DE102019125854B4

DE102019125854B4 - Halterung für einen thermoelektrischen Kühler

Info

Publication number: DE102019125854B4
Application number: DE102019125854.5A
Authority: DE
Inventors: Jason Maynard; Shawn S. Chin; Jonathan Barron; David S. Hoffman
Original assignee: Moxtek Inc
Current assignee: Moxtek Inc
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: DE102019125854A1; US11640999B2; US20220320353A1; US20200105948A1; DE202019005878U1; US11398573B2

Abstract

Röntgendetektor, umfassend:einen thermoelektrischen Kühler (TEC), der elektrische Komponenten zur thermoelektrischen Kühlung umfasst, mit oberen elektrischen Anschlüssen in einem oberen Bereich, wobei die oberen elektrischen Anschlüsse elektrisch leitfähig sind;einen von dem TEC getragenen Träger, wobei der Träger umfasst: eine Basis mit einer planaren Seite und einer der planaren Seite gegenüberliegenden nicht planaren Seite, wobei die planare Seite dem TEC zugewandt ist; und eine erhöhte Struktur auf der nicht planaren Seite, die sich von der Basis weg erstreckt;eine Abdeckung, die von dem Träger getragen wird, elektrisch isolierend ist und eine Oberseite und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite aufweist;wobei die Unterseite der Abdeckung an der erhöhten Struktur des Trägers angeheftet ist und einen Hohlraum zwischen der Abdeckung und der Basis des Trägers auf der nicht ebenen Seite des Trägers bildet;einen Siliziumdriftdetektor (SDD), der an der Oberseite der Abdeckung angeheftet ist; undwobei die planare Seite des Trägers direkt an den oberen elektrischen Anschlüssen angeheftet ist und der Träger eine einzelne, massive, elektrisch isolierende Struktur ist, die sich über die oberen elektrischen Anschlüsse erstreckt und zwischen den oberen elektrischen Anschlüssen und der Abdeckung angeordnet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft im Allgemeinen Röntgendetektoren.
HINTERGRUND
Röntgendetektoren müssen manchmal an kleinen Orten eingesetzt werden. Eine kleine Größe ist nützlich.
Für eine hohe Auflösung werden Röntgendetektoren auf niedrige Temperaturen, wie ungefähr -20 °C, gekühlt. Für eine effizientere Kühlung ist es hilfreich, den Wärmewiderstand zu minimieren.
Elektromagnetische Störungen können den optimalen Betrieb von Röntgendetektionsvorrichtungen, wie beispielsweise PIN-Photodioden oder Siliziumdriftdetektoren (SDD), stören.
Für eine Materialanalyse werden Röntgenstrahlen auf eine Probe gerichtet. Die Probe sendet dann wieder Röntgenstrahlen aus, die für die chemische Zusammensetzung der Probe charakteristisch sind. Umgebende Materialien, einschließlich der Materialien des Röntgendetektors, können Röntgenstrahlen aussenden, die störend auf das Röntgensignal der Probe wirken können. Es kann vorteilhaft sein, Röntgenstrahlen aus diesen umgebenden Materialien zu blockieren, um zu verhindern, dass sie auf das Röntgendetektionsvorrichtung treffen.
Die DE 10 2010 044 289 A1 betrifft ein Detektormodul mit einem Strahlungsdetektor, insbesondere einem Halbleiterdriftdetektor, zur Detektion von Strahlung, und mit einem Gehäuse mit einem Strahlungseintrittsfenster, wobei der Strahlungsdetektor in dem Gehäuse angeordnet ist und die zu detektierende Strahlung von außen durch das Strahlungseintrittsfenster hindurch auf den Strahlungsdetektor trifft.
Aus der DE 10 2011 012 989 A1 ist ein Sensorkopf für einen Röntgendetektor bekannt. Der Sensorkopf weist einen ersten Leiterträger mit einer Stirnfläche sowie ein für Röntgenstrahlung empfindliches Sensorelement auf, wobei das Sensorelement auf der Stirnfläche des ersten Leiterträgers angeordnet ist, elektrisch leitend mit Leitern des ersten Leiterträgers verbunden ist und eine Detektionsfläche aufweist.
Die US 2015/0162455 A1 beschreibt einen Halbleiterstrahlungsdetektor, der einen Detektorchip mit einer Vorderseite und einer Rückseite und eine Trägerplatte auf der Rückseite des Detektorchips umfasst, die elektrische Verbindungen mit dem Detektorchip aufweist.
Die WO 2018/130487 A1 betrifft eine Halbleiterstrahlungsdetektoranordnung, wobei die Halbleiterstrahlungsdetektoranordnung umfasst: einen Detektorchip mit einer Vorderseite zum Empfangen von Strahlung und einer Rückseite; und ein flexibles Substrat, umfassend einen Mittelabschnitt, dessen Vorderseite an der Rückseite des Detektorchips befestigt ist, und eine Vielzahl von Streifen, die sich von dem Mittelabschnitt erstrecken und gebogen sind, um von dem Detektorchip weg vorzustehen. Das flexible Substrat umfasst dabei mehrere leitfähige Bahnen, die sich auf einer Oberfläche der Streifen von dem Mittelabschnitt zu seitlichen Enden der Streifen erstrecken, um elektrisch mit einem von mehreren Kontaktstiften verbunden und mechanisch befestigt zu werden. Der Detektorchip ist elektrisch mit mindestens einer der Leiterbahnen gekoppelt.
KURZDARSTELLUNG
Es wurde erkannt, dass es vorteilhaft wäre, die Größe des Röntgendetektors zu minimieren, eine effiziente Kühlung des Röntgendetektors bereitzustellen und elektromagnetische Störungen und Röntgenstörungen von Röntgendetektionsvorrichtungen zu minimieren. Die hierin beschriebenen Erfindungen erfüllen diese Bedürfnisse. Jede Ausführungsform kann einen oder mehrere dieser Bedürfnisse erfüllen.
In einer Ausführungsform kann der Röntgendetektor einen thermoelektrischen Kühler (TEC) mit oberen elektrischen Anschlüssen, einem Träger, einer Abdeckung und einem Siliziumdriftdetektor (SDD) umfassen. Eine planare Seite des Trägers kann direkt an den oberen elektrischen Anschlüssen des TEC angeheftet werden. Der Träger kann gegenüber der planaren Seite eine nicht planare Seite mit einer erhöhten Struktur aufweisen. Eine Unterseite der Abdeckung kann an der erhöhten Struktur angeheftet sein und dabei einen Hohlraum zwischen der Abdeckung und der nicht planaren Seite des Trägers bilden. Der SDD kann an einer Oberseite der Abdeckung angeheftet sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Röntgendetektor einen TEC mit oberen elektrischen Anschlüssen, einer Platte, einem Träger und einem SDD umfassen, die in der oben genannten Reihenfolge übereinander angeordnet sind. Die Platte kann direkt an den oberen elektrischen Anschlüssen des TEC angeheftet sein. Der Träger kann eine Basis mit einer planaren Seite und einer der planaren Seite gegenüberliegenden nicht planaren Seite umfassen, wobei die nicht planare Seite eine erhöhte Struktur umfasst, die sich von der Basis weg erstreckt. Ein distales Ende der erhöhten Struktur, das am weitesten von der Basis entfernt ist, kann direkt an der Platte angeheftet sein und dabei einen Hohlraum zwischen der Platte und der Basis des Trägers bilden. Der SDD kann an der planaren Seite des Trägers angeheftet sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Röntgendetektor eine Sperrkeramik umfassen, die zwischen einer Röntgendetektionsvorrichtung und einem Kühlmechanismus eingeschlossen ist. Die Sperrkeramik kann eine Metallsperrschicht umfassen, die zwischen einem Paar von Keramikschichten eingeschlossen ist. Die Metallsperrschicht kann an das Paar von Keramikschichten angrenzen.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Kühlers 10 für einen Röntgendetektor, umfassend einen thermoelektrischen Kühler (TEC) 20 mit Säulen 12, die mit den oberen elektrischen Anschlüssen 23 und den unteren elektrischen Anschlüssen 24 elektrisch gekoppelt sind, einen Träger 15 mit einer Basis 16 mit einer planaren Seite 16_P und einer der planaren Seite 16_N gegenüberliegenden nicht planaren Seite 16_N, wobei die planare Seite 16_P direkt an den oberen elektrischen Anschlüssen 23 angeheftet ist, und einer erhöhten Struktur 17 auf der nicht planaren Seite 16_N, die sich von der Basis 16 weg erstreckt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines TEC 20, der Säulen 12 umfasst, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und sich zwischen den oberen elektrischen Anschlüssen 23 in einer oberen Ebene 13 und den unteren elektrischen Anschlüssen 24 in einer unteren Ebene 14 erstrecken, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines dem Kühler 10 ähnlichen Kühlers 30 für einen Röntgendetektor, der ferner die erhöhte Struktur 17 mit einer Rippe 17_r, die sich um den Umfang des Trägers 15 erstreckt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines dem Kühler 10 ähnlichen Kühlers 40 für einen Röntgendetektor, ferner umfassend die erhöhte Struktur 17, die vier separate Pfosten 17_P umfasst, wobei sich ein Pfosten 17_P an jeder der vier Ecken des Trägers 15 befindet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Seitenansicht eines Röntgendetektors 50 mit einem Kühler 10, 30 oder 40, ferner umfassend eine Abdeckung 55, die an der erhöhten Struktur 17 des Trägers 15 angeheftet ist und einen Hohlraum 57 zwischen der Abdeckung 55 und der nicht planaren Seite 16_N des Trägers 15 bildet, und einen Siliziumdriftdetektor (SDD) 56, der an der Abdeckung 55 angeheftet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische Ansicht einer Unterseite 55_b der Abdeckung 55, von elektronischen Komponenten 51, die von der Unterseite 55b der Abdeckung 55 getragen werden, von Drahtbondverbindungen 62, die die elektronischen Komponenten 51 elektrisch mit den Leiterbahnen 61 verbinden, und von Drahtbondverbindungen 62, die die elektronischen Komponenten 51 durch Löcher, die sich die Abdeckung 55 erstrecken, mit dem SDD 56 elektrisch verbinden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine schematische Seitenansicht eines Röntgendetektors 70, umfassend einen TEC 20, der zwischen einem Paar elektrisch isolierender Materialien 11 eingeschlossen ist, einen Träger 15, der metallisch sein kann, wie vorstehend beschrieben geformt ist und von dem TEC 20 getragen wird, eine wie vorstehend beschriebene Abdeckung 55, die von dem Träger 15 getragen wird, und einen SDD, der an der Abdeckung 55 angeheftet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schematische Seitenansicht eines Röntgendetektors 80, umfassend einen TEC 20, eine Platte 81, einen Träger 15 und einen SDD 56; eine Unterseite 81_b der Platte 81, die an den oberen elektrischen Anschlüssen 23 des TEC 20 angeheftet ist; ein distales Ende 17_d einer erhöhten Struktur 17 der an der Platte 81 angehefteten Halterung 15, die einen Hohlraum 57 zwischen der Platte 81 und dem Träger 15 bildet; und eine ebene Seite 16_P des an dem SDD 56 angehefteten Trägers 15; gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der nicht planaren Seite 16_N des Trägers 15 von 8, von elektronischen Komponenten 51, die von der nicht planaren Seite 16_N des Trägers 15 getragen werden, Drahtbondverbindungen 62, die die elektronischen Komponenten 51 mit den Leiterbahnen 61 und durch sich durch den Träger 15 erstreckenden Löchern mit dem SDD 56 elektrisch verbinden, und von der erhöhten Struktur 17 des Trägers 15 mit vier separaten Pfosten 17p, wobei sich ein Pfosten 17_P an jeder von vier Ecken des Trägers 15 befindet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine schematische Seitenansicht eines Röntgendetektors 100, umfassend einen TEC 20, eine Platte 81 und eine PIN-Photodiode 106, mit einer Sequenz des TEC 20, der Platte 81 und dann der PIN-Photodiode 106; wobei die Platte 81 eine Unterseite 81_b aufweist, die direkt an oberen elektrischen Anschlüssen 23 des TEC 20 angeheftet ist; und die PIN-Photodiode 106, die direkt an einer Oberseite 81_t der Platte 81 angeheftet ist; gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine schematische Draufsicht des Röntgendetektors 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine schematische Seitenansicht eines Röntgendetektors 120, der eine Sperrkeramik 121 umfasst, die zwischen einer Röntgendetektionsvorrichtung 122 und einem Kühlmechanismus 123 eingeschlossen ist, wobei die Sperrkeramik 121 eine Metallsperrschicht 124 umfasst, die zwischen einem Paar von Keramikschichten 125 eingeschlossen ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine schematische Seitenansicht eines dem Röntgendetektor 120 ähnlichen Röntgendetektors 130, ferner umfassend die Metallsperrschicht 124 mit drei Schichten aus verschiedenen Metallen C, M und F gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines den Röntgendetektoren 120 und 130 ähnlichen Röntgendetektors 140, ferner umfassend das Paar von Keramikschichten 125, die an vier äußeren Ecken aneinander angrenzen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines den Röntgendetektoren 120, 130 und 140 ähnlichen Röntgendetektors 150, ferner umfassend eine oder beide Keramikschichten von dem Paar 125, mit einer der Metallsperrschicht 124 zugewandten Kalotte, wobei sich die Metallsperrschicht 124 in der Kalotte befindet, wobei die Keramikschichten des Paars in einem Einbrandverbund an einem gesamten äußeren Umfang von jeder der Keramikschichten des Paares aneinander angrenzen, und sich eine Erdungsverbindung G durch ein Loch 151 in der Sperrkeramik 121 von einer Seite der Sperrkeramik 121, auf der sich die Röntgendetektionsvorrichtung 122 befindet, zu der Metallsperrschicht 124 erstreckt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DEFINITIONEN
Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff „angrenzen“ einen direkten und unmittelbaren Kontakt.
Wie hierin verwendet bedeutet der Ausdruck „direkt angeheftet“, dass die angehefteten Objekte höchstens einen Klebstoff, ein Lot oder beides zwischen sich aufweisen, aber keine anderen Bauelemente.
Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff „µm“ Mikrometer.
Wie hierin verwendet bezeichnen die Begriffe „Leiterbahn“ und „Leiterbahnen“ elektrisch leitfähige Schichten, typischerweise Metalle, wie Kupfer oder Gold, wie beispielsweise auf einer Leiterplatte zum Leiten von Elektrizität zwischen elektronischen Komponenten.
Die Begriffe „oben“ und „unten“ werden hierin als relative Begriffe in Bezug auf die Ausrichtung der Figuren verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
ERSTE SDD-AUSFÜHRUNGSFORM
Wie in 1 dargestellt, ist ein Kühler 10 für einen Röntgendetektor gezeigt, der einen thermoelektrischen Kühler (TEC) 20 mit elektrischen Komponenten für die thermoelektrische Kühlung umfasst, mit Säulen 12, die sich zwischen oberen elektrischen Anschlüssen 23 in einem oberen Bereich und unteren elektrischen Anschlüssen 24 in einem unteren Bereich erstrecken, und durch die elektrischen Anschlüsse 23 und 24 miteinander verbunden sind. Die Säulen 12, die oberen elektrischen Anschlüsse 23, die unteren elektrischen Anschlüsse 24 oder Kombinationen davon können elektrisch leitfähig sein. Die oberen elektrischen Anschlüsse 23 im oberen Bereich können in einer oberen Ebene 13 angeordnet sein. Die unteren elektrischen Anschlüsse 24 im unteren Bereich können in einer unteren Ebene 14 angeordnet sein.
Die Säulen 12 können mit den oberen elektrischen Anschlüssen 23 und den unteren elektrischen Anschlüssen 24 elektrisch gekoppelt sein. Beispielhafte maximale Widerstände zwischen jeder Säule 12 und jedem elektrischen Anschluss (jeder obere elektrische Anschluss 23 und jeder untere elektrische Anschluss 24) umfassen ≤ 10^-2 Ohm, ≤ 10^-3 Ohm, ≤ 10^-4 Ohm, ≤ 10^-5 Ohm oder≤ 10^-6 Ohm. Die Säulen 12 können elektrisch in Reihe geschaltet und über die oberen elektrischen Anschlüsse 23 und die unteren elektrischen Anschlüsse 24 elektrisch miteinander verbunden sein. Elektrischen Verbindungen zwischen benachbarten Säulen 12 können zwischen dem oberen und dem unteren Bereich wechseln. Die abwechselnden Säulen 12 können in Bezug zueinander aus einem unterschiedlichen Material hergestellt sein. So können beispielsweise die Säulen 12 zwischen p- und n-dotierten Halbleitern wechseln.
Der TEC 20 kann zwischen einem elektrisch isolierenden Material 11 und einem Träger 15 eingeschlossen sein. Der Träger 15 kann elektrisch isolierend sein. Das elektrisch isolierende Material 11, der Träger 15 oder beide können aus Keramik bestehen. Der TEC 20 ist in 2 ohne das elektrisch isolierende Material 11 und den Träger 15 dargestellt, um die Komponenten des TEC 20 deutlicher darzustellen.
Der Träger 15 kann aus einem einzigen, massiven, elektrisch isolierenden Material bestehen. Somit kann der Träger 15 frei von klebstoffgefüllten Schnittstellenverbindungen sein. Dies steht im Gegensatz zu mehreren miteinander verklebten Keramiken, die einen erhöhten Widerstand gegen Wärmeübertragung an den Grenzflächen zwischen den Keramiken aufweisen können. Der Träger 15 kann eine Basis 16 mit einer planaren Seite 16_P und einer der planaren Seite 16_P gegenüberliegenden nicht planaren Seite 16_N umfassen.
Die oberen elektrischen Anschlüsse 23 können auf der planaren Seite 16_P des Trägers 15 ausgebildet werden, indem ein dünner Metallfilm abgeschieden wird und dann ein für die Befestigung an den Säulen 12 benötigtes Muster der Leiterbahnen für den elektrischen Stromfluss zwischen benachbarten Säulen 12 vorgesehen wird. Die oberen elektrischen Anschlüsse 23 und der Träger 15 können durch ein Lot oder andere geeignete Mittel an den Säulen 12 befestigt werden.
Eine erhöhte Struktur 17 auf der nicht planaren Seite 16_N kann sich von der Basis 16 weg erstrecken. Ein Zweck der erhöhten Struktur 17 ist es, einen Hohlraum 57 bereitzustellen, wie nachfolgend beschrieben. Die erhöhte Struktur 17 kann verschiedene Formen aufweisen. Es kann von Vorteil sein, dass die erhöhte Struktur 17 lang ist und mit einer großen Kontaktfläche mit der nachfolgend beschriebenen Abdeckung 55 versehen ist, um eine erhöhte Wärmeübertragung zwischen der erhöhten Struktur 17 und der Abdeckung 55 zu ermöglichen. Es kann aber auch hilfreich sein, dass die erhöhte Struktur 17 Öffnungen oder Spalten aufweist, um eine bessere Absaugung des Hohlraums 57 während der Abdichtung des Detektors zu ermöglichen. Die Bauform der erhöhten Struktur 17 für jede Anwendung kann auf einem Gleichgewicht dieser konkurrierenden Interessen basieren.
So kann beispielsweise die erhöhte Struktur 17 eine Rippe 17_r sein, die sich um einen Teil oder den gesamten Umfang des Trägers 15 erstreckt. Die erhöhte Struktur 17 des Kühlers 10 in 1 erstreckt sich teilweise um den Umfang des Trägers 15. Die erhöhte Struktur 17 des Kühlers 30 aus 3 erstreckt sich über den gesamten Umfang des Trägers 15. Somit wird der Kühler 10 wahrscheinlich eine schlechtere Wärmeübertragung zwischen der erhöhten Struktur 17 und der Abdeckung 55 haben als der Kühler 30, aber es kann einfacher sein, einen Detektor mit dem Kühler 10 abzusaugen. In den Kühler 30 können Löcher gebohrt werden, um eine Absaugung zu ermöglichen. Beispiele für die Erstreckung der Rippe 17_r µm den Umfang des Trägers 15 umfassen: ≥ 25%, ≥ 50%, ≥ 75% oder ≥ 90%; und ≤ 75%, ≤ 90%, ≤ 95% oder ≤ 99% eines Umfangs des Trägers 15.
Wie am Kühler 40 in 4 dargestellt, kann die erhöhte Struktur 17 vier separate Pfosten 17_P umfassen, wobei sich an jeder der vier Ecken des Trägers 15 ein Pfosten 17_P befindet. Es kann relativ einfach sein, einen Detektor mit Kühler 40 abzusaugen, aber die Kühlung kann durch eine kleinere Kontaktfläche der erhöhten Struktur 17 reduziert werden.
Wie in 5 dargestellt, kann der Röntgendetektor 50 eine Abdeckung 55 umfassen, die von dem Träger 15 getragen wird. Die Abdeckung 55 kann elektrisch isolierend sein, kann eine Oberseite 55_t aufweisen und kann eine der Oberseite 55_t gegenüberliegende Unterseite 55_b aufweisen. Die Unterseite 55_b der Abdeckung 55, die Oberseite 55₁ der Abdeckung 55 oder beide können ebene, planare Oberflächen sein. Die Unterseite 55_b der Abdeckung 55 kann an der erhöhten Struktur 17 des Trägers 15 angeheftet sein und einen Hohlraum 57 zwischen der Abdeckung 55 und dem Boden 16 des Trägers 15 auf der nicht ebenen Seite 16_N des Trägers 15 bilden. Der Träger 15 und der darunterliegende TEC 20 können wie für die Kühler 10, 30 oder 40 beschrieben ausgebildet sein. Ein Siliziumdriftdetektor (SDD) kann an der Oberseite 55₁ der Abdeckung 55 angeheftet sein. Die Abdeckung 55 kann mit Epoxid auf dem Träger 15 angeheftet sein. Der SDD 56 kann mit Epoxid an der Abdeckung 55 angeheftet sein.
Wie ebenfalls in 5 dargestellt, können elektronische Komponenten 51 durch die Unterseite 55_b der Abdeckung 55 getragen werden. Die elektronische(n) Komponente(n) 51 kann (können) sich in den Hohlraum 57 erstrecken. Der Träger 15 kann eine einzelne, massive, elektrisch isolierende Struktur (d.h. die einzige massive, elektrisch isolierende Struktur) zwischen den oberen elektrischen Anschlüssen 23 im oberen Bereich des TEC 20 und der (den) elektronischen Komponente(n) 51 sein.
Die Unterseite 55_b der Abdeckung 55b ist in 6 dargestellt, die die elektronischen Komponenten 51, die sich in einer einzigen Ebene entlang der Unterseite 55b der Abdeckung 55 von den elektronischen Komponenten 51 bis zu oder nahe an einen äußeren Umfang der Abdeckung 55 erstrecken, Leiterbahnen 61, und Drahtbondverbindungen 62, die die elektronischen Komponenten 51, die Leiterbahnen 61 und den SDD 56 durch sich durch die Abdeckung 55 erstreckende Löcher elektrisch verbinden, zeigt. So kann (können) beispielsweise die elektronische(n) Komponente(n) 51 einen Verstärker, einen Transistor, einen Thermistor, einen Kondensator oder Kombinationen davon umfassen.
Der Träger 15 kann frei von Leiterbahnen der elektronischen Schaltung sein. Somit kann die Funktion des Trägers 15 darin bestehen, die oberen elektrischen Anschlüsse 23 von den elektronischen Komponenten 51 elektrisch zu trennen und den Hohlraum 57 zum Aufnehmen der elektronischen Komponenten 51 und der Drahtbondverbindungen 62 bereitzustellen.
ZWEITE SDD-AUSFÜHRUNGSFORM
Wie auf dem Röntgendetektor 70 in 7 dargestellt kann ein wie vorstehend beschriebener TEC 20 zwischen einem Paar von elektrisch isolierenden Materialien 11 eingeschlossen sein. Ein Träger 15 kann von dem TEC 20 getragen werden. Der Träger 15 kann direkt an einem der beiden elektrisch isolierenden Materialien 11 angeheftet werden.
Der Träger 15 kann eine Basis 16 mit einer planaren Seite 16_P umfassen. Die planare Seite 16_P kann dem TEC 20 zugewandt sein. Der Träger 15 kann eine der planaren Seite 16_P gegenüberliegende nicht planare Seite 16_N umfassen. Eine erhöhte Struktur 17 auf der nicht-planaren Seite 16N kann sich, wie vorstehend beschrieben, von der Basis 16 weg erstrecken.
Eine Abdeckung 55 kann, wie vorstehend beschrieben, von dem Träger 15 getragen werden. Die Abdeckung 55 kann elektrisch isolierend sein. Die Abdeckung 55 kann eine Oberseite 55_t und eine der Oberseite 55_t gegenüberliegende Unterseite 55_b umfassen. Die Unterseite 55_b der Abdeckung 55, die Oberseite 55₁ der Abdeckung 55 oder beide können flache, planare Oberflächen sein. Die Unterseite 55_b der Abdeckung 55 kann an der erhöhten Struktur 17 des Trägers 15 angeheftet sein und einen Hohlraum 57 zwischen der Abdeckung 55 und der Basis 16 des Trägers 15 auf der nicht planaren Seite 16_N des Trägers 15 bilden. Ein Siliziumdriftdetektor (SDD) kann an der Oberseite 55₁ der Abdeckung 55 angeheftet sein. Die elektronische(n) Komponente(n) 51 kann (können) von der Unterseite 55_b der Abdeckung 55 getragen werden. Die elektronische(n) Komponente(n) 51 kann (können) sich in den Hohlraum 57 erstrecken.
Der Träger 15 kann metallisch sein. Ein Vorteil der Verwendung eines metallischen Trägers 15 ist die erhöhte Wärmeleitfähigkeit, die die Wärmeübertragung von dem SDD 56 weg unterstützen kann. Ein weiterer Vorteil sind niedrigere Kosten (Metall kann leicht in die Formen des oben beschriebenen Trägers 15 geformt werden). Ein weiterer Vorteil ist, dass ein elektrisch leitfähiges Metall den SDD 56 und die elektronische(n) Komponente(n) 51 vor elektromagnetischen Störungen durch den TEC 20 schützen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein metallischer Träger 15 fluoreszierte Röntgenstrahlen von dem TEC 20 blockieren kann, um eine Störung des SDD 56 zu verhindern.
Es kann hilfreich sein, dass der Träger 15 aus Elementen mit niedriger Ordnungszahl besteht, um Störungen in dem SDD 56 durch Röntgenstrahlen, die von dem Träger 15 fluoresziert werden, zu minimieren. Beispielhafte Materialien für den Träger umfassen Aluminium, Nickel oder beides. So kann beispielsweise eine Materialzusammensetzung des Trägers 15 ≥ 20 Massenprozent, ≥ 50 Massenprozent, ≥ 75 Massenprozent, ≥ 90 Massenprozent oder ≥ 95 Massenprozent an Aluminium enthalten.
Nickel kann nützlich sein, indem es Röntgenstrahlen mit höherer Energie blockiert. Röntgenstrahlen, die durch Nickel fluoresziert werden, können ferner mehr Störungen mit dem SDD 56 verursachen als Röntgenstrahlen, die durch Elemente mit niedrigerer Ordnungszahl fluoresziert werden. Die Sperrfähigkeit von Nickel kann mit reduzierter Störung erreicht werden, indem das Nickel in oder zwischen Materialien mit niedrigerer Ordnungszahl, wie beispielsweise Aluminium, eingebettet wird. So kann beispielsweise auf jeder der beiden gegenüberliegenden Seiten des Nickels eine Aluminiumschicht abgeschieden werden, oder der Nickelträger 15 kann mit Aluminium oder einem anderen Metall mit niedriger Ordnungszahl oder Metalloid plattiert (elektroplattiert oder stromlos plattiert) werden.
DRITTE SDD-AUSFÜHRUNGSFORM
Wie auf dem Röntgendetektor 80 in 8 dargestellt, kann ein wie vorstehend beschrieben TEC 20 zwischen den elektrisch isolierenden Materialien 11 und 81 eingeschlossen werden. Eines dieser elektrisch isolierenden Materialien, eine Platte 81, kann eine Oberseite 81_t und eine der Oberseite 81_t gegenüberliegende Unterseite 81_b aufweisen. Die Oberseite 81_t und die Unterseite 81_b der Platte 81 können flache, planare Oberflächen sein.
Die Platte 81 kann eine einzelne, massive, elektrisch isolierende Struktur sein, die sich über die oberen elektrischen Anschlüsse 23 erstreckt. Die Platte 81 kann frei von klebstoffgefüllten Schnittstellenverbindungen sein.
Der Röntgendetektor 80 kann ferner einen Träger 15 umfassen, wie der vorstehend beschriebene Träger 15. Die nicht planare Seite 16_N des Trägers 15 kann der Oberseite 81_t der Platte 81 zugewandt sein. Die erhöhte Struktur 17 kann sich zur Platte 81 hin erstrecken. Die erhöhte Struktur 17, wie beispielsweise ein am weitesten von der Basis 16 entferntes distales Ende 17_d, kann direkt (z.B. durch Epoxid) an der Platte 81 angeheftet sein und einen Hohlraum 57 zwischen der Platte 81 und der Basis 16 des Trägers 15 auf der nicht-planaren Seite 16_N des Trägers 15 bilden. Die planare Seite 16_P des Trägers 15 kann (z.B. durch Epoxid) an der SDD 56 angeheftet sein.
Eine elektronische Komponente(n) 51 kann (können) von der nicht planaren Seite 16_N des Trägers 15 getragen werden und sich in den Hohlraum 57 erstrecken. Die nicht planare Seite 16_N des Trägers 15 ist in 9 mit der Luft ausgesetzten Leiterbahnen 61 dargestellt, die sich in einer einzigen Ebene entlang der nicht planaren Seite 16_N des Trägers 15 von der/den elektronischen Komponente(n) 51, zwischen den Pfosten 17_P oder durch einen Spalt in der Rippe 17_r, zu einem äußeren Umfang des Trägers 15 erstrecken. Es können mehrere Leiterbahnen 61 vorhanden sein. Jede Leiterbahn 61 kann sich in einer einzigen Ebene entlang der nicht planaren Seite 16_N des Trägers 15 von einer elektronischen Komponente 51, zwischen den Pfosten 17_P oder durch einen Spalt in der Rippe 17_r, zu einem äußeren Umfang des Trägers 15 erstrecken. Jede Leiterbahn 61 kann sich durch einen anderen Spalt in der Rippe 17_r erstrecken. Die elektronischen Komponenten 51 und die Drahtbondverbindungen 62 können weitere Eigenschaften aufweisen, wie vorstehend beschrieben.
Die Platte 81 kann eine einzelne, massive, elektrisch isolierende Struktur (d.h. die einzige feste, elektrisch isolierende Struktur) zwischen den oberen elektrischen Anschlüssen 23 im oberen Bereich des TEC 20 und der elektronischen Komponente 51 sein. Die Platte 81 und der Träger 15 können frei von klebstoffgefüllten Schnittstellenverbindungen sein.
PIN-PHOTODIODE
Wie auf dem Röntgendetektor 100 in 10 dargestellt, kann ein wie vorstehend beschriebener TEC 20 zwischen den elektrisch isolierenden Materialien 11 und 81 zur galvanischen Trennung der elektrischen Anschlüsse 23 und 24 eingeschlossen sein. Eines dieser elektrisch isolierenden Materialien, eine Platte 81, kann eine Oberseite 81_t und eine der Oberseite 81_t gegenüberliegende Unterseite 81^b aufweisen. Die Oberseite 81_t und die Unterseite 81_b der Platte 81 können flache, planare Oberflächen sein.
Die Platte 81 kann eine einzelne, massive, elektrisch isolierende Struktur sein, die sich über die oberen elektrischen Anschlüsse 23 erstreckt. Die Platte 81 kann frei von klebstoffgefüllten Schnittstellenverbindungen sein.
Wie in den 10-11 dargestellt, kann eine PIN-Photodiode 106 direkt (z.B. durch Epoxid) an der Oberseite 81_t der Platte 81 angeheftet sein. Wie in 10 dargestellt, kann (können) die Leiterbahn(en) 61 direkt an der Oberseite 81_t der Platte 81 angeheftet sein. Die Platte 81 kann eine einzelne, massive, elektrisch isolierende Struktur (d.h. die einzige feste, elektrisch isolierende Struktur) zwischen den oberen elektrischen Anschlüssen 23 im oberen Bereich des TEC 20 und der PIN-Photodiode 106 sein. Zusätzlich zur PIN-Photodiode 106 können weitere elektronische Komponenten 51 (z.B. ein Verstärker, ein Transistor, ein Thermistor, ein Kondensator oder Kombinationen davon) und zu den elektronischen Komponenten 51 benachbarte Leiterbahnen 61 an der Oberseite 81_t der Platte 81 angeheftet werden. Die Leiterbahnen 61 können über ihre gesamte Länge der Luft ausgesetzt sein. Drahtbondverbindungen 62 können die PIN-Photodiode 106, die elektronischen Komponenten 51, die Leiterbahnen 61 und eine nicht dargestellte Zusatzschaltung miteinander verbinden.
ALLE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen können reduzierte Schichten zwischen dem TEC 20 und dem SDD 56 oder der PIN-Photodiode 106 aufweisen. Dies kann zwar für eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen diesen Komponenten von Vorteil sein, aber auch die Abschirmung der Röntgenstrahlen zwischen diesen Komponenten reduzieren. Daher können die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen besonders für bleifreie Detektoren hilfreich sein. In den verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen des Röntgendetektors können alle Lötverbindungen bleifrei sein.
Das Bonden der Komponenten des TEC 20 oder anderer Röntgendetektorkomponenten kann dazu führen, dass Lot oder Klebstoff zumindest teilweise die Bondpads bedeckt, wie beispielsweise Bondpads für Drahtbondverbindungen zum Verbinden der elektronischen Komponenten 51 und 61 mit externen Schaltungen. Wie in den 3, 5, 8 und 9 dargestellt, kann ein Kanal 35 an einem äußeren Umfang des Trägers 15 oder der Platte 81 ein Speicher für überschüssiges Lot oder Klebstoff sein. Dieser Kanal 35 kann mit überschüssigem Lot oder Klebstoff gefüllt werden, anstatt die Bondpads mit dem Lot oder dem Klebstoff abzudecken.
Der Kanal 35 kann sich in der erhöhten Struktur 17 des Trägers 15 befinden. Die erhöhte Struktur 17 und der Kanal 35 können sich über eine äquivalente Strecke um den äußeren Umfang des Trägers 15 erstrecken.
Der Kanal 35 kann sich ganz oder teilweise um den Umfang des Trägers 15 oder der Platte 81 erstrecken. So kann beispielsweise der Kanal 35 ≥ 25%, ≥ 50%, ≥ 75% oder ≥ 95% und ≤ 100%, ≤ 90%, ≤ 80% oder ≤ 60% um den äußeren Umfang des Trägers 15 oder der Platte 81 erstrecken.
SPERRMETALLSCHICHT
Wie in den 12-15 dargestellt können die Röntgendetektoren 120, 130, 140 und 150 eine Sperrkeramik 121 umfassen, die zwischen einer Röntgendetektionsvorrichtung 122 (z.B. PIN-Photodiode, Siliziumdriftdetektor usw.) und einem Kühlmechanismus 123 (z.B. thermoelektrischer Kühler) angeordnet ist. Die Sperrkeramik 121 kann eine Metallsperrschicht 124 umfassen, die zwischen einem Paar von Keramikschichten 125 angeordnet ist.
Elektromagnetische Störungen durch die Elektronik in dem Kühlmechanismus 123 können den optimalen Betrieb der Röntgendetektionsvorrichtung 122 beeinträchtigen. Die Metallsperrschicht 124 kann geerdet sein, damit sie diese elektromagnetischen Störungen blockieren kann. Wie in 14 dargestellt, kann eine Masseverbindung G zu der Metallsperrschicht 124 in einer Öffnung in einem Umfang der Metallsperrschicht 124 zwischen dem Paar von Keramikschichten 125 vorhanden sein. Alternativ kann, wie in 15 dargestellt, die Metallsperrschicht 124 innerhalb des Paares von Keramikschichten 125 eingekapselt werden, mit Ausnahme eines Lochs 151 in der Sperrkeramik 121, durch das die Masseverbindung G zur Metallsperrschicht 124 führen kann. Das Loch 151 kann sich auf einer Seite der Sperrkeramik 121 befinden, auf der sich die Röntgendetektionsvorrichtung 122 befindet.
Die Metallsperrschicht 124 kann elektromagnetische Störungen, die aus dem Kühlmechanismus 123 hervorgehen, blockieren und daran hindern, die Röntgendetektionsvorrichtung 122 zu stören. Die Metallsperrschicht 124 kann fluoreszierte Röntgenstrahlen von dem Kühlmechanismus 123 blockieren, um zu verhindern, dass solche Röntgenstrahlen die Röntgendetektionsvorrichtung 122 störend beeinflussen. Materialien für die Röntgendetektionsvorrichtung 122 können zum optimalen Schutz der Röntgendetektionsvorrichtung 122 ausgewählt werden. So kann beispielsweise die Metallsperrschicht 124 eines oder mehrere der folgenden umfassen: Nickel, Aluminium, Tantal, Molybdän, Titan, Wolfram, Kobalt, Titan, Chrom, ein Metall mit einer Ordnungszahl ≥ 13, ein Metall mit einer Ordnungszahl ≤ 79 oder Kombinationen davon.
Wie in 13 dargestellt, kann die Metallsperrschicht 124 drei Schichten, eine Schicht C, die der Röntgendetektionsvorrichtung 122 am nächsten liegt, eine mittlere Schicht M und eine Schicht F, die am weitesten von der Röntgendetektionsvorrichtung 122 entfernt ist, umfassen. Zur verbesserten Blockierung von Röntgenstrahlen und zur Minimierung von Streuröntgeninterferenzen mit der Röntgendetektionsvorrichtung 122 kann die der Röntgendetektionsvorrichtung 122 am nächsten liegende Schicht C eine niedrigste Ordnungszahl der drei Schichten aufweisen, die mittlere Schicht M kann eine mittlere Ordnungszahl aufweisen und die von der Röntgendetektionsvorrichtung 122 am weitesten entfernte Schicht F kann eine größte Ordnungszahl der drei Schichten aufweisen. Obwohl in den Figuren nicht dargestellt, können zwei Schichten, vier Schichten oder mehr als vier Schichten vorhanden sein. Die Kosten können gegenüber einer höheren Effizienz durch mehr Schichten abgewogen werden. Jede dieser Schichten kann eine von den anderen Schichten unterschiedliche Materialzusammensetzung aufweisen.
Die Metallsperrschicht 124 kann mit verschiedenen Verfahren, einschließlich Lot oder Epoxid, auf dem Paar von Keramikschichten 125 angeheftet werden. Jede dem Stapel hinzugefügte Schicht (z.B. Lot oder Epoxid) kann zu unerwünschten Verunreinigungen oder zu einer reduzierten Kühlung der Röntgendetektionsvorrichtung 122 aufgrund eines erhöhten Widerstands gegen Wärmeübertragung an Verbindungsstellen führen. Wie in 15 dargestellt kann eine oder beide der Keramikschichten des Paars 125 eine Kalotte oder einen Hohlraum zur Aufnahme der Metallsperrschicht 124 umfassen, wodurch die Verwendung von Lot oder Epoxid vermieden werden kann.
Die Keramikschichten des Paars 125 können aneinander angrenzen oder sich 141 berühren. Die Metallsperrschicht 124 und das Paar von Keramikschichten 125 können durch Einbrand in einer einzigen Sperrkeramik gebildet werden, um die Keramikschichten des Paares 125 an den Stellen miteinander zu bonden, an denen sie sich berühren 141. Die Keramikschichten des Paares 125 können an vier Außenecken aneinander angrenzen, wie in 14 dargestellt. Die Keramikschichten des Paares 125 grenzen zu 75%, aber weniger als vollständig, an einem Umfang des Paares von Keramikschichten 125 aneinander an. Wie in 15 dargestellt, kann der Röntgendetektor 150 eine oder beide der Keramikschichten des Paares 125 umfassen, einschließlich einer Kalotte, die der Metallsperrschicht 124 zugewandt ist, und die Metallsperrschicht 124 kann in der Kalotte angeordnet sein. Die Keramikschichten des Paares 125 können an einem gesamten äußeren Umfang von jeder der Keramikschichten des Paares 125 aneinander angrenzen, wie in 15 dargestellt. Somit kann durch das Einbrennen des Paares von Keramikschichten 125 die Metallsperrschicht 124 zwischen den Keramikschichten des Paares 125 ohne zusätzliche Epoxid- oder Lötschicht aufgenommen werden.
Zwischen der Metallsperrschicht 124 und dem Paar von Keramikschichten 125 kann ein enger Kontakt zur Verbesserung der Wärmeübertragung bestehen. Somit kann die Metallsperrschicht 124 eine Oberseite 114_T, die an eine der Keramikschichten des Paare 125 über die gesamte Oberseite 114_T angrenzt, und eine Unterseite 114B, die an die andere Keramikschicht des Paares 125 über die gesamte Unterseite 114_B angrenzt, umfassen.

Claims

Röntgendetektor, umfassend: einen thermoelektrischen Kühler (TEC), der elektrische Komponenten zur thermoelektrischen Kühlung umfasst, mit oberen elektrischen Anschlüssen in einem oberen Bereich, wobei die oberen elektrischen Anschlüsse elektrisch leitfähig sind; einen von dem TEC getragenen Träger, wobei der Träger umfasst: eine Basis mit einer planaren Seite und einer der planaren Seite gegenüberliegenden nicht planaren Seite, wobei die planare Seite dem TEC zugewandt ist; und eine erhöhte Struktur auf der nicht planaren Seite, die sich von der Basis weg erstreckt; eine Abdeckung, die von dem Träger getragen wird, elektrisch isolierend ist und eine Oberseite und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite aufweist; wobei die Unterseite der Abdeckung an der erhöhten Struktur des Trägers angeheftet ist und einen Hohlraum zwischen der Abdeckung und der Basis des Trägers auf der nicht ebenen Seite des Trägers bildet; einen Siliziumdriftdetektor (SDD), der an der Oberseite der Abdeckung angeheftet ist; und wobei die planare Seite des Trägers direkt an den oberen elektrischen Anschlüssen angeheftet ist und der Träger eine einzelne, massive, elektrisch isolierende Struktur ist, die sich über die oberen elektrischen Anschlüsse erstreckt und zwischen den oberen elektrischen Anschlüssen und der Abdeckung angeordnet ist.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei der Träger eine Sperrkeramik ist, wobei die Sperrkeramik eine Metallsperrschicht umfasst, die zwischen einem Paar von Keramikschichten angeordnet ist, wobei die Metallsperrschicht an das Paar von Keramikschichten angrenzt.
Röntgendetektor nach Anspruch 2, wobei die Keramikschichten des Paares in einem Einbrandverbund aneinander angrenzen.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Kanal an einem äußeren Umfang des Trägers, wobei sich der Kanal in der erhöhten Struktur befindet und sich der Kanal über eine äquivalente Strecke um den äußeren Umfang des Trägers erstreckt.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine elektronische Komponente, die von der Unterseite der Abdeckung getragen wird und sich in den Hohlraum erstreckt; und eine Leiterbahn, die sich in einer einzigen Ebene entlang der Unterseite der Abdeckung von der elektronischen Komponente zu einem äußeren Umfang der Abdeckung erstreckt.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei der Träger frei von Leiterbahnen elektronischer Schaltungen ist.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei die erhöhte Struktur vier separate Pfosten umfasst, wobei sich ein Pfosten an jeder der vier Ecken des Trägers befindet.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei: sich die erhöhte Struktur von der Basis an einem äußeren Umfang der Basis nach oben erstreckt; und die erhöhte Struktur eine Rippe ist, die sich um ≥ 75% eines Umfangs des Trägers erstreckt.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, ferner umfassend: elektronische Komponenten, die von der Unterseite der Abdeckung getragen werden und sich in den Hohlraum erstrecken; wobei die elektronischen Komponenten über ein sich durch die Abdeckung erstreckendes Loch elektrisch mit dem SDD gekoppelt sind; Leiterbahnen, die sich in einer einzigen Ebene entlang der Unterseite der Abdeckung von den elektronischen Komponenten zu einem äußeren Umfang der Abdeckung erstrecken.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei: die elektrischen Komponenten des TEC ferner Elemente umfassen, die sich zwischen dem oberen Bereich und einem unteren Bereich erstrecken, der obere Bereich eine obere Ebene ist und der untere Bereich eine untere Ebene ist, und die Elemente durch die oberen elektrischen Anschlüsse und durch die unteren elektrischen Anschlüsse im unteren Bereich elektrisch in Reihe gekoppelt sind, wobei die unteren elektrischen Verbindungen elektrisch leitfähig sind; abwechselnde Anschlüsse zwischen benachbarten Elementen abwechselnd zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich angeordnet sind; und abwechselnde Elemente in Bezug zueinander aus einem unterschiedlichen Material bestehen, das abwechselnde p-dotierte und n-dotierte Halbleiter umfasst.