JP2002257936A

JP2002257936A - 放射線検出器モジュール

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Publication number: JP2002257936A
Application number: JP2001058718A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Suzuki; 広人鈴木; Yoshimarou Fujii; 義磨郎藤井
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-11
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: JP4799746B2

Abstract

(57)【要約】【課題】コンピュータ断層撮影装置用の放射線検出器
モジュールの製造の歩留まりを向上させると同時に、画
素の高密度化やモジュール自体の小型化、さらに複数の
モジュールの高密度実装を実現する。【解決手段】アレイ状にフォトダイオード１９を作り
込んだシリコン基板１と、信号処理回路用のＩＣチップ
２と、フラット状の配線ケーブル３と、パネル状のシン
チレータ４により構成される。シリコン基板１の主面に
おいて、光電変換領域１０に隣接してＩＣチップ２をマ
ウントするチップ搭載領域２０が設定されている。ＩＣ
チップ２には外部端子２１Ｂ，２２Ｂが形成され、これ
らがシリコン基板１と対向するようにして、接続部１
１，１２においてシリコン基板１上の配線パターンと電
気的に接続される。このため、光電変換領域１０を覆う
ようにパネル形状のシンチレータ４を設ける場合でも、
電気接続を損なうことがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータ断層
撮影（ＣＴ）装置用の放射線（例えばＸ線）検出器モジ
ュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、コンピュータ断層撮影装置用の放
射線検出器モジュールとして、例えば特開平１１−２８
７８６３号公報に開示されたＸ線検出器モジュールが知
られている。このような従来のモジュールは、セラミッ
クスあるいはガラスエポキシ製の絶縁性基板上にフォト
ダイオードアレイチップや信号処理用のＩＣチップをダ
イボンディングして構成される。ここで、絶縁性基板上
にダイボンドされたフォトダイオードアレイチップの電
極パッドとＩＣチップの電極パッドとが、直接ワイヤボ
ンディングで接続されている。そして、絶縁性基板には
フレキシブル配線ケーブルがマウントされ、これとＩＣ
チップの電極パッドとが相互にワイヤボンディングさ
れ、さらにフォトダイオードアレイチップにシンチレー
タがマウントされることでＸ線検出器モジュールが構成
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のモジュールで
は、絶縁性基板上に配置されたフォトダイオードアレイ
チップ、及びＩＣチップ、更にフレキシブル配線ケーブ
ルはそれぞれの電極パッド間を直接ワイヤボンディング
で接続されているので、フォトダイオードアレイチップ
の高密度化に伴って製品の歩留まりが低下していた。例
えば、８Ｘ１６（＝１２８）のフォトダイオードアレイ
では、アノード接続だけで１２８本のワイヤが必要にな
るが、このうちの１本でも断線するとモジュールとして
使い物にならなくなる。

【０００４】特に、放射線検出器モジュールではフォト
ダイオードアレイチップの上面にパネル状のシンチレー
タが搭載、接着されるので、この搭載・接着工程に際し
てワイヤが断線したり接続不良を起したりすることが多
い。このように、多チャンネル化を狙うと製品の歩留ま
りが低下し、歩留まりの向上を狙うとフォトダイオード
アレイの高密度化やモジュール自体の小型化、さらに複
数のモジュールの高密度実装が困難になる、という解決
すべき課題があった。

【０００５】本発明は、このようなトレードオフの関係
にある課題を解決したコンピュータ断層撮影装置用の放
射線検出器モジュールを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るコンピュー
タ断層撮影装置用の放射線検出器モジュールは、複数の
フォトダイオードがアレイ状に作り込まれた光電変換領
域と、この光電変換領域に隣接するチップ搭載領域と、
このチップ搭載領域に隣接するケーブル接続領域との三
領域を主面に有する半導体基板と、光電変換領域を覆う
ように設けられ、入射された放射線をフォトダイオード
が感知する光に変換するパネル状のシンチレータと、チ
ップ搭載領域に搭載され、複数のフォトダイオードから
の読み出し信号を所定の駆動信号に基づき処理して検出
信号を出力する信号処理回路用チップと、ケーブル接続
領域に端部が接続され、所定の駆動信号と検出信号を伝
送する配線ケーブルと、を備え、半導体基板の主面に
は、光電変換領域とチップ搭載領域の間、及び、このチ
ップ搭載領域とケーブル接続領域の間を結ぶようにそれ
ぞれ配線パターンが形成され、信号処理回路用チップの
入出力端子の形成面が半導体基板と対向する状態で、入
出力端子と配線パターンが電気的に接続されている、こ
とを特徴とする。

【０００７】本発明の放射線検出器モジュールによれ
ば、フォトダイオードがアレイ状に作り込まれた半導体
基板に信号処理回路用チップが搭載され、半導体基板に
は配線パターンが形成されて信号処理回路用チップの入
出力端子の形成面が半導体基板と対向する状態で、その
入出力端子と配線パターンが電気的に接続されているの
で、パネル状シンチレータの搭載時にワイヤが断線する
ような不具合を解消できる。このため、多チャンネル化
を実現しながら歩留まりの向上を達成できる。また、フ
ォトダイオードアレイを構成する半導体基板自体が検出
器モジュールの基板となるので、モジュール自体の小型
化とコンピュータ断層撮影装置のガントリにおける高密
度実装が可能になる。

【０００８】本発明の放射線検出器モジュールにおい
て、半導体基板は、複数のフォトダイオードがアレイ状
に作り込まれたシリコン基板の裏面に補強用の基板を貼
り合わせて構成されていることを特徴としても良く、こ
のようにすればフォトダイオードアレイが作り込まれた
シリコン基板の割れや欠けを防止できる。

【０００９】本発明の放射線検出器モジュールにおい
て、補強用の基板はシリコン製であることを特徴として
も良く、このようにすれば熱膨張／収縮による変形や破
損を防止できる。

【００１０】本発明の放射線検出器モジュールにおい
て、信号処理回路用チップの入出力端子は、当該チップ
の主面に形成された電極パッドであり、この電極パッド
と配線パターンの端部のパッドとの間には、導電性材料
が介在して接続されることを特徴としても良く、このよ
うな導電性材料には加圧により導電性を獲得する素材の
他、ハンダ等の金属を使用できる。

【００１１】本発明の放射線検出器モジュールにおい
て、半導体基板と信号処理回路用チップの間は樹脂で接
着されていることを特徴としても良く、このようにすれ
ば半導体基板と信号処理回路用チップは安定的に固定で
きる。

【００１２】本発明の放射線検出器モジュールにおい
て、信号処理回路用チップの電極パッドと配線パターン
の端部のパッドとの間隔は、半導体基板の主面と信号処
理回路用チップの主面との間隔よりも狭く、ここに介在
される樹脂は導電性粒子を含有して加圧により導電性を
獲得することを特徴としても良く、このようにすれば多
チャンネル化を容易に達成でき、かつ、接着工程と接続
工程を一連の工程として実現できる。

【００１３】本発明の放射線検出器モジュールにおい
て、配線ケーブルは、可撓性を有するフラット状のケー
ブルであることを特徴としても良く、このようにすれば
取り扱いが簡便であり、コンピュータ断層撮影装置のガ
ントリにモジュールを高密度実装することが容易にな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づき説明する。なお、同一要素には同一符号を付し、
重複する説明を省略する。

【００１５】図１は実施形態の放射線検出器モジュール
を示し、同図（Ａ）は上面図、同図（Ｂ）は側面図であ
る。この放射線検出器モジュールは、４Ｘ８のアレイ状
にフォトダイオード１９を作り込んだシリコン基板１
と、信号処理回路用のＩＣチップ２と、フレキシブルな
素材で形成されたフラット状の配線ケーブル３と、放射
線（例えばＸ線）をフォトダイオードアレイが感知可能
な波長の光（例えば可視光）に変換するパネル状のシン
チレータ（図示せず）により構成される。なお、配線ケ
ーブル３の基端側に取り付けられた外部接続端子３１
は、外部の回路より駆動信号をＩＣチップ２に入力し、
またＩＣチップ２から外部の回路に検出信号を出力する
ための端子である。

【００１６】図２は、図１に示すシリコン基板１の構成
を示し、同図（Ａ）は上面図、同図（Ｂ）は側面図であ
る。ほぼ正方形のシリコン基板１の主面において、一方
の端部側に位置する光電変換領域１０にはフォトダイオ
ード１９がアレイ状に形成されており、これに隣接する
シリコン基板１のほぼ中央部にＩＣチップ２をマウント
するためのチップ搭載領域２０が設定されている。さら
に、チップ搭載領域２０を挟んで光電変換領域１０の反
対側に位置するシリコン基板１の他方の端部側には、配
線ケーブル３の先端を接続するためのケーブル接続領域
３０がチップ搭載領域２０に隣接するよう設定されてい
る。このように、シリコン基板１自体がモジュールの基
体（ベース部材）となるので、従来のモジュールで生じ
ていたデッドスペース（絶縁性基板の端部とフォトダイ
オードアレイチップの端部との間のスペース）を無くす
ことができ、絶縁性基板とフォトダイオードアレイチッ
プの位置合わせも不要になる。また、絶縁性基板も不要
なので、その分のコストダウンも実現できる。

【００１７】上記説明では、シリコン基板の形状をほぼ
正方形として説明したが、例えば、フォトダイオードの
数等によって正方形でない矩形（長方形）をなすことも
あり、基板形状自体は正方形に限ったものではない。

【００１８】図２（Ａ）に示す通り、シリコン基板１の
光電変換領域１０寄りのチップ搭載領域２０端部には複
数の第１電極パッド１１Ａが所定のピッチで一列に設け
られ、ケーブル接続領域３０寄りのチップ搭載領域２０
端部には第２電極パッド１２Ａが所定のピッチで一列に
設けられている。そして、複数の第１電極パッド１１Ａ
は配線パターン１４によって個々のフォトダイオード１
９のアノードに接続され、第２電極パッド１２Ａと第３
電極パッド１３Ａは配線パターン１５によって互いに接
続されている。なお、列状の第１電極パッド１１Ａの両
端に設けられた一対の電極パッドは、フォトダイオード
１９のカソードに対応している。また、配線パターン１
４、１５等はシリコン基板１上に直接に形成されている
のではなく、その間に絶縁膜（図示せず）が介在してい
る。

【００１９】ＩＣチップ２はシリコン基板１の電極パッ
ド１１Ａおよび１２Ａと同一のピッチで外部端子を有し
ており、配線ケーブル３もシリコン基板１の第３電極パ
ッド１３Ａと同一のピッチで接続端子を有している。こ
のため、図２（Ｂ）に示す通り、ＩＣチップ２は接続部
１１，１２においてシリコン基板１上の配線パターン１
４，１５（その端部の電極パッド１１Ａ、１２Ａ）と電
気的に接続され、配線ケーブル３は接続部１３において
シリコン基板１上の配線パターン１５（その端部の第３
電極パッド１３Ａ）と電気的に接続される。

【００２０】ここで、ＩＣチップ２は主としてＦＥＴ
（電界効果トランジスタ）により構成された信号処理回
路を内蔵しており、第１電極パッド１１Ａから入力する
読み出し信号（フォトダイオード１９の光電流出力）を
電流・電圧変換し、第２電極パッド１２Ａから入力する
駆動信号のタイミングに応じてチャネルを切り替えて放
射線検出信号として第２電極パッド１２Ａから出力す
る。また、フレキシブル配線ケーブル３は、可撓性に富
む樹脂製のテープ状部材のベースに銅やアルミニウムの
配線パターンが形成されたものである。

【００２１】なお、ＩＣチップに内蔵される信号処理回
路は、バイポーラトランジスタ、ＣＭＯＳトランジスタ
を組み合わせて、例えば増幅回路や積分回路等を構成し
ても構わない。

【００２２】図２（Ｂ）に示す通り、シリコン基板１と
ＩＣチップ２の間隙およびシリコン基板１と配線ケーブ
ル３の間隙には樹脂製接着フィルム５１が貼付され、互
いに固定されている（詳細は図３にて後述）。パネル形
状のシンチレータ４は、シリコン基板１の光電変換領域
１０を覆うように接着剤（シンチレータ４の発する蛍光
に対して透明な光学接着剤、図示せず）で固定される
が、実施形態では電気接続に金ワイヤなどのボンディン
グワイヤが用いられていないので、シンチレータ４の搭
載、接着などの際にワイヤの断線などが生じる余地はな
い。また、ワイヤの断線などに注意を払う必要が無くな
るので作業効率が向上し、ワイヤを保護する樹脂が光電
変換領域１０に染み出す不具合も無くなる。さらに、シ
ンチレータ４がシリコン基板１の光電変換領域１０を覆
うので、シリコン基板１の物理的強度が向上し、かつ、
光電変換領域１０の保護部材としても機能する。

【００２３】図３は、図１、２に示す放射線検出器モジ
ュールの要部の断面図である。図示の通り、ＩＣチップ
２の主面には外部端子２１Ｂ，２２Ｂが形成され、この
外部端子形成面がシリコン基板１の主面と対向するよう
に搭載されている。また、配線ケーブル３の端部には接
続端子３３Ｂが形成され、この接続端子形成面がシリコ
ン基板１と対向するように接続されている。これらの接
続部１１，１２，１３は、シリコン基板１上面の電極パ
ッド１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと、ＩＣチップ２の外部端
子２１Ｂ，２２Ｂ，３３Ｂと、これらの間に介在する導
電性材料により構成される。そして、この導電性材料は
シート状の樹脂接着剤からなる樹脂製接着フィルム５１
内に混入（含有）させられた導電性粒子５２で構成され
る。

【００２４】図４は、この導電性粒子５２の断面図であ
る。導電性粒子５２は柔軟な樹脂製ボールを芯材とし
て、その周囲にニッケルめっき層、金めっき層を順次に
重ね、再外層を硬質の絶縁膜で覆った構造をしている。
この導電性粒子５２を加圧すると芯の樹脂製ボールが変
形し、硬質の絶縁膜が破壊されて金めっき層が露出する
ので、めっき層を介した電気的接続を実現できる。この
ような加圧により導電性を獲得する導電性粒子５２を混
入した樹脂製接着フィルム５１による電気的接続法は、
ＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film）法として知ら
れている。

【００２５】シリコン基板１とＩＣチップ２および配線
ケーブル３の接着工程と、接続部１１，１２，１３にお
ける電気接続工程は、連続する一連の工程として、下記
のように行う。まず、信号処理回路用のＩＣチップ２の
電極パッド（外部端子２１Ｂ、２２Ｂ）がＩＣチップ２
の主面よりも充分に突出するように形成しておき、配線
パターン１４，１５の端部の第１電極パッド１１Ａおよ
び第２電極パッド１２Ａとの間隔が狭く（シリコン基板
１の主面とＩＣチップ２の主面との間隔よりも充分に狭
く）なるように設定しておく。そして、チップ搭載領域
２０とケーブル接続領域３０にＡＣＦ法に適用する樹脂
製接着フィルム５１を貼付し、ＩＣチップ２と配線ケー
ブル３を正確にシリコン基板１上に位置合わせして仮接
着する。

【００２６】次に、ＩＣチップ２と配線ケーブル３をシ
リコン基板１に対して押し付けて加圧した状態で、樹脂
製接着フィルム５１を熱硬化（または紫外線硬化）させ
ると、接着と接続が完了する。すなわち、シリコン基板
１の主面における第１電極パッド１１Ａおよび第２電極
パッド１２Ａの位置と、ＩＣチップ２の外部端子２１
Ｂ、２２Ｂの位置が正確に合っていれば、相互の間隔が
狭い接続部１１，１２でのみ加圧によって導電性粒子５
２が変形、破壊され（潰され）て導電性を獲得し、他の
部位では圧力は相対的に低いので導電性粒子５２は変形
せずに元の絶縁性を維持する（再外層の硬質の絶縁膜は
破壊されない）。このため、必要な部位でのみ選択的に
導電性が獲得されるので、多チャンネルゆえに多点とな
る端子の電気接続を歩留まり良く実現できる。また、Ａ
ＦＣによれば接続部の高さ（幅）を低く（薄く）できる
ので、放射線検出器モジュールの小型・薄型化が可能に
なる。

【００２７】本実施形態の放射線検出器モジュールによ
れば、光電変換領域１０の端部における解像度の低下を
防止できる効果がある。従来の場合は、接着剤の熱硬化
に際して絶縁性基板とフォトダイオードチップが膨張／
収縮し、フォトダイオードチップが反ることでフォトダ
イオードチップの端部からシンチレータが浮き上がって
解像度が低下していた。実施形態によると、フォトダイ
オードを形成したシリコン基板自体がモジュールのベー
スになっているため、加熱／冷却工程を経た後にも光電
変換領域の端部からシンチレータが浮き上がることはな
く、解像度の低下は生じない。

【００２８】本実施形態によれば、小型・軽量で解像度
の優れた放射線検出器モジュールが得られるので、回転
動作をするコンピュータ断層撮影装置のガントリに適用
するのに特に適している。

【００２９】本発明は上記の実施形態に限定されず、種
々の変形が可能である。

【００３０】例えば、半導体基板はフォトダイオードア
レイが作り込まれたシリコン基板の裏面に補強用の基板
（シリコン製が好適）を貼り合わせた複合基板でも良
い。貼り合わせ法としては、接着剤を介在させて貼り合
わせても良いが、接合面を研磨した上で加圧して貼り合
わせても良い。

【００３１】このようにすれば、フォトダイオードアレ
イが作り込まれたシリコン基板の機械的、物理的強度が
向上し、チップの割れや欠けを防止できる。また、フォ
トダイオード１９は４Ｘ８のアレイに限らず、８Ｘ１６
のアレイからなる多チャンネルモジュールでも良い。

【００３２】なお、シリコン等の補強用基板をシリコン
基板の裏面に貼り合わせる場合、両者を貼り合わせた複
合基板をダイシングして分離すれば、放射線検出器モジ
ュールをコンピュータ断層撮影装置に組み込んで複数配
列する際に、モジュール間（フォトダイオードアレイ
間）のデッドスペースを無くすことができる。

【００３３】シリコン基板１とＩＣチップ２および配線
ケーブル３の電気的接続はＡＣＦ法に限定されず、例え
ばハンダバンプ等によって接続（いわゆるフリップチッ
プボンディング）しても良いが、多点一括接続を歩留ま
り良く実現できる点で、ＡＣＦが特に優れている。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、パネル状のシンチレー
タの搭載・接着工程に際してワイヤが断線したり接続不
良を起したりすることがなくなり、製品の歩留まりを向
上できる。また、フォトダイオードアレイの高密度（多
チャンネル）化やモジュール自体の小型化、さらに複数
のモジュールの高密度実装が可能になるので、コンピュ
ータ断層撮影装置の性能を向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、実施形態の放射線検出器モジュールを
示し、同図（Ａ）は上面図、同図（Ｂ）は側面図であ
る。

【図２】図２は、シリコン基板１の構成を示し、同図
（Ａ）は上面図、同図（Ｂ）は側面図である。

【図３】図３は、放射線検出器モジュールの要部の断面
図である。

【図４】図４は、樹脂製接着フィルム５１に混入された
導電性粒子５２の断面図である。

【符号の説明】

１・・・シリコン基板、１０・・・光電変換領域、１１Ａ・・・
第１電極パッド、１２Ａ・・・第２電極パッド、１３Ａ・・・
第３電極パッド、２・・・信号処理回路用のＩＣチップ、
２０・・・チップ搭載領域、３・・・配線ケーブル、３０・・・
ケーブル接続領域、４・・・シンチレータ、５１・・・樹脂製
接着フィルム、５２・・・導電性粒子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 27/146 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｋ 31/09 ＦＨ０４Ｎ 5/32 31/00 ＡＦターム(参考） 2G088 EE02 FF02 GG19 GG20 JJ05 JJ09 JJ33 JJ37 4C093 AA22 CA32 CA50 EB12 EB17 4M118 AA10 AB01 AB10 BA19 CB11 GA10 HA21 HA22 HA27 HA30 HA31 5C024 AX11 AX16 CY48 EX00 EX22 EX24 EX25 GX03 5F088 AA01 AB02 BA15 BB07 EA04 GA04 HA15 JA17 LA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンピュータ断層撮影装置用の放射線検
出器モジュールにおいて、複数のフォトダイオードがア
レイ状に作り込まれた光電変換領域と、この光電変換領
域に隣接するチップ搭載領域と、このチップ搭載領域に
隣接するケーブル接続領域との三領域を主面に有する半
導体基板と、前記光電変換領域を覆うように設けられ、
入射された放射線を前記フォトダイオードが感知する光
に変換するパネル状のシンチレータと、前記チップ搭載
領域に搭載され、前記複数のフォトダイオードからの読
み出し信号を所定の駆動信号に基づき処理して検出信号
を出力する信号処理回路用チップと、前記ケーブル接続
領域に端部が接続され、前記所定の駆動信号と前記検出
信号を伝送する配線ケーブルと、を備え、前記半導体基
板の主面には、前記光電変換領域と前記チップ搭載領域
の間、及び、このチップ搭載領域と前記ケーブル接続領
域の間を結ぶようにそれぞれ配線パターンが形成され、
前記信号処理回路用チップの入出力端子の形成面が前記
半導体基板と対向する状態で、当該入出力端子と配線パ
ターンが電気的に接続されている、ことを特徴とする放
射線検出器モジュール。
【請求項２】前記半導体基板は、前記複数のフォトダ
イオードがアレイ状に作り込まれたシリコン基板の裏面
に補強用の基板を貼り合わせて構成されていることを特
徴とする請求項１記載の放射線検出器モジュール。
【請求項３】前記補強用の基板は、シリコン製である
ことを特徴とする請求項２記載の放射線検出器モジュー
ル。
【請求項４】前記信号処理回路用チップの入出力端子
は、当該チップの主面に形成された電極パッドであり、
この電極パッドと前記配線パターンの端部のパッドとの
間には、導電性材料が介在して接続されることを特徴と
する請求項１、２または３記載の放射線検出器モジュー
ル。
【請求項５】前記半導体基板と前記信号処理回路用チ
ップの間は樹脂で接着されていることを特徴とする請求
項１ないし４のいずれか記載の放射線検出器モジュー
ル。
【請求項６】前記信号処理回路用チップの電極パッド
と前記配線パターンの端部のパッドとの間隔は、前記半
導体基板の主面と前記信号処理回路用チップの主面との
間隔よりも狭く、前記樹脂は導電性粒子を含有して加圧
により導電性を獲得することを特徴とする請求項５記載
の放射線検出器モジュール。
【請求項７】前記配線ケーブルは、可撓性を有するフ
ラット状のケーブルであることを特徴とする請求項１な
いし６のいずれか記載の放射線検出器モジュール。