DE60225916T2

DE60225916T2 - Festkörper-röntgendetektormodul und mosaikförmige anordnung desselben, sowie ein bildherstellungsverfahren und eine vorrichtung dazu, die dieses modul verwendt

Info

Publication number: DE60225916T2
Application number: DE60225916T
Authority: DE
Inventors: Marc A. Elyria CHAPPO; Randall P. Highland Heights LUHTA; Rodney A. Mentor Mattson; Pieter Gerhard Roos
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2022-07-18
Also published as: DE60225916D1; IL159877A0; EP1411833A2; WO2003008999A2; EP1411833B1; JP2004536313A; US6510195B1; WO2003008999A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Anwendung bezieht sich auf die Technik der medizinischen diagnostischen Bildgebung, bei der durchdringende Röntgenstrahlung von einem röntgenstrahlenempfindlichen Detektor empfangen wird. Der behandelte Gegenstand der Anmeldung findet besondere Verwendung in Computertomographie-Scannern (CT) und wird unter besonderer Bezugnahme darauf beschrieben. Die Erfindung findet jedoch auch Verwendung in Verbindung mit anderen diagnostischen Bildgebungsmodalitäten, Bildgebung in der industriellen Qualitätskontrolle, Gepäcküberprüfung, Röntgendurchleuchtung und ähnlichem.
Moderne Röntgencomputertomographie-Scanner verwenden im Allgemeinen Röntgendetektoren, um Röntgenenergie in elektrische Signale umzuwandeln. Ein Detektor besteht üblicherweise aus einem Szintillator, um Röntgenenergie in Licht umzuwandeln, und aus Photosensoren, wie z. B. einem Photodiodenarray, Array aus ladungsgekoppelten Bauelementen (engl. charge coupled device array, CCD-Array), usw., um dieses Licht in elektrischen Strom umzuwandeln. Die in CT-Anwendungen verwendeten Photodiodenformate umfassen einzelne Photodiodenelemente, eindimensionale (1-D) Photodiodenarrays mit integriertem Schaltkreis (IC) und zweidimensionale (2-D) IC-Photodiodenarrays.
In der Regel wird das elektrische Signal von jedem aktiven Photodiodenelement einzeln an einen angrenzenden Vorverstärkerkanal weitergeleitet. Ein Drahtbond verbindet eine Oberseiten-Bondfläche an einem Ende der Photodiode mit einem externen Anschluss. Die Leiterbahn zur nachgeschalteten Verarbeitungselektronik wird mittels verschiedener Gestaltungsoptionen ausgeführt. Vorverstärker befinden sich entweder auf derselben Leiterplatte wie das Detektorarray oder an einer entfernteren Stelle, auf über ein Kabel zugänglich ist.
Die Bondflächen befinden sich üblicherweise an einem Ende der Photodioden in eindimensionalen Sparse-Arrays. Wenn die Dichte der Elemente in dem Array zunimmt, befinden sich die Bondflächen an beiden Enden des eindimensionalen Arrays. Bei einigen Ausführungsformen werden die Drahtbonds in angrenzenden Kanälen an wechselnden Enden hergestellt.
Die Dichte der Drahtbonds wird in zweidimensionalen Array noch problematischer. Es muss eine Leiterbahn von jedem inneren Photodiodenelement in einem zweidimensionalen Array zu einem Anschlusspunkt für die elektrische Verbindung mit einem externen Anschluss geschaffen werden. Diese Bahn ist üblicherweise in der Photodiodenoberfläche zwischen Reihen von aktiven Photodiodenelementen angeordnet. Pro Element wird eine Bahn benötigt und jede Bahn endet üblicherweise in einer Bondfläche an einem Ende des zweidimensionalen Arrays. Es werden dann Drahtbonds von jeder Bondfläche zu den externen Anschlüssen hergestellt.
Wenn die Anzahl der Elemente in einem zweidimensionalen Array erheblich zunimmt, kommt es zu zwei Einschränkungen. Der Zwischenraum, der benötigt wird, um Raum für die Leiterbahnen zwischen den Detektorreihen zu schaffen, vergrößert sich und die Dichte der Bondflächen an beiden Enden jedes zweidimensionalen Arrays nimmt auch zu. Hinsichtlich Kosten, Funktion und Funktionssicherheit gibt es eine physikalische Grenze in Hinblick auf die Anzahl und Größe der Bahnen und Bondflächen, die unter Verwendung der Oberseitenkontakte hergestellt werden können. Ein Leiterbahn-"Engpass" tritt auf, wenn auf einer Fläche nicht genügend Raum besteht, um die Anzahl der Bahnen von den Bondflächen der Photodiode zu der Detektorelektronik unterzubringen.
Es ist auch schwierig, einen Mosaikdetektor von beliebiger Größe und Form herzustellen, d. h. einen, bei dem ein Detektorelement an allen Seiten an ähnliche Detektorelemente angrenzen kann. Da sich die Kontakte für externe Anschlüsse seitlich, an den Seiten der aktiven Fläche, befinden, kommt es auf der empfangenden Oberfläche des Detektors zu einem Verlust an aktiver Fläche.
Ein weiteres Problem bezieht sich auf die Beeinträchtigung der Signale auf ihrem Weg durch das lange Bussystem zwischen den Röntgendetektoren und der Signalverarbeitungsschaltung.
CT-Scanner arbeiten mit einer Vielzahl von hochfrequenten, elektromagnetischen Fremdsignalen, deren Frequenzen über ein breites Band variieren. Quellen von Fremdsignalen umfassen in der Nähe in Betrieb befindliche elektrische Bauteile, einschließlich Hochleistungsröhrengeneratoren, Anlagen, Signale von anderen Detektoren und ähnliches. Die langen Bussysteme umfassen lange Verbindungsleitungen, die unbeabsichtigterweise als Antennen fungieren, indem sie elektromagnetische Fremdsignale aufnehmen und diese in analoge Signale umwandeln. Die analogen Fremdsignale überlagern die analogen Signale der Detektoren und vermischen sich mit diesen. Die überlagerten Fremdsignale erscheinen beim Rekonstruieren in Bilder als Rauschen und fiktive Daten. Die resultierenden Bilder werden durch Rauschen, Geistereffekte und andere Artefakte verschlechtert. In dem Dokument US 5.847.396 wird ein Gammastrahlendetektor für die medizinische Bildgebung beschrieben. In dem Dokument US 5.440.130 wird ein auf ein Trägersubstrat aufgebrachtes Festkörper-Röntgenbildgebungssystem beschrieben.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich eingehend mit einem verbesserten Röntgendetektor sowie einem CT-Verfahren und einem Gerät, die die oben erwähnten Probleme und anderes überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst ein Strahlungsdetektor eine strahlungsempfangende Oberfläche, die die empfangene Röntgenstrahlung in Lichtphotonen umwandelt, wie in Anspruch 1 wiedergegeben.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, bei welchem eine strahlungsempfindliche Oberfläche mit Röntgenstrahlung bestrahlt wird, wie in Anspruch 25 wiedergegeben.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht im Anordnen der elektrischen Leiter von der Photodiode unterhalb des Photodiodenarrays.
Ein weiterer Vorteil bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht im Befreien der lichtempfindlichen Oberfläche von elektrischen Leitern.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Fähigkeit, eine Vielzahl von elektrischen Leitungen oder Bahnen durch ein mehrstufiges Substrat zu verteilen.
Ein weiterer Vorteil bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die vorliegende Erfindung die für den Empfang der Röntgenstrahlen verfügbare Nutzfläche der Photodioden vergrößert.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Röntgenumwandlungswirkungsgrad verbessert wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Fähigkeit, eine Vielzahl von Detektorarrays in einer Vielfalt von Konfigurationen zusammen zu gruppieren.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die signalverarbeitende Elektronik leicht von der Röntgenstrahlung abgeschirmt werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, die Anzahl der Kontakte durch Integrieren einer Multiplexschaltung als einen Teil der funktionalen integrierten Schaltung des Photodiodenarrays zu reduzieren.
Noch weitere Vorteile werden dem Fachmann nach der Lektüre und dem Verstehen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann in verschiedenen Komponenten und Anordnungen von Komponenten Gestalt annehmen sowie in verschiedenen Schritten und Anordnungen von Schritten. Die begleitenden Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck, die bevorzugten Ausführungsformen zu veranschaulichen und sollten nicht als Einschränkung der Erfindung ausgelegt werden. Es zeigen:
1 einen CT-Scanner, der ein erfindungsgemäßes zweidimensionales Detektorarray verwendet;
2A ein Photodetektorarray, wie es in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2B eine Ausführungsform eines Röntgendetektorarrays dar, das in einer Dimension parkettiert ist, um ein CT-Detektormodul zu bilden;
2C mehrere CT-Detektormodule, die als Bogen angeordnet sind, um ein vollständiges CT-Bildgebungssystem zu bilden;
die 3 und 4 zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei die Multiplexschaltung als ein Teil der funktionalen integrierten Schaltung des Photodiodenarrays eingebaut ist;
5 eine schematische Zeichnung der in der integrierten Schaltung des Photodiodenarrays implementierten Multiplexschaltung;
6 eine Querschnittansicht eines Röntgendetektorelements der vorliegenden Erfindung;
die 7 und 8 eine Ausführungsform, bei der ein Dispersionsblock verwendet wird, um Detektorelemente mit vierseitiger Angrenzungsmöglichkeit zu schaffen;
9 eine Ausführungsform, bei der ein automatisches Folienbondverfahren eingesetzt und eine Abschirmung der Ausleseelektronik geschaffen wird;
10 eine Ausführungsform, in welcher das Photodetektorarray direkt auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) geklebt wird. Elektrische Anschlüsse von der Unterseite zur Oberseite des ASIC sind geschaffene Leiterstrukturen an der Seite des ASIC-Wafers;
die 11A, 11B und 11C Explosionsdraufsichten beziehungsweise perspektivische Ansichten von oben und unten, die eine Ausführungsform darstellen, bei der Draht-Bonding eingesetzt und eine Röntgenstrahlungsabschirmung der Ausleseelektronik geschaffen wird;
12 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Draht-Bonding eingesetzt und eine Röntgenstrahlungsabschirmung des ASIC-Auslesechips auf einem mosaikförmigen Photodetektorarray geschaffen wird;
13 eine Ausführungsform, wobei mehrere ASIC-Auslesechips in einem mosaikförmigen Photodetektorarray, das eine vierseitige Angrenzungsmöglichkeit ermöglicht, vor Röntgenstrahlung geschützt werden;
die 14 und 15 die Verwendung eines modifizierten Oberseiten-Photodiodenarrays anstelle eines Back-Illuminated-Photodiodenarrays;
16 eine alternative Ausführungsform einer modifizierten Oberseiten-Photodiode, in welcher die von oben nach unten verlaufenden leitfähigen Durchkontaktierungen durch Störstellendiffusion des Siliziums hergestellt werden;
die 17 und 18 eine Mosaikanordnung von Detektorelementen dar, die parkettiert sind, um größere Arrays mit Angrenzung an allen Seiten zu bilden.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Bezug nehmend auf 1 bildet ein CT-Scanner 10 selektiv Regionen eines auf einem Patiententisch 12 liegenden Patienten in einem Scanring oder einer Untersuchungsregion 14 ab. Der Patiententisch kann in Längsrichtung positioniert werden. Der CT-Scanner hat eine Röntgenröhre 16, die ein Röntgenstrahlenbündel auf einen Bereich des zu untersuchenden Patienten ausstrahlt. Bei der bevorzugten Ausführungsform kollimiert ein Kollimator 18 die Röntgenstrahlen zu einem Kegelstrahlenbündel. Wird der Untersuchungsbereich mit der Röntgenenergie bestrahlt, wird ein prozentualer Anteil der Röntgenstrahlen, die den Untersuchungsbereich erreichen, vom Körper des Patienten absorbiert. Das Ausmaß der Absorption ist abhängig von der Dichte des Knochens oder des Gewebes, auf den oder das die Röntgenstrahlen auftreffen. Die Fluenz der den Körper des Patienten verlassenden Röntgenstrahlen weist auf die relativen Gewebe- und Skelettdichten hin.
Weiterhin Bezug nehmend auf 1 empfängt ein diesen Grundsätzen entsprechendes mosaikförmiges Detektorarray 20 Röntgenstrahlung, die den Untersuchungsbereich 14 durchquert hat. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Detektorarray 20 auf einem drehbaren Teil einer Gantry 30 angebracht, so dass sich das Array 20 und die Röntgenquelle 16 in einer zueinander festgelegten Position drehen. Vorzugsweise sind die einzelnen Detektorelemente oder -segmente, die das mosaikfömige Array 20 umfassen, so angeordnet, dass sie ein Querschnittprofil des kegelförmigen Röntgenstrahlenbündels empfangen. Alternativ können die Arraysegmente so angeordnet werden, dass sie einem kegelförmigen Querschnitt der Röntgenstrahlung entsprechen oder mit einer anderen Konfiguration übereinstimmen, um eine Abdeckung einer gewünschten Region des abzubildenden Objekts zu schaffen. Jedes Arraysegment ist entlang einer Ebene senkrecht zur Mittellinie des kegelförmigen Röntgenstrahlenbündels angeordnet. Kegelförmige Strahlenbündel ermöglichen das Abbilden einer größeren volumetrischen Region des Patienten pro Zeiteinheit im Vergleich zum Abbilden einer Patientenregion mittels herkömmlicher fächerförmiger Strahlenbündel.
Das Photodetektorarray 20 und seine zugehörige Datenerfassungselektronik stehen in elektrischer Kommunikation mit einem Datenspeicher 40 zum Empfangen von Signalen, die auf die empfangene Röntgenstrahlung hinweisen. Auf den Speicher 40 kann ein Rekonstruktionsprozessor 42 zugreifen, der mit Hilfe von Rekonstruktionsalgorithmen Szintillationsereignisse in eine diagnostische Bilddarstellung umwandelt. Die Bilddarstellung wird in einem Bildspeicher 44 gespeichert und kann durch einen Videoprozessor 46 abgerufen und auf einer für den Menschen sichtbaren Anzeige 48 angezeigt werden.
Zur Erleichterung der Darlegung in der weiteren Beschreibung von vielen der nachfolgenden Zeichnungsfiguren werden einige notwendige Details ausgelassen, wie zum Beispiel analoge Common- oder Masseanschlüsse, die für einen ordnungsgemäßen Betrieb erforderlich sind. Derartige Details sind dem Fachkundigen jedoch leicht ersichtlich.
Bezug nehmend auf 2 umfasst ein Röntgendetektorelement 22 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine szintillierende Schicht 50, die einer lichtempfangenden Oberfläche eines Back-Illuminated-Photodiodenarrays 52 (BIP) überlagert ist und mit ihr in optischer Kommunikation steht. Die Szintillationsschicht 50 ist ein Material, das Licht aussendet, z. B. sichtbares Licht, wenn einfallende Röntgenstrahlung von der Szintillationsschicht empfangen wird. Beispiele für Szintillationsmaterialien sind unter anderem Kadmiumwolframat, GOS oder andere ähnliche Materialien, die auf Anregung durch Röntgenstrahlung in der Lage sind, sichtbares Licht mit einer spektralen Übereinstimmung mit den Photodetektoren zu erzeugen.
Röntgenstrahlung, die den Untersuchungsbereich 14 (1) durchquert hat, wird von der Szintillationsschicht 50 empfangen. Die Szintillationsschicht wandelt die Röntgenstrahlung in Lichtphotonen um, die in die lichtempfangende Oberfläche des BIP-Arrays 52 eintreten. Die Szintillationsschicht ist auf Oberflächen mit einer röntgendurchlässigen, optischen lichtreflektierenden Beschichtung versehen, außer der Oberfläche, die optisch mit dem Photodetektor gekoppelt ist. Vorzugsweise ist die Beschichtung in einer Weise reflektierend, dass im Wesentlichen das gesamte erzeugte Licht auf das Photodetektorarray reflektiert wird. Räumliche Intensitätsmuster des vom Szintillationskristallarray emittierten Lichts sind proportional zu den räumlichen Muster der Röntgenstrahlung, die den Untersuchungsbereich 14 durchquert hat.
Der Szintillator 50 kann auf verschiedene Weisen an das BIP-Array 52 angebracht werden. Der Szintillator 50 kann zum Beispiel als Schicht auf die Eingabeoberfläche des BIP-Arrays 52 aufgebracht, darauf abgeschieden oder integral auf die Eingabeoberfläche aufgeformt sein oder er kann eine separat geformte Platte aus Szintillationsmaterial sein, die auf der Eingabefläche durch andere Mittel, wie zum Beispiel einen optisch durchlässigen Klebstoff (z. B. ein spezieller Kitt für optische Kopplung) oder ähnliches an ihrem Platz gehalten wird. Der Szintillator 50 und das BIP-Array 52 können die gleiche Größe oder die gleiche Aufstandsfläche (engl. footprint) haben, so dass bei der Herstellung eines Mosaikdetektors aus mehreren Detektorelementen 22 jedes BIP-Array 52 eine zugehörige flächengleiche Szintillationsschicht hat. Alternativ und besonders bevorzugt wird eine einzelne Szintillationsschicht 50 global über einem ganzen Detektor angebracht, der aus einem parkettierten Mosaik aus mehreren Detektorelementen gebildet wird, um die Gleichförmigkeit zu erhöhen und um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Artefakten an den Modulgrenzen zu reduzieren. Diese Ausführungsform eignet sich in erster Linie für die Durchleuchtungsbildgebung. Die Szintillationsschicht 50 ist mit einer lichtreflektierenden Oberfläche sowie mit einer lichtundurchlässigen, röntgenstrahlendurchlässigen Beschichtung bedeckt, um zu vermeiden, dass Fremdlicht die Photodioden erreicht.
Das BIP-Array 52 ist ein einzelnes, monolithisches Halbleitersubstrat mit einer darauf aufgeformten, funktionalen integrierten Schaltung. Die funktionale integrierte Schaltung umfasst eine Matrix aus lichtempfindlichen Elementen oder „Pixeln", vorzugsweise Photodioden, die auf der lichtempfangenden Seite aufgeformt sind. Die integrierte Schaltung des BIP-Arrays 52 ist im Allgemeinen aus Silizium oder anderen Halbleiterwafern mittels bekannter Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen hergestellt, zum Beispiel mittels Maskieren, Verdampfen, Ätzen und Diffusionsverfahren und so weiter. Die lichtempfindlichen Elemente sind elektrisch durch elektrische Verbindungen, die durch das Halbleitersubstrat verlaufen, mit einer Gruppe Kontakt- oder Bondflächen 54 gekoppelt, die sich auf der Rückseite des BIP-Arrays 52 befinden. Das von den Photodioden empfangene Licht wird in einen entsprechenden Ladungswert umgewandelt, der über die elektrischen Leitungen oder Anschlüsse 54 auf der Rückseite der BIP-Array-Vorrichtung 52 als ein Ausgangsstrom, der proportional zu der Anzahl der empfangenen Lichtphotonen ist, von der aktiven Fläche des BIP-Arrays zum Trägersubstrat 58 übertragen wird.
Jedes Detektormodul 22 ist somit ein kleiner Matrix-Bilddetektor, der in einem „n×m"-Array aus Detektorelementen oder Pixeln angeordnet ist. Anhand eines nicht einschränkenden Beispiels, das für die CT-Bildgebung geeignet ist, kann jedes Modul 22 vorteilhafterweise in der Größe von ungefähr 12 mm × 12 mm bis ungefähr 75 mm × 75 mm reichen. Zum Beispiel kann die Anzahl der Pixel von 1/2 bis 2 pro mm reichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform für die CT-Bildgebung ist jedes Modul 25 mm × 25 mm groß und hat 256 Pixel, die in einer 16×16-Matrix angeordnet sind. Als zweites nicht einschränkendes Beispiel, das für die Röntgendurchleuchtungsbildgebung geeignet ist, kann die Größe jedes Moduls 22 vorteilhafterweise von ungefähr 12 mm × 12 mm bis ungefähr 75 mm × 75 mm reichen. Die Anzahl der Pixel kann zum Beispiel zwischen 1 und 3 pro mm liegen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform für die Röntgendurchleuchtungsbildgebung ist jedes Modul 25 mm × 25 mm groß und hat ungefähr 4096 Pixel, die in einer 64×64-Matrix angeordnet sind. Es versteht sich jedoch, dass die Module außer der quadratischen auch andere Formen, wie zum Beispiel rechteckige, hexagonale, dreieckige, usw. haben können. Es versteht sich auch, dass die Größe, die Pixelmatrixdichte und die Form jedes Moduls in Übereinstimmung mit der vorgesehenen Bildgebungsanwendung, der gewünschten Auflösung und so weiter, ausgewählt werden kann und sehr unterschiedlich sein kann, ohne den Rahmen und das Konzept der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Das BIP-Array 52 wird mittels eines Bump-Bonding-Verfahrens auf einem Trägersubstrat 58 angebracht. Das Trägersubstrat 58 trägt eine elektrische Schaltung, die konfiguriert ist, eine elektrische Verbindung zwischen dem BIP-Array und der nachgeschalteten Datenerfassungs- und Signalverarbeitungselektronik zu erleichtern. Beim Bump-Bonding schaffen leitfähige Kugeln oder so genannte Bumps 56, z. B. hergestellt aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem anderen leitfähigen Material, wie einem leitfähigen Klebstoff oder einem leitfähigen Epoxid, eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 54 des BIP-Arrays und den entsprechenden ausgerichteten Kontaktflächen 55 (siehe 6) auf der Vorderseite des Trägersubstrats 58. Derartige Systeme sorgen sowohl für das mechanische Bonding als auch für die elektrischen Verbindungen zwischen dem Chip 52 und dem Trägersubstrat 58. Die Bumps 56 bestehen aus einem weichen Metall, wie zum Beispiel Gold, Kupfer, Aluminium, Blei-Zinn-Lötmittel und so weiter oder einem leitfähigen Klebstoff, wie zum Beispiel einem leitfähigen Epoxid oder ähnlichem. Jeglicher Zwischenraum zwischen dem BIP-Array und dem Trägersubstrat kann optional mit einem Unterfüllungsmaterial aufgefüllt werden, um die Anschlüsse einzukapseln und um zusätzlichen mechanischen Nutzen zu schaffen.
Eine Anzahl derartiger Verfahren zum Anbringen von IC-Chips sind im Allgemeinen in der Technik bekannt und können in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Eine Anzahl derartiger Bump-Bonding-Verfahren ist bekannt, von denen einige unterschiedlich bekannt sind als Flip-Chip-Bonding, „Controlled Collapse Chip Connection" oder C4-Verfahren, Ball-Grid-Array-Verfahren und so weiter. Die Metallbumps können zuerst geformt oder auf der Vorderseite des IC-Chips gebildet und danach mit den ausgerichteten Kontaktflächen auf dem Trägersubstrat durch Ausrichten des Chips und des Substrats und Zusammenpressen unter genau geregelter Wärme und genau geregeltem Druck verbunden werden. Alternativ können die Festmetallkugeln auf den Kontaktflächen des Trägersubstrats angebracht und/oder an diese angeschlossen werden (z. B. durch ein Reflow-Verfahren), wonach der Chip und das Substrat wieder ausgerichtet und unter genau geregelter Wärme und sowie genau geregeltem Druck zusammengepresst werden. Leitfähige Klebstoffkugeln sind von Vorteil, da sie die Notwendigkeit des Reflows und das relativ hohe Maß an Erwärmung, das herkömmliche Metallkugeln zum Bilden der Verbindungen benötigen, überflüssig machen.
Das Trägersubstrat 58 trägt eine elektrische Schaltung, um die Ausgangssignale vom BIP-Array zur nachgeschalteten Datenerfassungs- und Signalverarbeitungs- oder Ausleseelektronik 60 zu leiten. Bei einer Ausführungsform wird eine strahlungsgehärtete Elektronik verwendet. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Elektronik 60 abgeschirmt, um die Verwendung einer nicht strahlungsgehärteten Elektronik zu ermöglichen. Das Trägersubstrat 58 kann ein Leiterplattensubstrat sein, das Metallbahnen trägt, z. B. ein Reliefmuster einer gedruckten Schaltung. Das Substrat kann ein starres oder halbstarres Material sein, zum Beispiel glasfaserverstärktes Epoxid und ähnliches, oder eine aus einem dielektrischen Material gebildete flexible Folie, typischerweise eine Polymerfolie wie ein Polyimid, Polyester oder anderes Material, das zur Herstellung von Substraten aus flexiblen Folien verwendet wird. Alternativ kann das Trägersubstrat 58 ein keramisches modulares Bauteil, ein Anschlussrahmen oder ein anderes Trägersubstrat sein.
Durchgangslöcher oder Durchkontaktierungen 70 (siehe 6), wie zum Beispiel Mikro-Durchkontaktierungen, werden verwendet, um das Signal an eine Gruppe von Kontaktflächen 57 (siehe 6) zu leiten, die auf der Rückseite des Trägersubstrats 58 angebracht sind. Die Datenerfassungs- und Signalverarbeitungselektronik 60 befindet sich auf der Rückseite des Trägersubstrats 58 und ist elektrisch mit den Kontakten 57 gekoppelt. Bei der Ausführungsform in 2 verfügt jede Photodiode des Photodiodenarrays 52 über einen einzelnen Kontakt auf der Rückseite des BIP, um durch das Trägersubstrat 58 geleitet und zu den Multiplex- und Verstärkungsschaltungen 60 und optional zu den Signalumsetzungsschaltungen weitergeleitet zu werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform einer 16×16 Pixel-Matrix für die CT-Bildgebung oder einer 64×64 Pixel-Matrix für die Röntgendurchleuchtungsbildgebung, beide auf einer Fläche von 25 mm × 25 mm, macht die Anzahl und Dichte der Verbindungen daher im Allgemeinen die Verwendung eines Substrats 58 mit mehreren Schichten aus internen Bahnen 72 (siehe 6) und Durchkontaktierungen 70 erforderlich.
Betrachten wir nun die 2B und 2C, so werden die Mehrfachmodule 22 aus 2 verwendet, um ein CT-Detektormodul 1001 zu bilden. Die Mehrfachmodule 1001 werden dann wiederum verwendet, um ein vollständiges CT-Bildgebungssystem 1002 zu bilden. Das Detektormodul 1001 enthält ein Substrat 1006, auf dem die Untermodule 22 in einer Reihe angebracht sind. Das Substrat 1006 enthält Leiter, um elektrische Signale zu verteilen. Das Substrat 1006 hat auch eine Steckerschnittstelle 1005 zur peripheren Elektronik. Außer den Untermodulen 22 kann das Substrat 1006 aktive elektronische Bauteile enthalten oder nicht.
Eine Anzahl von Detektormodulen 1001 kann so angeordnet werden, dass ein noch größeres Array 1002 gebildet wird. Zur CT-Bildgebung können die Module 1001 in einem Bogen angeordnet werden, um ein vollständiges CT-Bildgebungssystem 1002 zu bilden. Die Module 1001 werden mechanisch von einer Basisstruktur 1003 getragen. Elektrische Signale vom Modul 1001 werden über Steckverbinder 1005 zu einer gemeinsamen elektrischen Leiterplatte 1004 geleitet. Die gemeinsame elektronische Leiterplatte 1004 enthält eine Elektronik, um Signale von den Modulen 1001 zu verarbeiten und diese verarbeiteten Signale an das CT-Rekonstruktionssystem weiterzuleiten.
Als nicht einschränkendes Beispiel, das für die CT-Bildgebung geeignet ist, haben die Untermodule 22 ein 16×16 Pixel-Array mit einer Abmessung von 25 mm × 25 mm. Die Detektormodule 1001 enthalten jeweils 16 Untermodule 22. Das Detektormodul wird somit zu einem Röntgendetektorarray mit 16×256 Pixeln und einer Abmessung von 25 mm × 400 mm. Durch bogenförmiges Anordnen von 42 dieser Detektormodule 1001 wird ein vollständiges CT-Bildgebungssystem gebildet. Das vollständige System 1002 ist ein 672×256 Pixel-Elementarray aus Röntgendetektoren. Signale von den Detektormodulen 1001 werden über die Steckverbinder 1005 zu einer gemeinsamen elektronischen Leiterplatte 1004 weitergeleitet, die die digitalen Daten verarbeitet, bevor sie an das CT-Rekonstruktionssystem weitergeleitet werden. Eine Struktur aus Aluminium oder Stahlmetall 1003 schafft eine mechanische Halterung für die Detektormodule 1001 und die gemeinsame elektronische Leiterplatte 1004.
Bezug nehmend auf die 3 und 4 werden zwei Ausführungsformen eines Röntgendetektormoduls 23 beziehungsweise 24 gezeigt, die dem Modul 22, das in 2 dargestellt und unter Bezugnahme darauf beschrieben wurde, ähnlich sind, bei denen aber die Multiplex-Elektronik als ein Teil der funktionalen integrierten Schaltung im BIP-Array 52 eingebaut ist. Diese Implementierung des Multiplexing eignet sich in erster Linie für die Durchleuchtungsbildgebung. Durch sequentielles Scannen von Reihen und Spalten werden die Anzahl und die Dichte der Verbindungen zwischen dem BIP-Array 52 und dem Trägersubstrat 58 und zwischen dem Trägersubstrat 58 und der Ausleseelektronik 60 in hohem Maße reduziert. Bei der Ausführungsform der 64×64 Pixel-Matrix wird die Anzahl der Verbindungen von ungefähr 4096 auf ungefähr 130 reduziert. Aufgrund der reduzierten Anzahl von Kontakten ist das Trägersubstrat ein relativ einfaches Verbindungsbauelement, das zum Beispiel keine mehrlagige Leiterplatte erforderlich macht. Bei der Ausführungsform aus 3 werden die Verbindungen entlang zweier angrenzender Kan ten hergestellt. Bei der Ausführungsform aus 4 sind die gemultiplexten Ausgangskontakte in einem im Allgemeinen x-förmigen Muster angeordnet. Andere Anordnungen werden kommen ebenfalls in Betracht.
Bezug nehmend auf 5 ist ein schematischer Schaltplan dargestellt, der eine beispielhafte Implementierung des elektronischen Multiplexing als ein Teil der funktionalen integrierten Schaltung des BIP-Arrays 52 veranschaulicht. Multiplexing ist in soweit vorteilhaft, als es die Kosten und die Komplexität des Trägersubstrats 58 reduziert. Auch die verringerte Komplexität des Signal-Routings vermindert die Wahrscheinlichkeit einer Verfälschung der vom BIP-Array erzeugten, sehr niedrigen Signalpegel. Bei der dargestellten Ausführungsform erfolgt das Multiplexing in Form einer Matrixverbindung von analogen Schaltvorrichtungen, die sich an jedem Pixel befinden. In den einzelnen Photodiodenelementen 80 wird eine Ladung proportional zum einfallenden Licht erzeugt. Diese Ladung wird in der inhärenten Übergangskapazität 82 der Photodiode akkumuliert. Am Ende einer Akkumulationsperiode mit einer Dauer von z. B. einem Videovollbild werden alle Schalter 88 für eine Matrixreihe durch die betreffende Auswahlleitung 84 eingeschaltet. Jeder Schalter 88 kann ein Transistor, ein Schalttransistor (typischerweise ein MOSFET-Bauelement) oder eine Anordnung von Dioden sein. Die gesamte akkumulierte Ladung von jedem Pixel in der ausgewählten Reihe wird dann über eine einzelne Spaltenleitung 86 der Matrix auf den Eingang eines einzelnen Verstärkers geleitet, der in der nachgeschalteten Elektronik 60 enthalten ist. Die Auswahlleitungen 84 werden nacheinander eingeschaltet, bis alle Pixel eines Detektormoduls gelesen worden sind. Alternativ kann zu Beginn jeder Integrationsperiode eine festgelegte Sperrspannung auf jede Pixelkapazität 82 gegeben werden. Diese Spannung wird dann durch Strom vom Eingangssignal vermindert. Die Höhe der Ladung, die benötigt wird, um die Spannung vor dem nächsten Vollbild wieder herzustellen, entspricht der Höhe der Signalladung, die während der Integrationsperiode erzeugt wird. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann ein separates Multiplex-Untersystem als Teil der auf dem BIP-Array-Chip gebildeten funktionalen integrierten Schaltung gebildet werden.
In einigen Fällen ist es jedoch wünschenswert, für jede Photodiode des BIP-Arrays ihren eigenen Kontakt auf der Rückseite des BIP-Arrays zu schaffen. Da auf dem BIP-Array keine Multiplexschaltung verwendet wird, werden die Kosten und die Komplexität des BIP-Arrays reduziert. Auch können in einigen Fällen die Leistungsmerkmale der BIP-Vorrichtung verbessert werden, zum Beispiel hinsichtlich des Dynamikumfangs, des Rauschabstands und der Datenübertragungsrate. Die 6–10 veranschaulichen einige der zurzeit bevorzugten Ausführungsformen für die Unterbringung einzelner Ausgänge vom BIP-Array.
Bezug nehmend auf 6 ist eine Querschnittansicht eines Röntgendetektorelements 22 der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem ein BIP-Array 52 mit einer Gruppe von einzelnen Kontakten 54 auf seiner Rückseite für jedes Photodiodenelement des Arrays verwendet wird. Abermals ist die Szintillationsschicht 50 optisch mit der lichtempfangenden Oberfläche des BIP-Arrays 52 gekoppelt. Die rückseitige Oberfläche des BIP-Arrays 52 ist mittels Bump-Bonds 56 mit einem Trägersubstrat 58 verbunden. Durchkontaktierungen 70 im Trägersubstrat verbinden wiederum eine Gruppe von Oberseitenkontakten 55 mit einer Vielzahl von internen leitenden Schichten 72 in verschiedenen Schichten des mehrschichtigen Trägersubstrats 58. Mit „leitender Schicht" ist eine Schicht aus leitfähigem Material gemeint, welches typischerweise in ein Schaltungsmuster eingebracht ist. Die Leiterbahnen 72 in dem mehrschichtigen Substrat sind elektrisch mit einer Gruppe von Kontaktflächen 57 auf der rückseitigen Oberfläche des Trägersubstrats 58 verbunden. Die Kontaktflächen 57 schaffen Anschlusspunkte für die Verarbeitungselektronik 60, vorzugsweise mittels Draht-Bonds 74.
Die 7 und 8 veranschaulichen eine Ausführungsform eines Röntgendetektorelements 25, bei dem ein BIP-Array 52 mit einem einzelnen Kontakt 54 auf seiner rückseitigen Oberfläche für jedes Photodiodenelement des BIP-Arrays verwendet wird. Wieder ist die Szintillationsschicht 50 optisch mit der lichtempfangenden Vorderseite des BIP-Arrays 52 gekoppelt. Die rückseitige Oberfläche des BIP-Arrays 52 ist mittels Bump-Bonds 56 mit einem Dispersionsblock 158 verbunden. 8 zeigt die Kontaktoberfläche des Dispersionsblocks 158 und das darauf befindliche Gitter der leitfähigen Bumps oder Kugeln 56. Der Dispersionsblock 158 umfasst mehrere Leiterplatten 59 in einer gestapelten Anordnung, die ein individuelles Weiterleiten jeder Signalbahn vom BIP-Array 52 zu einem einzelnen Eingang der Multiplexing- und Verstärkungsschaltungen 60 und optional der Signalumsetzungsschaltungen ermöglicht. Die Leiterplatten 59 sind so bemessen und angeordnet, dass eine geometrische Konfiguration entsteht, die ausreichend Oberfläche bietet, um die Elektronik 60 aufzunehmen, während die Fähigkeit, ein Mosaik aus mehreren aneinander angrenzenden Detektoren zu bilden, aufrecht erhalten bleibt. Die abgestufte oder abgesetzte geometrische Anordnung der Leiterplatten 59 zum Bilden eines Dispersionsblocks 158 ist nur als Beispiel dargestellt. Andere geometrische Anordnungen der Leiterplatten zum Bilden eines Dispersionsblocks kommen ebenfalls in Betracht. Au ßerdem werden andere Implementierungen als die gestapelten Anordnungen der Leiterplatten auch in Erwägung gezogen, wie zum Beispiel aus anisotropen Leitermaterialien hergestellte Dispersionsblöcke, die Verwendung von Wire-Skin-Vorrichtungen anstelle von Leiterplatten, usw.
9 stellt ein weiteres Verfahren zum Leiten einer großen Anzahl von Verbindungen zu außerhalb des Chips befindlichen Multiplexschaltungen dar. Das Detektormodul 22 umfasst eine Szintillationsschicht 50 in optischer Kommunikation mit einer lichtempfindlichen Oberfläche des BIP-Arrays 52. Ausgangssignale von jeder Photodiode des BIP-Arrays werden durch das Halbleitersubstrat, in welchem das BIP-Array gebildet ist, weitergeleitet zu einer gleichen Anzahl von Kontaktflächen 54 (siehe 2), die auf der Rückseite des BIP-Arrays 52 angeordnet sind. Das BIP-Array 52 ist mittels Bump-Bonds mit dem Trägersubstrat 58 verbunden, abermals versehen mit ausgerichteten Kontaktflächen 55 (6) auf seiner oberen Oberfläche und Leiterbahnen 72 (6), vorzugsweise mehrstufige, und Durchkontaktierungen 70 (siehe 6) zum Weiterleiten der Ausgangssignale des BIP-Arrays zu den Kontakten 57 (siehe 6) auf der Rückseite des Trägersubstrats 58. Eine oder mehrere Filmbond(TAB)-Vorrichtungen 90 werden verwendet, um die Kontakte 57 auf der Unterseite mit einer Leiterplatte 92, zum Beispiel einer Mutterplatine, einer Zusatzplatine oder einer anderen zentralen Leiterplatte zu verbinden. Die TAB-Vorrichtung 90 umfasst eine dielektrische Folie oder einen Film, auf denen sich feine Reihen von Leiterbahnen befinden. Ein erstes Eingangsende 91 hat eine hohe Dichte an elektrischen Leitern, typischerweise mit einem Abstand von 100 μm, und ist mittels herkömmlicher TAB-Verfahren mit dem Substrat 58 verbunden. Ein zweites Ausgangsende 93 hat eine wesentliche geringere Dichte an Bahnen, typischerweise mit einem Abstand von 500 μm, und ist mittels eines Steckverbinders 94 oder alternativ mittels direkter Lötanschlüsse mit der Leiterplatte 92 verbunden. Ein Verstärkungs- und Multiplexchip 96 ist entlang der Länge des Films angebracht, um die Anzahl der Anschlüsse am Ausgangsende 93 zu verstärken und zu reduzieren. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein optionales Abschirmelement 100 zwischen dem Modul 22 angeordnet, um die nachgeschaltete Elektronik oder andere elektronische Vorrichtungen, die hinter dem Detektor angeordnet sind, vor Röntgenstrahlung zu schützen. Die Abschirmung 100 ist vorzugsweise aus Blei, Wolfram, Molybdän oder ähnlichem und hat darin ausgebildete Schlitze oder Öffnungen zum Führen der TAB-Verbindungen 90. Die Abschirmung 100 kann weggelassen werden, wenn eine röntgengehärtete Ausleseelektronik verwendet wird. Bei einer alternativen Aus führungsform wird das Substrat 58 weggelassen, wobei der TAB-Steckverbinder 90 direkt an den rückseitigen Kontakten 54 des BIP-Arrays 52 angebracht ist.
10 zeigt noch eine weitere Ausführungsform eines Detektormoduls 26 mit einem BIP-Array 52 mit einem überdeckenden Szintillationskristall 50. Das BIP-Array ist mittels Bump-Bonding über Bumps 56 mit einem passenden Elektronikarray auf einer anwendungsspezifischen integrierten Ausleseschaltung (ASIC) 258 verbunden, der in Länge und Breite eins-zu-eins mit dem BIP-Array 52 übereinstimmt. Bei einer ersten Ausführungsform hat das Auslese-ASIC 258 für jede Photodiode des BIP-Arrays eine individuelle A/D-Umsetzungselektronik. Bei einer alternativen Ausführungsform enthält das ASIC 258 eine Multiplexschaltung, um die Photodiodensignale zu der A/D-Umsetzungselektronik zu multiplexen. Das ASIC 258 hat elektrische Kontakte, die zu seiner rückseitigen Oberfläche geführt sind, so dass ein Parkettieren von mehreren Modulen 26 in zwei Dimensionen möglich wird, während gleichzeitig eine geeignete Verbindung zu der externe Verarbeitungselektronik geschaffen wird. Die Verbindungen von der Vorderseite zur Rückseite am Auslese-ASIC 258 können mittels einer Reihe von Verfahren gebildet werden. Zum Beispiel leitfähige Metallisierungen, die um eine oder mehr periphere Seitenflächen 120 gebildet werden, um eine elektrische Verbindung zu den Kontaktpunkten auf der vorderen Oberfläche zu schaffen. Das Metall kann mittels einer Anzahl von Auftragungs- und Abscheidungsverfahren, wie zum Beispiel thermische Evaporation, Sputtern, Galvanisieren oder ein anderes Verfahren, in einer dünnen Schicht auf den Chips aufgebaut werden. Als leitendes Material können zum Beispiel Gold, Kupfer, Silber, Palladium oder andere Materialien mit hoher Leitfähigkeit verwendet werden. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird die Metallisierungsschicht durch selektives Auftragen einer dünnen Schicht eines Leiters aufgebracht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Metallisierung durch Anbringen eines leitfähigen Bandes, das aus einem der oben aufgeführten Metalle oder einem anderen leitfähigen Material besteht, auf dem Chip aufgebaut werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung der oben genannten Metalle beschränkt und wie dem Fachkundigen ersichtlich sein wird, können zusätzliche Metalle verwendet werden. Die Metallschichten 122 koppeln die funktionale integrierte Schaltung des Auslese-ASIC 258 elektrisch mit den auf der Rückseite 124 des ASIC 258 gebildeten Kontaktflächen oder Bondpads 126. Eine Isolierschicht 121 ist zwischen dem Metall 122 und dem Siliziumsubstrat erforderlich. Die Isolierschicht kann mittels herkömmlicher Isolierungs-, Passivierungs- oder Abscheidungsverfahren aus Siliziummonoxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Metalloxid, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Titanoxid, usw., Polyimid und ähnlichem gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich können die Metallschichten in Aussparungen oder Vertiefungen, die in einer peripheren Kante 120 gebildet sind, platziert werden, um elektrischen Kontakt zwischen den Metallschichten 122 und den angrenzenden Auslese-ASICs zu verhindern, wenn diese zu einem Mosaik parkettiert sind.
Bezug nehmend auf 11 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Röntgenstrahlungsabschirmelement 101 und Draht- oder Wedge-Bonds 74 verwendet werden. Ein BIP-Array und eine Szintillationsschicht (nicht abgebildet) werden, wie oben beschrieben, von einem mehrschichtigen Substrat 58 getragen. Anschlussflächen 130 schaffen Stromversorgungs- sowie Eingabe-/Ausgabe-Verbindungen zu und von der nachgeschalteten Elektronik. Bump-Bonds 56 schaffen eine elektrische Kopplung von den Kontakten auf dem BIP-Array zu einer passenden Gruppe von Kontakten 56 auf der oberen Oberfläche des Substrats 58. Die Durchkontaktierungen und Bahnen 70 in dem Substrat verbinden wiederum die oberen und unteren Oberflächen elektrisch mit Bahnen auf einzelnen internen Schichten 72A–72D des mehrschichtigen Substrats 58. Es können verschiedene Anzahlen von Schichten in Verbindung mit verschiedenen Anzahlen von Bahnen pro Schicht verwendet werden. Die leitfähigen Flächen 999 auf dem mehrschichtigen Substrat sind über Drahtbonds 74 mit dem verarbeitenden ASIC-Auslesechip 60 verbunden. Eine Röntgenstrahlungsabschirmung 101, z. B. hergestellt aus Wolfram, Blei oder einem anderen Röntgenstrahlung abschirmenden Material, wird zwischen dem Trägersubstrat 58 und dem ASIC-Auslesechip 60 angeordnet und mit diesen mittels Bonding verklebt. Die Röntgenstrahlungsabschirmung 101 ermöglicht die Verwendung von nicht röntgengehärteten ASIC-Auslesechips. Eine derartige Abschirmung 101 kann auf das Substrat 58 gebonded oder vertieft in das Substrat 58 eingelassen werden. Die Verwendung von nicht röntgengehärteten ASIC-Auslesechips ermöglicht eine minimale Größe des Rohchips (engl. die) und minimale Kosten bei Anwendungen, in denen die Anzahl der Kanäle pro Flächeneinheit im Innern des Auslese-ASICs aus Gründen der Anwendbarkeit maximiert werden muss. Eine derartige Anwendung wird in 12 gezeigt.
Bezug nehmend auf 12 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der eine Röntgenstrahlungsabschirmung 101 auf einem Substrat eines mosaikförmigen Photodetektorarrays verwendet wird. Die Abschirmung 101 befindet sich direkt zwischen dem ASIC-Auslesechip 60 und dem Substrat 58 und schützt somit den ASIC-Auslesechip vor Röntgenstrahlung, die sonst direkt auf ihn einfallen würde. Eine derartige Abschirmung 101 kann auf das Substrat 58 gebondet oder vertieft in das Substrat 58 eingelassen werden. Die ASIC-Auslesechips 60 sind in Form eines Rohchips dargestellt und Draht-Bonds 74 sind mit den Flächen 999 auf dem Substrat 58 verbunden. Diese Ausführungsform kann für Konfigurationen mit nur einem ASIC-Auslesechip 60 pro Modul verwendet werden und ist nicht auf die Anzahl der ASIC-Auslesechips 60 pro Modul beschränkt. Dieses Konzept ist derzeit für ASIC-Auslesechips 60 mit mindestens 32 Photodetektor-Eingangskanälen pro ASIC-Auslesechip realisierbar. Die Verwendung der Röntgenstrahlungsabschirmung 101 ermöglicht die minimale Rohchipgröße für den ASIC-Auslesechip 60. Röntgenstrahlengehärtete ASIC-Auslesechips, die unter Beachtung der Layout-Regeln für den Betrieb des Chips bei einer in dieser Ausführungsform erwarteten Röntgenstrahlungsbelastung entworfen und implementiert wurden, haben eine Rohchipfläche, die um 40 Prozent größer sein kann, was für diese Ausführungsform nicht geeignet ist.
Bezug nehmend auf 13 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der ein Array aus ASIC-Auslesechips 60 mit einem gemeinsamen Substrat verbunden ist. Mehrere ASIC-Auslesechips 60 werden in einem mosaikförmigen Photodetektorarray, das eine vierseitige Angrenzungsmöglichkeit bietet, vor der Röntgenstrahlung geschützt. Die Röntgenstrahlungsabschirmungen 998 werden so auf die Substrate 158 gebondet, dass die ASIC-Auslesechips 60 gegen eine direkte Röntgenstrahlungsbelastung geschützt sind. Die ASIC-Auslesechips können je nach Implementierung in Form eines Rohchips oder eines CSP (Chip Scale Package) vorliegen. Die Röntgenstrahlungsabschirmungen 998 können auf die Substrate gebondet oder vertieft in die Substrate 58 eingelassen werden, und zwar auf bzw. in alle außer dem äußersten Substrat 158, das extern gebondet werden muss, um eine Abschirmung für die ASIC-Auslesechips gegen Röntgenstrahlung zu schaffen.
Bezug nehmend auf 10 ist eine Ausführungsform dargestellt, die die externe Röntgenstrahlungsabschirmung nicht verwendet. Diese Ausführungsform nutzt die Entwurfs- und Layout-Regeln für ASIC-Auslesechips für das Röntgenstrahlungshärten. Dieses Verfahren ist für diese Anwendung geeignet, weil der ASIC-Auslesechip die gleiche Größe wie der Photodetektor hat.
Obwohl die vorliegende Erfindung in erster Linie in Bezug auf die Verwendung von Back-Illuminated-Photodiodenarrays als Photodetektorvorrichtung erörtert wurde, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung unter Verwendung anderer Arten von rückseitig kontaktierten Photodiodenarrays implementiert werden kann. Jede der oben be schriebenen Ausführungsformen kann zum Beispiel modifiziert werden, um ein Oberseiten-Photodiodenarray zu verwenden, das mit Durchgangslochverbindungen (Durchkontaktierungen) modifiziert wurde, um für die Weiterleitung der Photodioden-Ausgangssignale an die Rückseite des Chips zu sorgen. Die Verwendung eines modifizierten Oberseitenkontakt-Photodiodenarrays ist dahingehend von Vorteil, dass Siliziumwafer mit größeren Abmessungen verwendet werden können. Bezug nehmend nun auf 14 ist eine Draufsicht eines Oberseiten-Photodiodenarrays 152 gezeigt, durch das eine Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen 170 gebildet wurde, die zwischen aktiven Photodiodenflächen 180 angeordnet sind.
In 15 wird eine Schnittseitenansicht einer Durchkontaktierung 170 durch ein Photodiodenarray 152 dargestellt. Die Durchkontaktierung 170 wird durch das Halbleitersubstrat des Photodiodenarrays 152 zwischen den aktiven Flächen gebildet und eine Isolierschicht 190 wird auf die Oberfläche der Durchkontaktierung 170 aufgebracht oder darauf gebildet. Die Schicht kann aus einem oben in Bezug auf 10 beschriebenen isolierenden oder passivierenden Material oder einem anderen ähnlichen isolierenden Material bestehen. Über der Isolierschicht 190 wird dann eine leitfähige Schicht 192 aufgebracht. Die leitfähige Schicht kann in den Kanälen mit Hilfe eines selektiven Abscheidungsverfahren aufgebracht werden. Verfahren zur Abscheidung von Schichten aus der Gasphase (engl. Chemical vapour deposition, CVD), wie sie den Fachkundigen im Allgemeinen bekannt sind, können zum Beispiel verwendet werden, um eine leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche der Durchkontaktierungskanäle abzuscheiden. Das Metall kann in Form eines anorganischen Salzes oder einer metallorganischen Verbindung des gewünschten Metalls aufgebracht werden. Es versteht sich jedoch, dass jegliches leitende Element, das mittels eines Verfahrens zur Abscheidung von Schichten aus der Gasphase aufgebracht wurde, zum Beispiel Aluminium, Wolfram, Titan, Nickel, Platin, Palladium, Kohle, Kupfer, Gallium, Gold, Blei, Silber, Quecksilber, Silber, Zinn, Zink und so weiter, oder irgendeine Mischung oder Kombination hiervon, verwendet werden kann. Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein leitfähiges Material selektiv auf die Oberfläche der Durchkontaktierung 170 aufgetragen werden.
Alternativ kann das leitfähige Material den Kanal der Durchkontaktierung füllen. Ein geschmolzenes leitfähiges Material kann zum Beispiel in die Durchkontaktierungen gezogen werden, indem ein Vakuum auf der gegenüberliegenden Seite des Chips angewandt wird, die Oberflächenspannung genutzt oder ein anderes Verfahren angewandt wird. Vorteilhafterweise können leitfähige Materialien mit einem niedrigen Schmelzpunkt wie zum Beispiel Gallium, Indium, Zinn-Blei-Lötmittel und so weiter verwendet werden. An der Oberseite werden Anodenverbindungen zur leitfähigen Schicht 192 hergestellt und die Unterseite jeder leitfähigen Durchkontaktierung 170 wird, wie oben ausführlich beschrieben, mit Hilfe eines leitfähigen Bumps 56 auf einen entsprechenden Kontakt 55 des Trägersubstrats 58 gebondet. Die Schmelztemperatur und die chemische Reaktivität der geschmolzenen leitfähigen Materialien müssen mit den Verarbeitungsverfahren des Photodiodenhalbleiters im Einklang stehen.
In 16 ist eine alternative Ausführungsform eines Oberseiten-Photodiodenarrays dargestellt, das zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung anstelle eines BIP-Arrays modifiziert wurde. Ein Photodiodenarray 252 umfasst eine Durchkontaktierung 270, die durch Bilden eines leitfähigen Gebiets 292 im Halbleitersubstrat leitfähig gemacht wird. Das leitfähige Gebiet endet in einem Kontakgebiet 254 auf der rückseitigen Oberfläche des Chips. Eine auf der rückseitigen Oberfläche des Chips gebildete Metallanschlussfläche 1000 steht in ohmscher Verbindung mit dem Kontaktgebiet 254 des Halbleiters. Das leitfähige Gebiet und das Kontaktgebiet werden durch Ionenimplantations- oder Störstellendiffusionsverfahren gebildet. Bei einer bevorzugten Implementierung wird eine Photodiode 280 auf der Oberfläche des n-Siliziumwafers 252 gebildet, indem eine Dotierung vom p-Typ mittels herkömmlicher thermischer Diffusionsverfahren diffundiert wird. Die Durchkontaktierung wird leitfähig gemacht, indem vor dem Bilden der Photodiode ein Loch in der Diffusionsschicht 280 der Photodiode gebildet und die Oberfläche des Lochs demselben thermischen Diffusionsverfahren wie das Photodiodengebiet ausgesetzt wird. Es ist zu beachten, dass in der Durchkontaktierung kein Isolator erforderlich ist, da die Störstellendiffusion eine unter Sperrvorspannung stehende Diode zum Substratsilizium bildet. Somit wird ein unabhängiger Leiter für das Photodiodensignal von der Oberseite geschaffen. Natürlich können die Photodiode und die leitfähige Durchkontaktierung auch in separaten Schritten gebildet werden. Das Kontaktgebiet 254 kann auf der Unterseite des Halbleitersubstrats ebenfalls durch Verwenden der Diffusions- oder Ionenimplantationsverfahren gebildet werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Photodiode, die Durchkontaktierung und das Kontaktgebiet, egal ob separat oder gemeinsam gebildet, alle als p-leitend eindiffundiert. Ein letzter Schritt besteht darin, eine metallische Kontaktanschlussfläche 1000 zu dem Kontaktgebiet 254 zu bilden. Diese metallische Anschlussfläche wird durch Bump-Bonding zur Schnittstelle zu der zugehörigen Elektronik.
Dieses im vorhergehenden Absatz beschriebene Verfahren der leitfähigen Durchkontaktierung kann auch in der in 10 gezeigten Ausführungsform verwendet werden.
Bezug nehmend auf 17 ist eine Anordnung von einzelnen Detektormodulen 22 dargestellt, die an jeder Seite über Angrenzungsmöglichkeiten verfügt, um einen großflächigen Bilddetektor 20 zu bilden. In 18 ist ein gleichartiges Mosaik 20' dargestellt, bei dem hexagonale Detektormodule 22' verwendet werden. Derartige großflächige Detektoren können verwendet werden, um Projektionsbilder oder eine Reihe von Projektionsbildern in einem Bogen um den Patienten herum zu erfassen, um ein volumetrisches computertomografisches Bild zu erhalten. Auf diese Weise können die Abmessungen der mosaikförmigen Detektoren in Übereinstimmung mit den Lehren dieser Erfindung in Größe und Form abgestimmt werden, um das gewünschte räumliche Ansprechverhalten zu erzielen. Die Detektoren 20 und 20' sind für verschiedene Konfigurationen geeignet, wodurch die Kosten für das Erstellen von Masken für die einzelnen Ausführungsformen gespart werden.

Claims

Röntgendetektor, der Folgendes umfasst: eine röntgenstrahlenempfindliche Oberfläche (50), die empfangene Röntgenstrahlung in Lichtphotonen umwandelt; eine lichtempfindliche Vorrichtung (52), welche eine Seite hat, die in optischer Kommunikation mit der röntgenstrahlenempfindlichen Oberfläche steht und welche elektrische Signale erzeugt, die auf die von der röntgenstrahlenempfindlichen Oberfläche erzeugten Lichtphotonen reagieren; ein Trägersubstrat (58), das die lichtempfindliche Vorrichtung trägt, wobei das Trägersubstrat konfiguriert ist, um einen elektrischen Pfad von den Kontakten (54) auf der Rückseite der lichtempfindlichen Vorrichtung (52) durch das Trägersubstrat zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Trägersubstrat (58) eine mehrschichtige Struktur mit leitfähigen Durchkontaktierungen (70) aufweist, die durch sie hindurchführen, um eine Reihe von Oberseitenkontakten (55), die auf die Kontakte (54) auf der Rückseite der lichtempfindlichen Vorrichtung (52) ausgerichtet sind, elektrisch mit einer Vielzahl von internen Leiterbahnen (72) auf verschiedenen internen Schichten (72A–72D) des mehrschichtigen Trägersubstrats (58) zu verbinden, wobei die genannten Leiterbahnen (72) elektrisch mit einer Gruppe von Kontaktanschlussflächen (57) verbunden sind, die auf der rückseitigen Oberfläche des genannten Trägersubstrats (58) angeordnet sind.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei die lichtempfindliche Vorrichtung Folgendes umfasst: eine integrierte Schaltungsstruktur mit einem Halbleitersubstrat (58), das eine obere Oberfläche mit einer lichtempfangenden Oberfläche hat, die eine begrenzte Ebene bildet, eine Grundfläche, die sich gegenüber der oberen Oberfläche befindet, und eine Vielzahl von peripheren Seitenflächen, die an die oberen und Grundflächen angrenzen; eine in dem Halbleitersubstrat gebildete funktionale integrierte Schaltung, wobei der integrierte Schaltung ein Array aus Photodioden (80, 152) umfasst, die optisch mit der röntgenstrahlenempfindlichen Oberfläche gekoppelt sind; und eine erste Gruppe von elektrischen Kontakten (54), die sich auf der Grundfläche befinden und elektrisch mit der funktionalen integrierten Schaltung gekoppelt sind.
Röntgendetektor nach einem der beiden Ansprüche 1 und 2, wobei das Trägersubstrat (58) Folgendes umfasst: eine zweite Gruppe von elektrischen Kontakten (56), die auf dessen oberer Oberfläche gebildet ist, wobei die erste und die zweite Gruppe elektrischer Kontakte (54, 56) konfiguriert sind, um eine elektrische Verbindung zwischen der funktionalen integrierten Schaltung und der Signalverarbeitungsschaltung (60) zu schaffen, wenn die Grundfläche der integrierten Schaltungsstruktur und die obere Oberfläche des Trägersubstrats (58) ausgerichtet und einander zugewandt angebracht sind.
Röntgendetektor nach Anspruch 3, der weiterhin leitfähige Bumps umfasst, die die erste und die zweite Gruppe elektrischer Kontakte elektrisch koppeln.
Röntgendetektor nach einem der beiden Ansprüche 3 und 4, wobei das Trägersubstrat (58) konfiguriert ist, um ein benachbartes und angrenzendes Parkettieren anderer ähnlicher Röntgendetektorelemente entlang jeglicher einzelnen oder aller genannter peripheren Seitenflächen zu ermöglichen.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Trägersubstrat (58) weiterhin Folgendes umfasst: eine dritte Gruppe elektrischer Kontakte (57), die auf einer Grundfläche des Trägersubstrats angeordnet sind, wobei die Grundfläche des Trägersubstrats gegenüber der oberen Oberfläche des Trägersubstrats liegt und die dritte Gruppe von Kontakten elektrisch mit der zweiten Gruppe von elektrischen Kontakten (56) gekoppelt ist.
Röntgendetektor nach Anspruch 6, der weiterhin Folgendes umfasst: eine Signalverarbeitungsschaltung (60), der elektrisch mit der dritten Gruppe elektrischer Kontakte verbunden und auf dem Trägersubstrat montiert ist.
Röntgendetektor nach Anspruch 7, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (60) eine oder mehrere elektronische Verstärkungsschaltungen, Multiplexschaltungen und Analog/Digital-Umsetzungsschaltungen umfasst.
Röntgendetektor nach Anspruch 7, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (60) auf einem oder mehreren IC-Chips gebildet ist.
Röntgendetektor nach einem der beiden Ansprüche 8 und 9, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (60) nicht strahlungsgehärtet ist und weiterhin Folgendes umfasst: eine Röntgenstrahlungsabschirmung (98, 100, 101), die zwischen dem Trägersubstrat und der Signalverarbeitungsschaltung angeordnet ist.
Röntgendetektor nach Anspruch 10, der weiterhin Folgendes umfasst: elektrische Verbindungen (74, 90) zwischen der dritten Gruppe von Kontakten (57) und der Signalverarbeitungsschaltung (60), ausgewählt aus Filmbond-Verbindungen und Drahtbond-Verbindungen.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die funktionale integrierte Schaltung (258) weiterhin eine Multiplexschaltung umfasst.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die funktionale integrierte Schaltung (258) weiterhin Analog/Digital-Umsetzungsschaltungen umfasst.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Trägersubstrat aus einer mehrlagigen Leiterplatte und einem Dispersionsblock ausgewählt wird.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei: die genannte lichtempfindliche Vorrichtung (52) ausgewählt wird aus einer Back-Illuminated-Photodiode und einer modifizierten Front-Illuminated-Photodiode; wobei das genannte Trägersubstrat (58) eine darin gebildete anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) (258) aufweist und dieses ASIC Folgendes umfasst: Ausleseelektronik; leitende, über eine periphere Seitenfläche führende Leitungen zum Übertragen elektrischer Signale von seiner Oberseite zur Unterseite, wobei die Seitenleiter konfiguriert sind, um ein Anordnen des Detektors mit einer Vielzahl anderer ähnlicher Detektoren in einem zweidimensionalen, parkettierten Array (152) zu ermöglichen; eine Isolierschicht (190), die zwischen der peripheren Seitenfläche und den leitenden Leitungen angeordnet ist; und optional eine oder mehrere Vertiefungen, die in der peripheren Seitenfläche gebildet sind und die Leiter enthalten.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der weiterhin eine Vielzahl von zusätzlichen ähnlichen Röntgendetektoren umfasst, die angeordnet sind, um ein parkettiertes, zweidimensionales Array auf eine Weise zu bilden, dass entsprechende röntgenstrahlenempfindliche Oberflächen an benachbarte röntgenstrahlenempfindliche Oberflächen angrenzen.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die lichtempfindliche Vorrichtung ein Oberseiten-Photodiodenarray (152) mit einer Vielzahl von hierdurch gebildeten leitfähigen Durchkontaktierungen (170) umfasst und die leitfähigen Durchkontaktierungen zwischen den aktiven Photodiodenflächen des Photodiodenarrays angeordnet sind.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die lichtempfindliche Vorrichtung (52) eine Vielzahl von rückseitig kontaktierten Photodiodendetektormodulen umfasst, die optisch mit der strahlungsempfindlichen Oberfläche (50) gekoppelt sind, und die Detektormodule parkettiert sind, um einen Mosaikdetektor zu bilden, wobei jedes Detektormodul eine lichtabtastende Oberfläche mit begrenzter Ebene umfasst, die eine Aufstandsfläche definiert, und jedes Modul weiterhin einen elektrischen Steckverbinder zum Verbinden der lichtabtastenden Oberfläche mit begrenzter Ebene mit der Ausleseelektronik umfasst, wobei jeder elektrische Steckverbinder in seiner entsprechenden Aufstandsfläche enthalten ist.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die lichtempfindliche Vorrichtung Folgendes umfasst: ein Siliziumsubstrat (252), das ein Array Photodiodenelemente (280) trägt, welches mit einer ersten Oberfläche des Siliziumsubstrats in optischer Kommunikation steht; eine Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen (270), die mit den Photodiodenelementen elektrisch gekoppelt sind, um elektrische Signale von den Photodiodenelementen zu übertragen, wobei jede Durchkontaktierung Folgendes umfasst: (i) einen Kanal, der durch das Siliziumsubstrat von der ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche verläuft, die gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet ist, und (ii) einen leitenden Pfad (292), die durch oberflächennahe Störstellen im Siliziumsubstrat gebildet wird, wobei der leitende Pfad von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche durch die Durchkontaktierung verläuft; und eine Vielzahl von auf der zweiten Oberfläche gebildeten Metallanschlussflächen (1000), wobei die Metallanschlussflächen mit den leitenden Gebieten (254) in ohmscher Verbindung stehen und die Metallanschlussflächen konfiguriert sind, um eine elektrische Verbindung des Photodiodenarrays mit einem externen Anschluss zu vereinfachen.
Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei sich die röntgenstrahlenempfindliche Oberfläche von der Röntgenquelle (16) ausgehend auf der anderen Seite einer Untersuchungsregion erstreckt und dieser Röntgenquelle zugewandt ist und weiterhin Folgendes umfasst: eine drehbare Tragestruktur, die die Röntgenquelle und das Trägersubstrat zur Drehung um die Untersuchungsregion herum trägt.
Bildgebungssystem, das Folgendes umfasst: eine Röntgenquelle (16), die selektiv Röntgenstrahlung erzeugt, welche zumindest teilweise eine Untersuchungsregion durchquert; einen Röntgendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, der von der Röntgenquelle ausgehend auf der anderen Seite der Untersuchungsregion angeordnet ist.
Bildgebungssystem nach Anspruch 21, wobei das Röntgendetektormodul Röntgenstrahlung in elektrische Bildgebungssignale umwandelt und das System weiterhin Folgendes umfasst: einen Bildrekonstruktionsprozessor (42) in Datenkommunikation mit der Signalverarbeitungsschaltung, wobei die Signalverarbeitungsschaltung die elektrischen Signale empfängt und der Bildrekonstruktionsprozessor zum Rekonstruieren der elektrischen Signale in eine Bilddarstellung von röntgenstrahlendurchlässigen Eigenschaften eines Objekts in der Untersuchungsregion dient.
Bildgebungssystem nach einem der beiden Ansprüche 21 und 22, wobei das Röntgenstrahlenbündel ein kegelförmiges Strahlenbündel bildet und die Größe des Arrays der Röntgendetektorarrays auf einen transversalen Querschnitt des Kegelstrahlenbündels festgelegt ist.
Computertomographie-Bildgebungsscanner, der Folgendes umfasst: einen Patiententisch (12); eine Röntgenquelle (16), die zur Drehung um den Patiententisch befestigt ist; und einen Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Verfahren, das die folgenden Schritte umfasst: Bestrahlen einer röntgenstrahlenempfindichen Oberfläche mit Röntgenstrahlung; Umwandeln der auf die röntgenstrahlenempfindliche Oberfläche einfallenden Röntgenstrahlung in Licht; Übertragen des Lichts zu einer lichtempfindlichen Oberfläche eines Photodiodenarrays, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das proportional zu dem umgewandelten Licht ist; und Übertragen des elektrischen Signals zur Signalverarbeitungsschaltung über einen leitenden Pfad, der Folgendes umfasst: eine erster Gruppe von Kontakten (54), die auf einer rückseitigen Oberfläche des Photodiodenarrays (52) gegenüber der lichtempfindlichen Oberfläche angeordnet ist; eine zweite Gruppe von Kontakten (56), die auf einer vorderen Oberfläche eines schaltkreistragenden Substrats (58) angeordnet ist, wobei die zweite Gruppe von Kontakten auf die erste Gruppe von Kontakten ausgerichtet und mit dieser elektrisch gekoppelt ist, wenn die rückseitige Oberfläche des Photodiodenarrays und die vordere Oberfläche des Substrats ausgerichtet und einander zugewandt sind; und eine dritte Gruppe von Kontakten (57), die auf einer rückseitigen Oberfläche des Substrats (58) gegenüber der vorderen Oberfläche des Substrats angeordnet ist, wobei die erste Gruppe von Kontakten (54) und die dritte Gruppe von Kontakten (57) über elektrische Pfade durch das Trägersubstrat (58) verbunden sind und wobei das genannte Trägersubstrat (58) eine mehrschichtige Struktur mit leitfähigen Durchkontaktierungen (70) aufweist, die durch sie hindurchführen, um eine Reihe von Oberseitenkontakten (55), die auf die erste Gruppe von Kontakten (54) ausgerichtet und mit dieser verbunden sind, elektrisch mit einer Vielzahl von internen elektrischen Leiterbahnen (72) auf verschiedenen internen Schichten (72A–72D) des mehrschichtigen Trägersubstrats (58) zu verbinden, wobei die genannten Leiterbahnen (72) elektrisch mit der dritten Gruppe von Kontakte (57) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 25, das weiterhin Folgendes umfasst: Ausführen der genannten Schritte des Bestrahlens, Umwandelns, Übertragens und Kommunizierens mit einer Vielzahl von röntgenstrahlenempfindlichen Oberflächen und als ein Mosaik angeordneten Photodiodenarrays; und Herstellen einer elektrischen Kommunikation zwischen der Verarbeitungsschaltung und jedem Photodiodenarray.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Bestrahlen der röntgenstrahlenempfindlichen Oberfläche mit Röntgenstrahlung ein kegelförmiges Röntgenstrahlenbündel umfasst und wobei das Verfahren weiterhin Folgendes umfasst: Formen des mosaikförmigen Detektors als Ergänzung in Bezug auf einen Querschnitt des Kegelstrahlenbündels.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die Photodetektoren rückseitig kontaktierte Photodioden umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die Verarbeitungsschaltung nicht strahlungsgehärtet ist, und weiterhin Folgendes umfasst: Anbringen einer Röntgenstrahlungsabschirmung zwischen dem Substrat und der Verarbeitungsschaltung, um die Verarbeitungselektronik vor Röntgenstrahlung zu schützen.