ES2309308T3 - Dispositivo de formacion de imagenes de radiacion unido por saliente, a baja temperatura. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de formación de imágenes de energía radiante de rayos X y rayos gamma que comprende: un sustrato detector (20), presentando el sustrato detector (20) una superficie anterior y una superficie posterior, y estando dispuesto para convertir dicha energía radiante que incide sobre la superficie anterior en carga eléctrica; una pluralidad de contactos colectores de carga (32) montados sobre la superficie posterior del sustrato detector en un patrón de contacto colector, los contactos colectores (32) para recoger la carga eléctrica; un sustrato de lectura (50) que presenta una superficie de lectura (52) y una pluralidad de contactos de lectura (56) montados sobre la superficie de lectura (52) en un patrón de contacto de lectura, correspondiendo el patrón de contacto de lectura al patrón de contacto colector, y los contactos de lectura (56) para recibir carga eléctrica de los contactos colectores (32) correspondientes; y una soldadura de estaño-bismuto (100), a baja temperatura, que interconecta de manera eléctrica un contacto colector (32) y de lectura (56) correspondientes, y que presenta un punto de fusión entre aproximadamente 95ºC y aproximadamente 183ºC.
Description
Dispositivo de formación de imágenes de
radiación unido por saliente, a baja temperatura.
La presente invención se refiere al campo de los
sistemas de formación de imágenes semiconductores para formar
imágenes a partir de energía radiante de rayos X y rayos gamma por
encima de 1 keV. Más específicamente, la invención se refiere a
tales sistemas de formación de imágenes de energía radiante que
utilizan dispositivos semiconductores que contienen sustratos
detectores de cadmio y/o telurio unidos con aleaciones de soldadura
binarias a baja temperatura basadas en bismuto/estaño.
Durante los últimos diez años la formación de
imágenes de radiación digital ha sustituido gradualmente la
formación de imágenes de radiación convencional para ciertas
aplicaciones. En las aplicaciones de formación de imágenes de
radiación convencional, el medio de detección o registro es una
película fotosensible o un dispositivo analógico tal como un
intensificador de imágenes. La formación de imágenes de radiación
digital se realiza convirtiendo la incidencia de radiación sobre el
dispositivo de formación de imágenes en una señal electrónica
dentro de un material de conversión y por consiguiente digitalizando
tal señal electrónica.
Los dispositivos para realizar formación de
imágenes de radiación digital existen actualmente. En algunos de
estos dispositivos, la incidencia o radiación incidente se convierte
localmente en carga eléctrica que a continuación se capta en
contactos/píxeles de captación, y a continuación se comunica como
señales electrónicas a circuitos de lectura. Los circuitos de
lectura realizan diversas funciones incluyendo la digitalización.
En otros dispositivos, la radiación incidente se convierte en luz
que a continuación se convierte posteriormente en una señal
electrónica que se lee y digitaliza. Al primer caso se hace
referencia como detección de radiación directa y al segundo como
detección de radiación indirecta.
Los dispositivos de detección de radiación
directa comprenden normalmente un detector o sustrato fotoconductor
que convierte la radiación incidente en señales electrónicas. El
sustrato detector está unido de manera conductora a un sustrato de
lectura que recibe las señales electrónicas, las procesa y lee, es
decir, prepara las señales para la formación de imágenes. Existen
diferentes tipos de tecnologías de sustrato detector/fotoconductor
y diferentes tecnologías de sustrato de lectura usadas en
dispositivos de detección de radiación directa. Éstas incluyen:
SBBASIC (semiconductor unido por saliente sobre ASIC),
a-SGTFT (semiconductor amorfo con crecimiento sobre
TFT), y a-SGASIC (semiconductor amorfo con
crecimiento sobre ASIC). ASIC significa circuito integrado de
aplicación específica y TFT significa disposición de transistor de
película delgada.
Los dispositivos de formación de imágenes de
tipo SBBASIC comprenden normalmente por lo menos dos sustratos
semiconductores sustancialmente coplanares: un sustrato detector
semiconductor cristalino (fotoconductor) unido de manera
diferenciada a un sustrato de lectura semiconductor. El sustrato
detector presenta un electrodo de polarización continua sobre su
primera superficie principal y una disposición bidimensional de
contactos de captación de carga sobre su segunda superficie
principal opuesta. La radiación entrante incide sobre la primera
superficie del sustrato detector y se absorbe por el material
fotoconductor. Cargas eléctricas se generan en el material
fotoconductor en respuesta a la absorción de la radiación. Bajo la
influencia de una polarización de campo eléctrico creada por el
electrodo, las cargas generadas se desplazan hacia y se captan en
los contactos colectores de carga (o electrodos de captación de
carga) en la segunda superficie del detector. Cada contacto
colector de carga define un "píxel" sobre la segunda superficie
de sustrato detector. Cada píxel está conectado de manera
individual y conductora a una "entrada de circuito de píxel"
sobre la superficie adyacente del sustrato de lectura mediante una
unión por saliente individual. Cada entrada de circuito de píxel es
una entrada a un ASIC procesado en el sustrato de lectura. El ASIC
incluye una pluralidad de diversas características de circuito para
amplificar, almacenar, digitalizar, etc. las señales de carga
eléctrica.
En la técnica se conocen diversos tipos de
soldaduras de unión por saliente para unir de manera conductora
píxeles y entradas de circuito de píxel correspondientes en los
sustratos semiconductores de dispositivos SBBASIC. La mayor parte
de estas aleaciones de soldadura incluyen plomo elemental como
componente, que es un agente contaminante del ambiente y los
procesos que utilizan esta sustancia pueden crear un flujo de
residuos tóxicos. En el campo sería beneficioso tener una aleación
de soldadura libre de plomo para llevar a cabo uniones por
saliente, para evitar o reducir la producción de este flujo de
residuos tóxicos.
En la técnica se conocen soldaduras libres de
plomo para diversas aplicaciones electrónicas de alta tecnología.
Por ejemplo, Nishimura da a conocer en la patente US nº 6.296.722
una aleación de soldadura libre de plomo caracterizada porque
comprende estaño, cobre y níquel que presentan un punto de fusión de
aproximadamente 227ºC. Domi et al., en la patente US nº
6.319.461, dan a conocer una aleación de soldadura libre de plomo
constituida por estaño y titanio. Sin embargo, esta aleación
presenta un punto de fusión de 250ºC y debe alearse adicionalmente
con otros materiales con el fin de disminuir su punto de fusión.
Incluso cuando se alea de este modo, Domi et al. no dan a
conocer una aleación de soldadura libre de plomo que presente un
punto de fusión por debajo de aproximadamente 203ºC. Sakai et
al. dan a conocer una soldadura libre de plomo ternaria para
juntar piezas electrónicas que presentan estaño, plata y cobre como
componentes principales. La soldadura de Sakai puede alearse
adicionalmente con metales adicionales, aunque el punto de fusión
dado a conocer para las diversas aleaciones de Sakai sigue estando
por encima del punto de fusión de una soldadura de PbSn eutéctica.
Koshi et al., en la patente US nº 6.334.570, dan a conocer un
procedimiento de soldadura que usa un "estañado" o aleación de
recubrimiento preliminar de estaño y cobre y una aleación de
soldadura de estaño, plata, cobre y bismuto o una variación de las
mismas. El punto de fusión de la aleación de "estañado" de
Koshi es de 227ºC, y el punto de fusión de la aleación de soldadura
es de 217ºC. Lo más recientemente, Yamashita et al., en la
patente US nº 6.365.097, dan a conocer una aleación de soldadura de
base cuaternaria, libre de plomo que comprende bismuto, estaño y
plata con níquel y/o germanio y con o sin cobre. Aunque los puntos
de fusión de las diversas aleaciones de soldadura de Yamashita no
están claramente establecidos, el punto de fusión más bajo
notificado es de 185ºC.
El punto de fusión de una aleación de soldadura
para su uso en la formación de uniones por saliente es importante
porque los nuevos dispositivos de formación de imágenes
semiconductores de alta resolución comprenden a menudo sustratos
detectores sensibles a la temperatura. Los sustratos sensibles a la
temperatura son los que potencialmente pueden sufrir repercusiones
negativas con la exposición a temperaturas superiores a
aproximadamente 180ºC en el proceso de producir el dispositivo de
formación de imágenes de los que son un componente. Aunque las
soldaduras libres de plomo mencionadas anteriormente pueden ser
útiles para sus fines previstos, sus temperaturas de punto de
fusión relativamente altas pueden convertirlas en inadecuadas para
ciertas aplicaciones de unión por saliente que impliquen tales
sustratos semiconductores sensibles a la temperatura. Por ejemplo,
los sustratos detectores semiconductores sensibles a la temperatura
incluyen algunos de los materiales semiconductores compuestos o
intermetálicos más prometedores en la actualidad, tales como
cadmio-telurio (CdTe) y
cadmio-cinc-telurio (CdZnTe). Sin
embargo, las técnicas de unión por saliente actuales que usan
soldaduras de PbSn eutécticas (punto de fusión \sim183ºC) o las
soldaduras libres de plomo anteriormente mencionadas, no pueden
satisfacer todos los requisitos para ensamblar los sustratos
semiconductores de estos nuevos dispositivos sensibles a la
temperatura de alta densidad. Por tanto, sería además beneficioso en
la técnica tener una aleación de soldadura alternativa para formar
uniones por saliente que presentara un punto de fusión relativamente
bajo (por debajo de las aleaciones de PbSn eutécticas) y que
también estuviera libre de plomo.
Adicionalmente, aunque cada una de las
aleaciones de soldadura indicadas anteriormente puede tener utilidad
en ciertas situaciones, a medida que aumenta la complejidad de la
aleación, el efecto acumulativo de las limitaciones de los
componentes individuales de la aleación puede hacerla inadecuada o
impredecible para otras aplicaciones con respecto al rendimiento,
posibilidad de fabricación, fiabilidad y coste. Algunas de estas
limitaciones se enumeran a continuación.
Indio (In). In se usa en disposiciones
focales de infrarrojos. Las desventajas relativas a In como una
interconexión de dispositivo de formación de imágenes de radiación
electrónico incluyen:
- a.
- la unión se realiza con un ciclo de compresión térmica. La presión de unión puede ser muy alta dependiendo del número de interconexiones. Esto establece requisitos considerables con respecto a la planeidad y paralelismo de los detectores y el sustrato de lectura.
- b.
- El proceso es por ambos lados, es decir, tanto el ASIC como los sustratos detectores necesitan procesarse con salientes de In. Esto hace que el proceso sea caro.
Plomo-estaño (PbSn). PbSn
es la aleación de soldadura más antigua. Las limitaciones de su uso
en dispositivos de formación de imágenes electrónicos sensibles a
la temperatura incluyen:
- a.
- Es un proceso a alta temperatura. El punto de reflujo de plomo estaño eutéctico es de 183ºC que es demasiado alto para la mayor parte de materiales detectores novedosos y sensibles a los rayos X tales como CdTe (cadmio telurio) y CdZnTe (cadmio cinc telurio).
- b.
- Contiene plomo (Pb) que de manera progresiva se prohíbe desde procesos de fabricación.
Bismuto-plomo-estaño
(BiPbSn). BiPbSn es una aleación de soldadura a baja temperatura
útil con procesos de reflujo, pero presenta las siguientes
limitaciones:
- a.
- Es una aleación de tres metales que la hacen más difícil de controlar. Se requiere un control del proceso estricto y continuo para garantizar una fiabilidad y rendimiento de fabricación buenos. Tres metales que se alean entre sí hacen que este proceso sea más complicado que el resto.
- b.
- Presenta una temperatura de reflujo eutéctica de aproximadamente 94ºC. A esta baja temperatura muchos materiales de relleno de base comerciales no pueden polimerizar de forma apropiada. El relleno de base se usa durante o después de la unión por saliente para proporcionar fiabilidad y resistencia a largo plazo a las uniones. Pero tales rellenos de base se curan normalmente entre los 95ºC y 120ºC que volvería a dar lugar al reflujo de soldadura de BiPbSn. En relación a los dispositivos de formación de imágenes de radiación electrónicos de CdTe y CdZnTe esta es una limitación importante porque elimina la opción de un relleno de base que en muchos casos es necesario.
- c.
- Contiene Pb que de manera progresiva se prohíbe desde los procesos de fabricación. Tales dispositivos de formación de imágenes de radiación electrónicos se describen por ejemplo en el documento US nº 5.952.646 dado a conocer con el mismo.
Oro (Au). Los salientes de trabante de
oro se han usado durante algún tiempo en dispositivos de formación
de imágenes electrónicos prototipo, pero Au presenta las siguientes
limitaciones:
- a.
- La temperatura es demasiado alta para su uso con materiales sensibles a la temperatura tales como CdTe y CdZnTe.
- b.
- Existe una limitación con respecto a la densidad mínima que de manera fiable puede conseguirse en disposiciones de píxeles.
- c.
- El rendimiento de fabricación es menor que el de los procesos a nivel de pastilla.
Indio-estaño (InSn). La
aleación de soldadura de InSn es un proceso a temperatura
relativamente baja, pero presenta la limitación de que el indio se
oxida de forma natural en segundos desde la deposición y hace que
el proceso de unión de reflujo no sea fiable.
En el contexto de lo expuesto anteriormente,
sería beneficioso en el campo tener una soldadura libre de plomo, a
baja temperatura menos complicada que no requiriese la aleación de
varios metales diferentes para conseguir su utilidad. Algunas de
las ventajas de una aleación de soldadura binaria, a baja
temperatura, libre de plomo deberían incluir lo siguiente:
- -
- una temperatura de reflujo (punto de fusión) que sea inferior a la de PbSn eutéctico (183ºC), aunque superior a la temperatura de reflujo de BiPbSn (por debajo de 100ºC). Esto permitiría la unión por saliente de fotoconductores sensibles a la temperatura tales como CdTe y CdZnTe, y al mismo tiempo no limitar el uso de rellenos de base.
- -
- sólo metales de dos componentes.
- -
- debería estar libre de plomo.
- -
- no debería oxidarse o por lo menos no oxidarse tan rápido como InSn
- -
- puede aplicarse inicialmente sólo a los sustratos de lectura (ASIC) aunque aún esté incorporada en la pastilla de ASIC, haciendo así que el rendimiento de fabricación sea superior (a diferencia de la unión por saliente de In).
- -
- la unión por saliente se lleva a cabo a través de un estado de reflujo, así el proceso es mucho más comprensivo frente a anomalías de sustrato y falta de planeidad (a diferencia de la unión de In).
La presente invención da a conocer un
dispositivo de formación de imágenes de radiación electrónico que
comprende un sustrato semiconductor detector para convertir la
radiación entrante en carga eléctrica, una pluralidad de contactos
de captación de carga sobre una cara principal del sustrato
detector, un sustrato de lectura/procesamiento semiconductor para
recibir la carga, a través de los contactos de captación de carga
sobre el sustrato detector que están conectados eléctricamente a
contactos de circuito de entrada sobre el sustrato de
lectura/procesamiento mediante uniones por saliente de aleación de
soldadura de bismuto-estaño (BiSn) libre de plomo.
La soldadura de BiSn comprende un proceso de unión por saliente a
baja temperatura que permite una fabricación fiable, de alto
rendimiento de dispositivos de formación de imágenes de radiación
electrónicos de CdTe y CdZnTe. Un dispositivo según la presente
invención presenta las características o mejoras importantes
siguientes: la temperatura de reflujo del saliente de soldadura es
inferior a la de PbSn eutéctico (183ºC), aunque superior a la
temperatura de reflujo de BiPbSn eutéctico (aproximadamente 94ºC),
permitiendo así la unión por saliente de fotoconductores sensibles
a la temperatura y el uso de rellenos de base; la aleación de
soldadura implica sólo dos metales, la soldadura está libre de
plomo; la soldadura no se oxida como InSn; la soldadura puede
aplicarse inicialmente a los sustratos de lectura (ASIC) como
salientes de soldadura aunque el ASIC aún esté incorporado en la
pastilla de ASIC, haciendo así que el rendimiento de fabricación sea
superior; y entonces las uniones por saliente pueden llevarse a
cabo usando técnicas de unión de reflujo, haciendo que el proceso
de unión sea relativamente comprensivo frente a las anomalías de
sustrato y falta de planeidad.
El dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante de rayos X y rayos gamma de la presente invención
comprende un sustrato detector semiconductor, un sustrato de
lectura/procesamiento semiconductor y a baja temperatura, una
soldadura libre de plomo que interconecta eléctricamente los dos
sustratos semiconductores.
Los sustratos semiconductores de la presente
invención presentan configuraciones generalmente planares y están
dispuestos adyacentes entre sí en una relación coplanar.
Normalmente, uno o ambos sustratos semiconductores que se realizan
en la presente invención están constituidos por un material sensible
a la temperatura. De manera específica, se anticipa que es el
sustrato detector (fotoconductor) que está constituido por un
material sensible a la temperatura. Más específicamente, los
sustratos detectores sensibles a la temperatura de la presente
invención comprenden el elemento cadmio (Cd) y/o el elemento telurio
(Te). Ejemplos de tales materiales fotoconductores/detectores
sensibles a la temperatura incluyen CdTe y CdZnTe, materiales que se
procesan mejor usando técnicas de unión que impliquen temperaturas
por debajo de 180ºC.
El presente sustrato fotoconductor o detector
presenta una superficie de irradiación anterior y una superficie de
píxeles posterior. El material del sustrato detector está dispuesto
para absorber la energía radiante que incide sobre la superficie de
irradiación anterior y para convertirla en carga eléctrica. El
sustrato detector presenta una polarización de campo eléctrico que
actúa para hacer que una carga eléctrica generada en el grosor del
sustrato detector en respuesta a la radiación absorbida se desplace
directamente hacia la superficie de píxeles del sustrato detector.
Una polarización de campo eléctrico puede llevarse a cabo
disponiendo un electrodo de polarización de carga de manera
continua a través de la superficie anterior del sustrato detector.
Sobre la superficie de píxeles posterior del sustrato
fotoconductor/detector hay una pluralidad de píxeles y contactos
colectores de carga asociados dispuestos en un patrón de contacto
colector. Los contactos colectores de píxel captan cargas
eléctricas de desplazamiento generadas en el sustrato detector.
El sustrato procesador/de lectura presenta una
superficie de lectura adyacente a la superficie de píxeles
posterior del sustrato detector. Una pluralidad de contactos de
lectura están montados sobre la superficie de lectura del sustrato
procesador/de lectura. Los contactos de lectura están dispuestos en
un patrón de contacto de lectura, correspondiendo el patrón de
contacto de lectura al patrón de contacto colector del sustrato
detector. Cada contacto de lectura recibe la carga eléctrica desde
su colector contacto correspondiente sobre el sustrato
detector.
La comunicación de la carga eléctrica entre los
contactos colectores del sustrato detector y los contactos de
lectura del sustrato de lectura se lleva a cabo en la presente
invención a través de una soldadura libre de plomo a baja
temperatura, que de manera eléctrica interconecta los contactos de
lectura y colectores correspondientes. Una soldadura libre de plomo
a baja temperatura para su puesta en práctica en la presente
invención presenta un punto de fusión entre aproximadamente 100ºC y
aproximadamente 180ºC. Además, las interconexiones eléctricas entre
los contactos de lectura y colectores correspondientes se llevan a
cabo preferentemente usando uniones por saliente. La soldadura
libre de plomo para su puesta en práctica en la presente invención
es una aleación de metal de bismuto y estaño (BiSn). La aleación
puede presentar otros componentes no metálicos. Adicionalmente, la
aleación puede presentar otras impurezas de metal traza que no
afectan sustancialmente a las características físicas de la
aleación de metal binaria primaria de bismuto y estaño.
Una soldadura libre de plomo a baja temperatura
de BiSn de la presente invención está constituida esencialmente por
una aleación de o bien estaño o bien bismuto que oscila entre
aproximadamente el 1% y el 85% en peso. Preferentemente, la
presente soldadura libre de plomo a baja temperatura está
constituida esencialmente por una aleación de o bien estaño o bien
bismuto que oscila entre aproximadamente el 38% y el 58% en peso.
Todavía más preferentemente, la presente soldadura libre de plomo a
baja temperatura está constituida esencialmente por una aleación
que se aproxima a una aleación eutéctica de bismuto y estaño, y
presenta un punto de fusión de aproximadamente 138ºC (48% en peso
de Sn, 52% en peso de Bi). Generalmente, las presentes soldaduras
libres de plomo a baja temperatura están constituidas esencialmente
por una aleación de bismuto y estaño que presenta una temperatura
de punto de fusión por debajo de la temperatura de fusión de una
aleación eutéctica de plomo y estaño.
La figura 1 es una ilustración a título de
ejemplo de un sistema de formación de imágenes que muestra la
configuración planar, generalmente bidimensional de una matriz de
dispositivos de formación de imágenes individuales que forman el
sistema de formación de imágenes.
La figura 2A es un diagrama de sección
transversal parcial de un dispositivo de la presente invención que
ilustra un sustrato detector semiconductor en posición para su unión
por saliente a un sustrato procesador/de lectura semiconductor, que
representa los salientes de soldadura formados inicialmente en los
contactos de entrada de los circuitos de píxel, y que además
ilustra una unidad de "circuito de
píxel-a-píxel detector" del
dispositivo.
La figura 2B es un diagrama de sección
transversal parcial detallado de una unidad de "circuito de
píxel-a-píxel detector" del
presente dispositivo de la figura 2A que representa un saliente de
soldadura formado inicialmente en el contacto de entrada del
circuito de píxel, con el contacto colector de carga correspondiente
del píxel detector dispuesto en una relación de unión previa con
respecto al saliente de soldadura.
La figura 3A es un diagrama de sección
transversal parcial de un dispositivo de la presente invención que
ilustra un sustrato detector semiconductor unido por saliente a un
sustrato procesador/de lectura semiconductor a través de una
técnica de unión de reflujo.
La figura 3B es un diagrama de sección
transversal parcial detallado de una unidad de "circuito de
píxel-a-píxel detector" del
presente dispositivo de la figura 3A que muestra el contacto de
entrada del circuito de píxel unido por saliente de manera
conductora con el contacto colector de carga correspondiente del
píxel detector tal como se llevaría a cabo usando una técnica de
unión de reflujo de soldadura.
Las figuras 4A y 4B proporcionan un diagrama de
flujo de una manera de llevar a cabo salientes de BiSn en una
pastilla de ASIC para poner en práctica un dispositivo de formación
de imágenes de radiación según la presente invención.
Haciendo referencia a continuación a los dibujos
se ilustran gráfica y esquemáticamente los detalles de las formas
de realización preferidas de la presente invención. Los mismos
elementos en los dibujos están representados por los mismos números
y cualquier elemento similar representado por números similares con
un sufijo diferente en minúsculas.
Tal como se representa en la figura 1, la
presente invención es un dispositivo de formación de imágenes 14 de
energía radiante de rayos X y rayos gamma para su uso en un sistema
10 de formación de imágenes, que está constituido por uno o más
dispositivos 14 de formación de imágenes dispuestos en una matriz
uni o bidimensional. El dispositivo de formación de imágenes 14
comprende un sustrato detector 20 de imágenes semiconductor
(fotoconductor) y un sustrato procesador/de lectura 50
semiconductor. Los dos sustratos 20 y 50 semiconductores se unen
entre sí por saliente a través de una pluralidad de uniones 100 por
saliente. El sustrato detector 20 de imágenes del dispositivo de
formación de imágenes 14 está compuesto por células 70 de píxel
individuales. Estas células 70 de píxel detectan radiación de alta
energía (indicada en las figuras por las flechas más grandes) que
incide sobre el sustrato detector 20 y pasan una señal a través de
las uniones 100 por saliente al sustrato de procesamiento/lectura
50 para un análisis de procesamiento adicional.
Los sustratos semiconductores 20 y 50 de la
presente invención presentan una configuración generalmente planar
y están dispuestos adyacentes entre sí en una relación coplanar (ver
la figura 1). Normalmente, por lo menos uno de los sustratos
semiconductores 20 y 50 que se pone en práctica en la presente
invención está constituido por un material sensible a la
temperatura. De manera específica, se pretende que el sustrato
detector 20 (fotoconductor) esté constituido por un material
sensible a la temperatura. Más específicamente, los sustratos
detectores 20 sensibles a la temperatura de la presente invención
comprenden el elemento cadmio (Cd) y/o el elemento telurio (Te).
Ejemplos de tales materiales fotoconductores/detectores sensibles a
la temperatura incluyen CdTe y CdZnTe, materiales que se procesan
mejor usando técnicas de unión que implican temperaturas por debajo
de 180ºC. La presente invención está prevista para su uso con
sustratos detectores de CdTe y CdZnTe que son muy sensibles a la
radiación entrante para energías desde 10 keV hasta por encima de
200 keV. Tales sustratos detectores pueden producirse con grosores
que varían desde 0,5 mm hasta por encima de 5 mm y con un tamaño
x-y de hasta 10 cm^{2} con la tecnología de
crecimiento de cristales actual, y potencialmente mayor a esto en
el futuro. El número total de píxeles en un único sustrato puede ser
del tamaño de 1.000.000. El potencial para densidades
extremadamente altas del punto de unión explica la motivación para
proporcionar salientes de soldadura que se unirán en un estado de
reflujo (o líquido), de modo que si las superficies de sustrato
opuestas no son exactamente coplanares, la presión ejercida sobre
los primeros pocos salientes que hacen contacto no será
significativamente diferente de la presión necesaria para garantizar
el contacto de los salientes de soldadura restantes.
Tal como se ilustra en las figuras 2A y 2B, el
presente sustrato fotoconductor/detector 20 presenta una superficie
de irradiación anterior 22 y una superficie de píxeles posterior 24.
El material del sustrato detector 20 está dispuesto para absorber
la energía radiante que incide sobre la superficie de irradiación
anterior 22 y para convertir la energía absorbida en cargas
eléctricas. El sustrato detector 20 presenta un campo de
polarización eléctrico que actúa para hacer que una carga
eléctrica, generada en el grosor T del sustrato detector 20 en
respuesta a la radiación absorbida, se desplace directamente hacia
la superficie de píxeles 24 del sustrato detector 20. Tal como se
muestra a título de ejemplo en las figuras, una polarización de
campo eléctrico puede llevarse a cabo disponiendo un electrodo de
polarización de carga 28 de manera continua a través de la
superficie anterior 22 del sustrato detector 20. Los expertos en la
materia conocen otros medios para aplicar un campo de polarización
eléctrico.
Sobre la superficie de píxeles o posterior 24
del sustrato fotoconductor/detector 20 hay una pluralidad de
píxeles 30 y contactos colectores de carga 32 asociados (electrodos
de píxel) dispuestos en un patrón de contacto colector (no
mostrado). Los contactos colectores 32 de píxel captan cargas
eléctricas de desplazamiento generadas en el sustrato detector 20.
La radiación que entra en la superficie anterior 22 del sustrato
detector 20 genera cargas que bajo la influencia del campo
eléctrico se desplazan hacia el electrodo de captación de píxel de
carga 32 más próximo. En la forma de realización preferida
representada, los electrodos de píxel 32 están cubiertos o
protegidos con un material 34 de cubrimiento de píxel o aislante que
deja sólo pequeñas aberturas para la unión por saliente.
Tal como también se ilustra en las figuras 2A y
2B, el sustrato procesador/de lectura 50 presenta una superficie de
lectura adyacente a la superficie de píxeles posterior 24 del
sustrato detector 20. Una pluralidad de contactos de lectura 56
están montados sobre la superficie de lectura 52 del sustrato
procesador/de lectura 50. Los contactos de lectura 56 están
dispuestos en un patrón de contacto de lectura (no representado)
correspondiente al patrón de contacto colector del sustrato
detector 20. Cada contacto de lectura 56 recibe la carga eléctrica
desde su contacto colector 32 correspondiente sobre el sustrato
detector 20.
En una forma de realización preferida, el
sustrato procesador/de lectura 50 es un ASIC (circuito integrado de
aplicación específica). En una forma de realización preferida más
específica, el sustrato procesador/de lectura 50 es un ASIC de tipo
CMOS. Sobre el lado 52 de lectura del CMOS 50 hay una pluralidad de
circuitos 56 de píxel CMOS, correspondiendo cada circuito 56 de
píxel a un píxel 30 detector sobre el sustrato detector 20. El
circuito 56 de píxel CMOS presenta una zona 58 de contacto de
entrada conductora (contacto de lectura) que en el dispositivo 14
ensamblado es una comunicación eléctrica con el electrodo colector
de carga 32 del sustrato detector 20 semiconductor. Los contactos
de lectura 58 reciben carga eléctrica de su electrodo colector
correspondiente (contacto de píxel). El área de la superficie de
lectura 52 del sustrato de lectura 50 que rodea a los contactos de
lectura 58 de los circuitos 56 de píxel está protegida por la capa
de protección de lectura o aislante 62 de lectura. Con el fin de
mejorar la compatibilidad de los materiales (tanto conductores como
no conductores) para conectarlos entre sí física y eléctricamente,
por ejemplo, para mejorar la adhesión de los materiales, las
propiedades mecánicas de la interfaz (unión) entre materiales y la
conductividad eléctrica, puede aplicarse una o más capas de metales
64 a presión (UBM) sobre el contacto de circuito de píxel 58 (zona
de contacto de entrada conductora) como una interfaz entre el
contacto de circuito de píxel 58 y un saliente 100 de
soldadura.
Tal como se muestra en las figuras 3A y 3B, el
presente dispositivo de formación de imágenes 14 también comprende
conexiones 18 eléctricamente conductoras entre los electrodos de
píxel 32 y los contactos de circuito de píxel 58 correspondientes
(ver también la figura 1). Las conexiones 18 eléctricamente
conductoras son uniones por saliente formadas a partir de salientes
100 de soldadura (ver las figuras 2A y 2B). Según la presente
invención, la soldadura que forma los salientes 100, y por tanto,
las uniones por saliente 18, es una aleación de soldadura a baja
temperatura libre de plomo que comprende estaño (Sn) y bismuto (Bi).
La composición en peso de la aleación de soldadura a baja
temperatura libre de plomo puede modificarse con el fin de adecuar
una aplicación específica tal como pretende la presente invención.
En una forma de realización preferida, se usa una composición
eutéctica (48% en peso de Sn; 52% en peso de Bi) o casi eutéctica
para formar los salientes 100 de soldadura. El punto de fusión
(punto de reflujo) de la aleación de Sn-Bi eutéctica
es de aproximadamente 138ºC.
Sin embargo, la cantidad de Sn y Bi puede variar
considerablemente hasta cualquier proporción en peso adecuada sin
alejarse del alcance de la invención para una soldadura libre de
plomo, de BiSn binaria con un punto de fusión adecuado para la
unión por chip invertido de semiconductores compuestos basados en
Cd. Esta temperatura limitante varía en función de la composición
exacta del semiconductor 20 compuesto y también depende por lo
menos en parte de los metales del electrodo usados para formar el
electrodo de polarización 28 y los contactos de captación de carga
32 y la naturaleza de su fijación al material del semiconductor 20
compuesto. Esta temperatura limitante también está en función del
tiempo en el ciclo de unión por saliente y según las conclusiones de
esta descripción esta temperatura debería estar en la mayor parte
de los casos por debajo de 210ºC y preferentemente por debajo de
183ºC.
Los salientes 100 de soldadura pueden formarse
inicialmente o bien sobre el sustrato detector 20 o bien el
sustrato de lectura 50. Cualquiera de un número de medios conocidos
por los expertos en la materia puede usarse para formar los
salientes 100 de soldadura sobre cualquiera de los sustratos
semiconductores 20 y 50, incluyendo por ejemplo un proceso de
revestimiento electroquímico o por electrólisis. Adicionalmente, los
salientes 100 de soldadura pueden crecer sobre ambos sustratos
semiconductores 20 y 50. Sin embargo, en la forma de realización
preferida, los salientes 100 de soldadura se forman inicialmente
sobre el sustrato de lectura 50 CMOS, en vez del sustrato detector
20. La ventaja de la formación inicial de los salientes 100 de
soldadura sobre el sustrato de lectura 50 CMOS, minimiza el riesgo
de un posible daño del sustrato detector 20 de imágenes en el
proceso de ensamblar el dispositivo 14. Únicamente aplicando los
salientes 100 de soldadura al sustrato de lectura 50 CMOS, el
sustrato detector sensible a la temperatura (por ejemplo, que
contiene materiales detectores de CdTe o CdZnTe, que también pueden
ser frágiles) se salva de la exposición al calor y las
manipulaciones del proceso de unión por saliente.
Las figuras 4A y 4B son un diagrama de flujo que
ilustra un ejemplo de un proceso de unión por saliente que puede
llevarse a cabo para formar los salientes 100 del presente
dispositivo de formación de imágenes 14. También puede usarse la
evaporación de vacío. Los metales de aleación pueden depositarse en
dos o más capas con el fin de obtener la composición deseada de la
aleación con precisión. Esta estructura intercalada se somete a
reflujo antes de la unión, aunque también puede unirse como tal.
Después de la unión por saliente, el sustrato de
lectura 50 CMOS se une a continuación por saliente con el sustrato
detector 20 de imágenes tal como se indica en las figuras 3A y 3B.
De este modo, después de haber alineado el sustrato de lectura 50
CMOS y el sustrato detector 20 de imágenes para obtener contactos de
circuito de píxel 58 y electrodos de píxel 32 correspondientes
yuxtapuestos, los sustratos semiconductores 20 y 50 se juntan entre
sí de modo que los salientes 100 de soldadura sobre los contactos de
circuito de píxel coinciden con sus electrodos de píxel 32
correspondientes. Simultáneamente, se aplica una presión de unión
adecuada y se eleva la temperatura lo suficiente por encima del
punto de fusión del BiSn libre de plomo, a baja temperatura (en
\sim20ºC) para provocar el reflujo (fusión) del saliente 100 de
soldadura y unirlo con el electrodo de píxel 32 yuxtapuesto. Esta
unión se realiza de manera que se invierte un tiempo mínimo por
encima de la temperatura de reflujo (fusión) o de fase líquida
(liquidus) de la soldadura a baja temperatura, libre de plomo de
BiSn, y por tanto no se provoca ningún daño al sustrato detector 20
semiconductor sensible a la temperatura. Como resultado, se forma
una unión metalúrgica entre el sustrato de lectura 50 CMOS y el
sustrato detector 20 de imágenes a través de la unión por saliente
de contactos de circuito de píxel 58 y electrodos de píxel 32
correspondientes.
Además, puede aplicarse un relleno de base (no
representado) en caso necesario para mejorar las propiedades
mecánicas del dispositivo de formación de imágenes 14. Un relleno de
base también puede aplicarse como un relleno de base sin flujo
antes de aplicar la presión y el calor de unión. Las técnicas de
relleno de base se conocen en la técnica y pueden ponerse en
práctica de manera sencilla en la presente invención por los
expertos en la materia. Muchos materiales de relleno de base
comercialmente disponibles actualmente se curan a aproximadamente
100ºC. La susceptibilidad a la temperatura potencial de los rellenos
de base durante la soldadura de sustratos de lectura y detectores
de un dispositivo de formación de imágenes hace beneficioso que la
presente soldadura a baja temperatura libre de plomo de BiSn
presente un punto de fusión lo suficientemente por encima de la
temperatura a la que se curan estos materiales de relleno de base
comercialmente disponibles.
Además de proteger los sustratos detectores 20
semiconductores sensibles a la temperatura que comprenden, por
ejemplo Cd, la baja temperatura de unión y el tiempo de líquido
corto de la presente aleación de soldadura binaria disminuye la
cantidad de posibles compuestos intermetálicos que pueden formarse,
y también minimiza las tensiones internas que se producen durante
la solidificación y enfriamiento por diferencia de los coeficientes
de expansión térmica (CTE) de los materiales de sustrato.
Se ha dado a conocer un dispositivo de formación
de imágenes de radiación electrónico para formar imágenes de rayos
X y rayos gamma por encima de 1 keV que comprende un sustrato
semiconductor detector para convertir golpes de radiación entrante
en carga, una pluralidad de contactos de captación de carga sobre
una cara principal de dicho sustrato detector, que comprende además
un sustrato de procesamiento/lectura semiconductor para recibir
dicha carga, mientras que dichos contactos de captación de carga
sobre el sustrato detector están conectados eléctricamente a
entradas sobre el sustrato de procesamiento/lectura mediante uniones
por saliente de bismuto estaño (BiSn) libres de plomo (Pb). Una
forma de realización particularmente significativa de la presente
invención es cuando el sustrato detector es de CdTe o CdZnTe. Según
una forma de realización preferida, los salientes de BiSn presentan
un reflujo (o punto de fusión) entre 100ºC y el del PbSn
eutéctico.
La composición en peso de los salientes de BiSn
puede variar aunque preferentemente la composición es la de o
próxima a la de BiSn eutéctico con un punto de fusión
aproximadamente de 134ºC. A título de ejemplo, en la presente
memoria se da a conocer un diagrama de flujo de proceso posible de
cómo implementar un proceso de unión por saliente de BiSn sobre una
pastilla 150 (ver las figuras 1 y 4) que lleva los sustratos de
procesamiento/lectura 50 CMOS. Véanse las figuras 4A y 4B.
Pueden introducirse muchas variaciones y cambios
sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo puede haber
otros materiales detectores de radiación sensibles a la temperatura
tales como PbI, HgI, GaAs, etc.
Aunque la descripción anterior contiene muchos
detalles, estos no deberían considerarse como limitaciones del
alcance de la invención, sino más bien ejemplos de una u otra forma
de realización preferida de la misma. Pueden introducirse muchas
otras variaciones que resultarán evidentes para un experto en la
materia. Por consiguiente, el alcance de la invención debería
determinarse por el alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus
equivalentes, y no sólo por las formas de realización.
Claims (13)
1. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante de rayos X y rayos gamma que comprende:
un sustrato detector (20), presentando el
sustrato detector (20) una superficie anterior y una superficie
posterior, y estando dispuesto para convertir dicha energía radiante
que incide sobre la superficie anterior en carga eléctrica;
una pluralidad de contactos colectores de carga
(32) montados sobre la superficie posterior del sustrato detector
en un patrón de contacto colector, los contactos colectores (32)
para recoger la carga eléctrica;
un sustrato de lectura (50) que presenta una
superficie de lectura (52) y una pluralidad de contactos de lectura
(56) montados sobre la superficie de lectura (52) en un patrón de
contacto de lectura, correspondiendo el patrón de contacto de
lectura al patrón de contacto colector, y los contactos de lectura
(56) para recibir carga eléctrica de los contactos colectores (32)
correspondientes; y
una soldadura de estaño-bismuto
(100), a baja temperatura, que interconecta de manera eléctrica un
contacto colector (32) y de lectura (56) correspondientes, y que
presenta un punto de fusión entre aproximadamente 95ºC y
aproximadamente 183ºC.
2. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 1, en el que el sustrato
detector (20) es un sustrato semiconductor compuesto, sensible a la
temperatura.
3. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 1, en el que el sustrato
detector (20) comprende el elemento telurio.
4. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 3, en el que el sustrato
detector (20) comprende además el elemento cadmio.
5. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 1, en el que la soldadura
de estaño-bismuto (100) a baja temperatura está
dispuesta como uniones por saliente para interconectar de manera
eléctrica los contactos colectores (32) y de lectura (56)
correspondientes.
6. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 1, en el que la soldadura
de estaño-bismuto (100) a baja temperatura está
constituida por una aleación de estaño a bismuto comprendida entre
aproximadamente 1% y 85% de estaño en peso.
7. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 1, en el que la soldadura
de estaño-bismuto (100) a baja temperatura está
constituida por una aleación de estaño a bismuto comprendida entre
aproximadamente 38% y 58% de estaño en peso.
8. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 1, en el que la soldadura
de estaño-bismuto (100) a baja temperatura está
constituida esencialmente por una aleación eutéctica de bismuto y
estaño.
9. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 1, en el que la soldadura
de estaño-bismuto (100) a baja temperatura presenta
un punto de fusión de aproximadamente 138ºC.
10. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 1, en el que la soldadura
(100) a baja temperatura está constituida por una aleación de
bismuto y estaño que presenta una temperatura de punto de fusión
por debajo de la temperatura de fusión de una aleación eutéctica de
plomo y estaño y superior a la temperatura de fusión de una
aleación de bismuto, plomo y estaño.
11. Dispositivo de formación de imágenes de
energía radiante según la reivindicación 1, en el que la soldadura
(100), a baja temperatura está constituida por bismuto y estaño,
presentando dicha soldadura una temperatura de punto de fusión por
debajo de la temperatura de fusión de una aleación eutéctica de los
metales plomo y estaño.
12. Procedimiento para producir un dispositivo
de formación de imágenes de energía radiante de rayos X y rayos
gamma, que comprende las etapas que consisten en:
proporcionar un sustrato de lectura
semiconductor (50) que presenta una pluralidad de contactos de
lectura (56) montados sobre una superficie de lectura (52) en un
patrón de contacto de lectura;
aplicar un saliente de soldadura de
estaño-bismuto (100), a baja temperatura a cada uno
de los contactos de lectura (56) utilizando una soldadura de
estaño-bismuto (100) que presenta un punto de fusión
entre aproximadamente 95ºC y aproximadamente 183ºC;
\newpage
disponer un sustrato detector (20) que presenta
una superficie de píxeles con una pluralidad de contactos
colectores de carga (32) montados sobre la superficie de píxeles en
un patrón de contacto colector correspondiente al patrón de
contacto de lectura en una posición para unir los contactos de
lectura (56) y los contactos colectores de carga (32)
correspondientes; y
unir los contactos de lectura (56) y los
contactos colectores de carga (32) correspondientes mediante una
técnica de reflujo de soldadura de estaño-bismuto
para formar salientes conductores eléctricamente (100) entre los
contactos de lectura (56) y los contactos colectores de carga (32)
correspondientes y proporcionar dicho dispositivo de formación de
imágenes de energía radiante.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
en el que el sustrato detector (20) es un sustrato semiconductor
compuesto, sensible a la temperatura.
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