberseite der Versteifungseinheit auf dessen Unterseite führen. Die flexible elektrische Leitung kann auch auf der Unterseite der Versteifungseinheit an der Versteifungseinheit fixiert sein. Auf der Umverdrahtungseinheit, die mit der Unterseite der Flex verbunden werden kann, beispielsweise durch Löten oder ähnliches, kann die Umverdrahtung erfolgen, so dass die Signale anschließend über einen Stecker oder Connector mittels Flexbandkabel oder Flachbandkabel weitergeleitet werden können.
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Vorteilhaft kann die Kombination aus flexibler elektrischer Leitung, Versteifungseinheit und Umverdrahtungseinheit günstiger hergestellt werden als bei der Verwendung von Keramiksubstraten zur gleichzeitigen mechanischen Stabilisierung und Umverdrahtung.
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Die Erfindung beschreibt ein Konzept und eine Ausführung eines sogenannten Starrflex-Aufbaus. Der Starrflex-Aufbau weist eine flexible elektrische Leitung auf, welche an einem Ende von einer Umverdrahtungseinheit umfasst oder umschlossen sein kann. Vorteilhaft kann trotz des Verzichts auf einen keramischen Schaltungsträger die Anforderungen an Verwindung und Verwölbung realisiert werden.
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Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wird im Bereich unterhalb des integrierten Schaltkreises oder der Photodioden-Elemente keine Umverdrahtung oder lediglich eine einzige Umverdrahtung realisiert, so dass dort nur wenige Lagen, beispielsweise 2 bis 4, notwendig sein können. Die Lage oder Lagen können auf der Versteifungseinheit fixiert werden. Die Verwölbungsanforderungen sollen insbesondere im Bereich der Fixierung eingehalten werden.
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Die Signale können mittels der flexiblen elektrischen Leitungen über einen Seite oder zweiseitig an der Versteifungseinheit entlang weggeführt werden. Die flexiblen elektrischen Leitungen können in einen Starrbereich münden. In einem Starrbereich des Aufbaus, in dem die flexiblen elektrischen Leitungen enden, erfolgt die Umverdrahtung. Die Umverdrahtungseinheit und die flexible elektrische Leitung können direkt miteinander verbunden sein. Die flexible elektrische Leitung kann im Starrbereich von der Umverdrahtungseinheit umschlossen oder umgeben sein. Bei der Umverdrahtung können die Leitungen auf nur wenige Kontakte, beispielsweise ein Drittel der Anzahl an Ausgangssignalen am Photodioden-Element oder am integrierten Schaltkreis, reduziert werden, die über einen Stecker abgegriffen werden können. Alternativ kann das Substratende des Starrbereichs oder der Umverdrahtungseinheit direkt als ZIF-Kontakt ausgeführt werden, der als Ersatz für ein späteres Flexbandkabel oder Flachbandkabel dienen kann.
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Vorteilhaft kann die Umverdrahtung und die mechanische Stabilisierung entkoppelt werden. Vorteilhaft kann eine Starrflex-Leiterplatte oder eine flexible elektrische Leitung, welche an einem Ende von einer Umverdrahtungseinheit umfasst oder umschlossen sein kann, verwendet werden, die im Bereich des Photodioden-Elements oder des integrierten Schaltkreises als flexible elektrische Leitung mit wenigen Lagen auf einer Versteifungseinheit die Anforderungen an die Verwindung und Verwölbung erfüllen kann. Nach dem seitlichen „Biegen“ um die Versteifungseinheit, welche für die Anreihbarkeit mehrerer Photodioden-Elemente, integrierter Schaltkreise oder Konvertermaterialien notwendig sein kann, kann örtlich auf dem Starrbereich der Starrflex-Leiterplatte die Umverdrahtung erfolgen. Vorteilhaft kann ein Aufbau mit einer Starrflex-Leiterplatte günstiger hergestellt werden als bei der Verwendung von Keramiksubstraten zur gleichzeitigen mechanischen Stabilisierung und Umverdrahtung.
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Die Erfindung beschreibt ein Konzept und eine Ausführung eines Aufbaus mit Interposers und einer darunterliegenden Umverdrahtungseinheit, die die Umverdrahtung übernimmt. Der Interposer kann eine Versteifungseinheit sein, welche die elektrische Leitung umfasst. Die elektrische Leitung kann nicht-flexibel sein.
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Zur Vermeidung von Verwindungen oder Verwölbungen durch viele Lagen in einer flexiblen elektrischen Leitung kann im Bereich unterhalb des integrierten Schaltkreise oder des Photodioden-Elements ein sogenannter Interposer eingesetzt werden, der lediglich dazu dient die Signale auf der Oberseite, vom integrierten Schaltkreis oder vom Photodioden-Element kommend, auf die Unterseite zur Umverdrahtungseinheit zu führen. Dieser Interposer kann die elektrischen Leitungen als sogenannte Vias aufweisen, die die Signale von der Oberseite zur Unterseite leiten können. Der Interposer kann die Funktion der mechanischen Stabilisierung übernehmen und somit die Einhaltung der hohen Verwindungs- und Verwölbungsanforderungen gewährleisten. Der Interposer kann ein Keramikmaterial, beispielsweise LTCC oder HTCC, oder Leiterplatten im Allgemeinen, FR4, Rogers, Hoch-Tg-Materialien mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten in x/y- und z-Richtung der Leiterplatte oder aber auch LCP-Materialien (Liquid Crystal Polymers) oder ähnliche, aufweisen. Mittels der elektrischen Leitungen durch die Umverdrahtungseinheit können die Signale direkt durch den Interposer geführt werden. Vorteilhaft kann eine Anreihbarkeit von Röntgendetektoren erreicht werden.
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Die Umverdrahtungseinheit unterhalb der Versteifungseinheit kann mittels eines Lötprozesses oder einer ähnlichen Technologie mit dem Interposer, also der kombinierten Einheit aus Versteifungseinheit und elektrischer Leitung, verbunden werden. Das etwaige Bauteil kann an der Unterseite der Umverdrahtungseinheit oder zwischen der Versteifungseinheit und der Umverdrahtungseinheit vorgesehen sein.
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Zur Verbindung der einzelnen Komponenten mittels Löten kann ein stufiges Lötverfahren oder Stufenlöten verwendet werden. Zunächst kann ein zweites Lot auf den Kontakten der Umverdrahtungseinheit aufgebracht werden. Durch Reflow-Löten kann die Umverdrahtungseinheit mittels der zweiten Lotverbindung mit der elektrischen Leitung verbunden werden. Die elektrische Leitung kann mit einer ersten Lotverbindung, ebenfalls mittels Reflow-Löten, mit der Ausleseeinheit, beispielsweise dem Photodioden-Element oder dem integrierten Schaltkreis, verbunden werden. Das zweite Lot der zweiten Lotverbindung kann bevorzugt einen höheren Schmelzpunkt als das erste Lot der ersten Lotverbindung aufweisen. Im Fall eines direkt-konvertierenden Röntgendetektors kann die weitere Lotverbindung zum Verbinden des integrierten Schaltkreises mit dem Konvertermaterial ein weiteres Lot aufweisen, welches eine niedrigere Schmelztemperatur als das erste Lot aufweist. Die Verbindung der teilbestückten Umverdrahtungseinheit mit dem Interposer erfolgt durch ein niedrig schmelzenderes Legierungssystem oder Lot als die Verbindung des Steckers oder Connectors auf der Rückseite der Umverdrahtungseinheit.
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Die seitlichen Aussparungen an der Umverdrahtungseinheit können dazu dienen, dass die Leiterplatte im späteren Prozess der Fixierung des Röntgendetektors oder des Sensorboards auf dem Modulcarrier oder der Modulmechanik nicht als direkter Fügepartner fungiert, sondern dass ein Rahmenelement hier die Formgebung übernimmt. Durch die Anbindung an das Rahmenelement, welches durch die Dome mit dem Interposer verbunden werden kann, kann vorteilhaft eine zusätzliche Wärmeabfuhr gewährleistet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann auf das Rahmenelement verzichtet werden und der Röntgendetektor kann beispielsweise mittels eines Befestigungselements zur Befestigung der Umverdrahtungseinheit mit dem Modulcarrier mechanisch verbunden werden.
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Vorteilhaft kann die Umverdrahtung und die mechanische Stabilisierung entkoppelt werden. Der Einsatz eines Interposers kann die Anreihbarkeit der einzelnen Röntgendetektoren zueinander vereinfachen oder ermöglichen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein medizinisches Gerät aufweisend einen erfindungsgemäßen Röntgendetektor. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das medizinische Gerät ein Computertomograph. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Röntgendetektors können vorteilhaft auf das medizinische Gerät übertragen werden. Vorteilhaft können die Kosten für das medizinische Gerät gesenkt werden. Vorteilhaft kann die Lebensdauer des Röntgendetektors verbessert werden. Vorteilhaft kann ein Wärmeabtransport vom Konvertermaterial hin zur Modulmechanik verbessert werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 schematisch ein Konzept eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 schematisch ein Konzept einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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3 schematisch ein Konzept eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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4 schematisch ein Konzept einer erfindungsgemäßen Versteifungseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
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5 schematisch ein Konzept eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors gemäß einer dritten Ausführungsform;
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6 schematisch ein Konzept einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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7 schematisch ein Konzept einer erfindungsgemäßen Umverdrahtungseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
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8 schematisch ein Konzept einer erfindungsgemäßen Umverdrahtungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer ersten Draufsicht;
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9 schematisch ein Konzept einer erfindungsgemäßen Umverdrahtungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer zweiten Draufsicht;
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10A schematisch ein Konzept einer erfindungsgemäßen Versteifungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer ersten Draufsicht;
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10B schematisch ein Konzept einer erfindungsgemäßen Versteifungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer zweiten Draufsicht;
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11 schematisch ein Konzept eines erfindungsgemäßen Rahmenelements in einer ersten Draufsicht;
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12 schematisch ein Konzept eines erfindungsgemäßen Rahmenelements in einer zweiten Draufsicht;
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13 schematisch ein Konzept einer Anordnung einer elektrischen Leitung, einer Versteifungseinheit und einer Umverdrahtungseinheit in einem erfindungsgemäßen Rahmenelement;
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14 schematisch ein Konzept eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors gemäß einer vierten Ausführungsform;
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15 schematisch ein Konzept eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors gemäß einer fünften Ausführungsform;
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16 schematisch ein Konzept eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors gemäß einer sechsten Ausführungsform;
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17 schematisch ein Konzept eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors gemäß einer siebten Ausführungsform; und
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18 schematisch eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Computertomographen.
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Die 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgendetektors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Konvertermaterial 2, die beispielsweise vier Auswerteeinheiten 3, die ersten Lotverbindungen 4, die elektrische Verbindung 5 und die Versteifungseinheit 6 sind in einer Stapelanordnung angeordnet. Die ersten Lotverbindungen 4 zwischen den Auswerteeinheiten 3 und der elektrischen Leitung 5 können zur mechanischen Stabilisierung unterfüllt sein. Das Konvertermaterial 2 kann ein direkt-konvertierendes Konvertermaterial oder ein indirekt-konvertierendes Konvertermaterial sein. Die Versteifungseinheit 6 kann beispielsweise eine Höhe von 1 bis 3 mm, bevorzugt 2 mm, aufweisen. Das Konvertermaterial 2 ist die oberste Komponente der Stapelanordnung.
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Die 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Leitung 5 gemäß einer ersten Ausführungsform. In der Draufsicht ist die elektrische Leitung 5 mit den ersten Lotverbindungen 4 dargestellt. Die Anordnung der ersten Lotverbindungen 4 entspricht der Anordnung der Kontakte an den Ausleseeinheiten 3.
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Die 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgendetektors 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die beispielsweise zwei Auswerteeinheiten 3, die ersten Lotverbindungen 4, die elektrische Verbindung 5 und die Versteifungseinheit 6 sind in einer Stapelanordnung angeordnet. Mittels einer Öffnung 6a in der Versteifungseinheit 6 kann die elektrische Leitung 5 durch die Versteifungseinheit 6 hindurchgeführt werden. Bei der Herstellung der flexiblen elektrischen Leitung 5 sind die unteren beispielsweise zwei Lagen 5a nur teilweise mit den darüber liegenden Lagen 5a verpresst. Somit können die nicht-verpressten Lagen 5a als „Flachbandkabel“ genutzt werden.
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Die 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versteifungseinheit 6 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Öffnung 6a in der Versteifungseinheit 6 dient zur Herausführung der unteren nicht-verpressten Lagen 5a.
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Die 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgendetektors gemäß einer dritten Ausführungsform. Die beispielsweise zwei Auswerteeinheiten 3, die ersten Lotverbindungen 4, die elektrische Verbindung 5, welche um die Versteifungseinheit 6 gebogen ist, die zweite Lotverbindung 8, die Umverdrahtungseinheit 9 und der Connector 10 sind in einer Stapelanordnung angeordnet. Der Connector 10 ist die unterste Komponente der Stapelanordnung.
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Die 6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Leitung 5 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die flexible elektrische Leitung 5 weist einen mittleren Bereich zur Ankontaktierung mittels der ersten Lotverbindungen 4 an die Ausleseeinheit 3 auf. In einem Randbereich weist die flexible elektrische Leitung 5 einen Bereich zum Ankontaktieren mittels der zweiten Lotverbindungen 8 an die Umverdrahtungseinheit 9 auf. Die Lotverbindungen 8 sind zur besseren Darstellung eckig dargestellt, die Lotverbindungen 8 können rund ausgebildet sein. Der mittlere Bereich und der Randbereich sind beabstandet, sodass ein Bereich ohne die Möglichkeit zur Ankontaktierung bereitgestellt ist, der zum Umschließen oder Umbiegen um die Versteifungseinheit 6 geeignet ist. Der mittlere Bereich kann auf der der Ausleseeinheit 3 zugewandten Seite der Versteifungseinheit 6 fixiert werden sowie der Randbereich kann auf der entgegengesetzten Seite der Versteifungseinheit 6 fixiert werden. Fixieren kann als Kleben, Heiß- oder Kaltverpressen, Laminieren oder ähnliches verstanden werden.
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Die 7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umverdrahtungseinheit 9 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Umverdrahtungseinheit 9 weist Aussparungen zur Aufnahme der Dome des Rahmenelements 11 auf.
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Die 8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umverdrahtungseinheit 9 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer ersten Draufsicht. Die Anordnung der zweiten Lotverbindungen 8 entspricht den Kontakten der elektrischen Leitung 5 unterhalb der Versteifungseinheit 6.
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Die 9 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umverdrahtungseinheit 9 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer zweiten Draufsicht. Die Umverdrahtungseinheit 9 weist an der Unterseite beispielsweise zwei Connectoren 10 oder Stecker auf.
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Die 10A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versteifungseinheit 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer ersten Draufsicht. Eine mittige Kavität ermöglicht die Unterbringung eines etwaig vorhandenen Bauteils 7, welches nahe zu der Ausleseeinheit 3 platziert werden soll. Falls auf das etwaige Bauteil 7 verzichtet werden kann, so kann auf die Kavität ebenfalls verzichtet werden. An den Seitenflächen der Versteifungseinheit 6 sind Aussparungen zum Herumbiegen der elektrischen Leitung 5 vorgesehen.
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Die 10B zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versteifungseinheit 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer zweiten Draufsicht.
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Die 11 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rahmenelements 11 in einer ersten Draufsicht. Das Rahmenelement 11 weist eine Grundplatte mit Aussparungen für den Stecker oder Connector 10 auf. Das Rahmenelement 11 kann an den vier Ecken Stifte, Dome oder Quader, beispielsweise mit einer Höhe in etwa entsprechend der Höhe der Umverdrahtungseinheit 9, der elektrischen Leitung 5 und der Versteifungseinheit 6 aufweisen.
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Die 12 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rahmenelements in einer zweiten Draufsicht.
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Die 13 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der elektrischen Leitung 5, einer Versteifungseinheit 6 und einer Umverdrahtungseinheit 9 in einem erfindungsgemäßen Rahmenelement 11. Die elektrische Leitung 5, die Versteifungseinheit 6 und die Umverdrahtungseinheit 9 sind in einer Stapelanordnung auf der Grundplatte des Rahmenelements 11 und zwischen den Domen des Rahmenelements 11 angeordnet. Die Höhe der Stapelanordnung entspricht in etwa der Höhe der Dome des Rahmenelements 11.
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Die 14 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgendetektors 1 gemäß einer vierten Ausführungsform. Die elektrische Leitung 5 ist nur mit einem Knick entlang der Versteifungseinheit 6 gebogen. Die elektrische Leitung 5 führt nicht an der Unterseite der Versteifungseinheit 6 entlang. Der Starrflex-Aufbau ist im gefalteten oder gebogenen Zustand dargestellt. Die elektrische Leitung 5 ist als Starrflex-Leiterplatte kombiniert mit einer Umverdrahtungseinheit 9 bzw. mündet die elektrische Leitung 5 in die Umverdrahtungseinheit 9 ein. Die Umverdrahtungseinheit 9 weist einen Connector 10, beispielsweise einen Stecker, auf.
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Die 15 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgendetektors 1 gemäß einer fünften Ausführungsform. Die elektrische Leitung 5 ist als Starrflex-Leiterplatte kombiniert mit einer Umverdrahtungseinheit 9 bzw. mündet die elektrische Leitung 5 in die Umverdrahtungseinheit 9 ein. Der Starrflex-Aufbau ist im gestreckten oder nicht-gebogenen Zustand dargestellt.
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Die 16 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgendetektors 1 gemäß einer sechsten Ausführungsform. Die elektrische Leitung 5 ist als Starrflex-Leiterplatte kombiniert mit einer Umverdrahtungseinheit 9 bzw. mündet die elektrische Leitung 5 in die Umverdrahtungseinheit 9 ein. Der Connector 10 ist als ZIF-Ausleitung ausgebildet.
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Die 17 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgendetektors 1 gemäß einer siebten Ausführungsform. Die beispielsweise vier Auswerteeinheiten 3, die ersten Lotverbindungen 4, die elektrische Leitung 5 ausgebildet als Via durch die Versteifungseinheit 6, die zweite Lotverbindung 8, die Umverdrahtungseinheit 9 und der Connector 10 sind in einer Stapelanordnung angeordnet. Die Versteifungseinheit 6 bildet zusammen mit der elektrischen Leitung 5 einen Interposer.
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Die 18 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Computertomographen 31 mit einer Detektorvorrichtung 29. Die Detektorvorrichtung 29 weist den erfindungsgemäßen Röntgendetektor auf. Die Detektorvorrichtung 29 kann mehrere Detektormodule oder mehrere Röntgendetektoren aufweisen. Bevorzugt weisen die Detektormodule oder die Detektorvorrichtung 29 eine Mehrzahl an Röntgendetektoren in einer zweidimensionale Matrix oder Anordnung auf. Der Computertomograph 31 beinhaltet eine Gantry 33 mit einem Rotor 35. Der Rotor 35 umfasst eine Röntgenquelle 37 und die erfindungsgemäße Detektorvorrichtung 29. Der Patient 39 ist auf der Patientenliege 41 gelagert und ist entlang der Rotationsachse z 43 durch die Gantry 33 bewegbar. Zur Steuerung und Berechnung der Schnittbilder wird eine Recheneinheit 45 verwendet. Eine Eingabeeinrichtung 47 und eine Ausgabevorrichtung 49 sind mit der Recheneinheit 45 verbunden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
