JP2011509399A

JP2011509399A - 直接変換検出器

Info

Publication number: JP2011509399A
Application number: JP2010538990A
Authority: JP
Inventors: フェーンニコラースファン; アセルツロブファン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2011-03-24
Also published as: US8304739B2; WO2009083849A2; CN101903802A; US20100243906A1; WO2009083849A3; EP2225589A2; CN101903802B; EP2225589B1

Abstract

放射線感受性検出器は、第１及び第２の対向する面を有する第１基板202を含む。第１の面は入射放射線を検出し、そして、第１基板202は検出された放射を示す信号を生成する。少なくとも１つの電気接点204が、第１基板202に設置される。導電性材料214が、少なくとも１つの電気接点204に結合される。導電性材料214は、摂氏約72度から摂氏約95度の範囲の融点を持つ。

Description

本出願は概して放射線感受性検出器に関する。本出願は、単光子放射コンピュータ断層撮影(SPECT)システムに対する特定のアプリケーションによって説明されるが、CT及び静的X線検出器を含む、放射を検出してそれを示す信号を生成することが望まれる他のアプリケーションにも関連する。

医療撮像システムは、間接変換(シンチレータ/フォトセンサ)検出器(例えばガドリニウムオキシ硫化物(GOS)検出器)又は直接変換検出器(例えばカドミウムテルル化亜鉛(CZT)検出器)のアレイを含む場合がある。直接変換検出器は、検出された放射を電気信号(例えば電流)に直接変換する。

一例としての直接変換検出器は、放射を受け取る第１の面及び対応する電気信号を転送するための電気接点を有する第２の対向する面を有するCZT放射線感受性半導体基板を含む。放射線感受性半導体基板は、検出器素子の二次元アレイを形成するために、検出器素子の複数のロウ及び検出器素子の複数のカラムに分割される場合がある。各々の検出器素子は、対応する電気信号を読出し基板へ転送するための対応する電気接点に結合され、読出し基板は、検出器からの電気信号を転送するための電気接点を含む。

CZTベースの検出器に関して、CZT放射線感受性半導体基板上の電気接点は、検出器の製造者及び/又は他の要因に応じて、金(Au)、プラチナ(Pt)又はインジウム(In)である場合がある。しかしながら、Au及びPtは、CZTに対する接着特性が不十分である。導電性接着剤が、Au又はPtとCZTとの間の接着を改善するために用いられることができる。Inは、Au及びPtと比較して、CZTとのより良好な接着特性を持つ。しかしながら、Inは、接触させるのが難しい場合がある。結果として、Inベースの電気接点上に相互接続を形成することが難しい場合がある。しかしながら、Inの接触特性を改善するために、導電性接着剤がInと共に用いられることができる。

残念なことに、Inは酸化し、Inと共に使用される導電性接着剤は湿度に敏感であり、膨張する場合がある。このように、電気接点は、時間とともに物理的及び機械的に劣化する場合がある。そのような劣化は、結果として、劣化した電気接続及び電流の流れ、並びに/又は、電気接点のCZT基板からの切断をもたらす可能性がある。結果として、In及び導電性接着剤で構成されるCZT検出器の信頼性は、いくつかのアプリケーションに対する要求よりも低い可能性があり、検出器の性能は、時間とともに特定の運用範囲から外れる可能性がある。

本出願の態様は、上述の及び他の問題に対処する。

一つの態様によれば、放射線感受性検出器は、第１及び第２の対向する面を有する第１基板を含む。第１の面は入射放射を検出し、そして第１基板は検出された放射を示す信号を生成する。少なくとも１つの電気接点が、第１基板に設置される。導電性材料が、少なくとも１つの前記電気接点に結合される。この導電性材料は、摂氏約72度から摂氏約95度の範囲の融点を持つ。

他の態様において、医療撮像システムは、検査領域を通り抜けた放射を検出して、検出された放射を示す電気信号を生成する放射線感受性検出器アレイを含む。放射線感受性検出器アレイは、放射線感受性基板、前記放射線感受性基板に結合される電気接点、及び少なくとも１つの前記電気接点に結合される導電性材料を含む。この導電性材料は、低温半田である。

他の態様における方法は、InBiベースの低温半田を読出基板上の第１電気接点にリフローし、InBiベースの低温半田をCZTベースの放射線感受性基板上のInベースの電気接点にリフローする。

本発明のなお更なる態様は、以下の詳細な説明を読んで理解することにより、当業者に認識される。

本発明は、さまざまなコンポーネント及びコンポーネントの配置、並びに、さまざまなステップ及びステップの配置の形を取ることができる。図面は、単に好ましい実施の形態を説明することを目的としており、本発明を制限するものと解釈されてはならない。

例示的な医療撮像システム。例示的な放射線感受性検出器アレイ。例示的な放射線感受性検出器アレイ。方法を説明するための図。

図1を参照して、SPECTシステム100は、少なくとも１つの放射線感受性検出器アレイ110を含む。描かれるように、図示されたシステム100は、２つの放射線感受性検出器アレイ110₁及び110₂を含む。放射線感受性検出器アレイ110₁及び110₂は、互いに対して、大体90°から102°の範囲の角度で配置される。他の数の検出器アレイ110及びそれらの間の他の角度も意図される。放射線感受性検出器アレイ110₁及び110₂は、検査領域112のまわりを回転し、複数の投影角度又はビューに対する投影を取得する。

図示された例において、放射線感受性検出器アレイ110₁及び110₂は、さまざまな層を含む二次元直接変換検出器アレイである。そのような層は、放射線感受性層114、読出層116及び中間層118を含む。中間層118は、放射線感受性層114及び読出層116を電気的及び物理的に結合させる。

以下でさらに詳細に説明されるように、放射線感受性層114は、CZTによく接着する材料から形成される少なくとも１つの電気接点を有するカドミウムテルル化亜鉛(CZT)基板を含むことができる。加えて、中間層118は、CZT基板上の電気接点との電気相互接続を形成するために適した材料を含むことができる。

一般に、放射線感受性層114は、検査領域112中で発生する放射性核種崩壊108からのガンマ放射線を受け取り、それを示す信号を生成する。この信号は、中間層118を通して読出層116に伝達される。この信号は、読出層116を介して検出器110から出力される。

再構成部120は、検出されたガンマ放射線を表わす体積測定画像データを生成するために、投影を再構成する。体積測定画像データは、検査領域112を表す。

コンピュータは、オペレータコンソール122として機能する。コンソール122は、人が読取り可能な出力装置(例えばモニタ又はディスプレイ)並びに入力装置(例えばキーボード及びマウス)を含む。コンソールに常駐するソフトウェアは、例えばグラフィカルユーザインタフェース(GUI)を通して、オペレータがスキャナ100を制御して相互作用することを可能にする。

寝台のような対象支持体124は、検査領域112中に患者又は他の対象物を支持する。対象支持体124は可動であり、スキャン手順を実行する間に検査領域112に対して対象物を導く。これは、対象物が所望のスキャン軌道に従って複数の長手方向の場所でスキャンされることができるように、ガンマ放射線感受性検出器110の動作と協調して対象支持体124を長手方向に動かすことを含むことができる。

図2は、例示的な検出器アレイ110のサブ部分を示す。検出器アレイ110のさまざまな図示されたコンポーネントのサイズ、形状及び/又は数は、説明を目的として示されており、それぞれのコンポーネントのサイズ、形状及び/又は数が制限されると解釈されてはならないことが理解されるべきである。

示されるように、放射線感受性層114は放射線感受性基板202を含む。この例において、放射線感受性基板202は、高密度な半導体材料を含む。そのような材料の例は、カドミウムテルル化亜鉛(CdZnTeつまりCZT)である。CZTを用いて、放射線感受性基板202は、受け取られた放射を電気信号(例えば電流)に直接変換するために用いられることができる。

放射線感受性基板202の厚さ"T"は、検出器アレイ110の吸収特性を定めることができ、多くの場合、検出器アレイ110が用いられるアプリケーション用に構成される。例えば、比較的高エネルギーの(例えば100keVを超える)フォトンが検出されるアプリケーションに対しては、放射線感受性基板202は、約3〜5ミリメートル厚であることができ、比較的低エネルギーの(例えば40keV未満の)フォトンが検出されるアプリケーションに対しては、放射線感受性基板202は、1ミリメートル以下の厚さであることができる。

電気接点204(例えばボンディングパッド)が、放射線感受性基板202に取り付けられる。上記したように、電気接点204は、CZTに対して比較的良好な接着特性を有する材料を含む。1つのそのような材料はインジウム(In)である。Inは摂氏約155度の融点を持ち、それはCZTに対して適切な温度でもある。他の材料も意図される。

放射線感受性層114と同様に、電気接点204の寸法は、検出器アレイが用いられるアプリケーションのために構成される。例えば、一つの非制限的な例として、電気接点204の高さ"H"は、約100ナノメートル(nm)から約0.5ミクロンの範囲であることができる。加えて、電気接点204の長さ"L"は、約250ミクロンから約2ミリメートル(mm)の範囲であることができる。

一例として、約300ミクロンのピッチに対して、各々の電気接点204の長さは約250ミクロンであることができ、電気接点204の間の間隔は約50ミクロンである。約2.5mmのピッチに対して、各々の電気接点204の長さは約1.8mmであることができ、電気接点204の間の間隔は約0.7mmである。

電気接点208は、例えば、適切なマスク、リソグラフィ等を通して、基板206の製造者によって、基板206に取り付けられることができる。

読出し層116は基板206を含み、基板206はプリント回路基板(PCB)等であることができる。第１電気接点208(例えばボンディングパッド)が、基板202に面する第１の面で基板206に取り付けられる。第１電気接点208は、半田に濡れ性がある材料から形成される。そのような材料は金属でありえる。例として、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等を含むが、これらに限定されるものではない。

第２電気接点210が、基板202から離れた方を向く第２の面で基板206に取り付けられる。第２電気接点210は、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等から形成されることができる。

少なくとも一つのビア212が、第２電気接点210の各々から、基板206を通して、第１電気接点208の対応する一つに伸び、それにより、第１及び第２の電気接点208及び210間の電気経路を提供する。放射線感受性層114によって生成される電気信号は、第１電気接点208を通して検出器アレイ110から伝達されることができる。

図2に示される例において、基板(206)の両側の電気接点(208及び210)のピッチは等しい。しかしながら、他の実施の形態では、ピッチは異なってもよい。一つの例では、直接変換材料において生成される電気信号の処理のために、ASICが、基板202から離れる方を向く第２の面に取り付けられる。ASICのフットプリントは、直接変換材料のそれとは一般的に異なり、その場合、基板206はより複雑であり(例えば多層である)、両側の電気接点の異なるピッチ間のリルート層(re-routing layer)としても機能する。

上記したように、中間層118は、放射線感受性層114と読出し層116とを電気的に結合する。一つの例において、中間層118は、一般的に基板202上の電気接点204によく濡れる半田214を含む。例えば、電気接点204がInを含む場合、適切な半田は、In、In合金、並びに/又は、In電気接点204の融点以下の融点、Inに対する良好な接着性、Inに対する良好な濡れ性などの特性を備える他の材料を含む。

図示された例では、半田214は、少なくともIn及びビスマス(Bi)を含む。例えば、図示された半田214は、近共晶のInBi(約66重量%のIn及び約34重量%のBi)である半田である。そのような半田は、In及びBiが実質的に同時に液体状態に移行する融点を持つ。一つの例において、近共晶のInBi半田の融点は、摂氏約72度から約95度の範囲であり、例えば摂氏約72度である。他の例において、半田214は、重量で25〜70パーセントのIn及び30〜60パーセントのBiを含む。他の割合も意図される。

Inは、摂氏約156.6度の融点を持つ。結果として、In電気接点204が溶融することなく半田214が溶融する。なお、従来のスズ(Sn)ベースの半田は、摂氏約180度から摂氏約190度の融点を持つ。
そのようなSnベースの半田と比較して、例えば半田214が摂氏約72度の融点を持つ場合、半田214は低温半田と呼ばれる場合がある。

上述の要件を満たす他の共晶半田は、摂氏77.5度の共晶点を持つBi_48.5In_41.5Cd₁₀、摂氏79度の共晶点を持つBi₅₇In₂₆Sn₁₇、摂氏81度の共晶点を持つBi₅₄In_29.7Sn_16.3、及び、摂氏93度の共晶点を持つCd₁₄In₄₄Sn₄₂を含む(但しそれらに限られない)。

加えて、そのような半田は、Inベースの電気接点204をよく濡らす。そのような半田には延性があってもよく、それによって、摂氏約-40度から摂氏約70度の範囲の温度に検出器アレイ110がさらされる場合に、検出器アレイ110の劣化を低減することができる。硬い半田は、例えば低温において、信頼できず、脆くなる場合がある。あるいは、ほとんど延性が無い材料は、温度変動によって直接変換材料にストレスを引き起こし、最終的に故障につながる可能性がある。

図3は、非制限的な検出器アレイ110のサブ部分を例示する。CZT放射線検出器基板202、電気接点204、InBi半田相互接続214、読出し基板206、第２の電気接点210及びビア212が示される。この例において、検出器アレイ110は、二次元検出器アレイ110を形成するために、検出器素子の複数のロウ及び複数のカラムを含む。検出器アレイ110の検出面を増加させるために、検出器アレイ110は、一つ以上の他の検出器アレイ110と並べられてもよいことが認識されるべきである。

図4は、検出器アレイ110を形成するための非制限的な方法を例示する。402において、半田214は、読出基板206の第１電気接点208に位置合わせされる。上記のように、一例において、半田214は、摂氏約72度の融点を持つ近共晶InBiであり、電気接点208は、金属材料(例えばCu、Ag、Auなど)を含む接続パッドである。電気接点208は、スズメッキされていてもよく、及び/又は、さもなければ、電気接点208に半田214を位置合わせする前に作成されてもよい。

404において、半田214は、電気接点208上へリフローされる。電気接続を改善するために不純物(例えば酸化金属)を電気接点208との接触点から除去するのを助けるために、還元剤(例えばロジンベースのフラックス)が用いられてもよい。読出基板206は、基板206から任意の付着した残留物を除去するために、溶媒及び/又は脱イオン水によってその後掃除されてもよい。

406において、電気接点208上の半田214がCZT放射線感受性基板202上の電気接点204に位置合わせされるように、読出基板206が、CZT放射線感受性基板202に位置合わせされる。上記したように、電気接点204は、In、In合金、又は、CZT基板204に適切に接着してInBi半田214によって適切に濡らされる他の材料を含むことができる。今回も、ロジン又は他のフラックスが、表面を活性化するために用いられてもよい。

408において、半田214は、基板202の電気接点204上へリフローされる。リフロー温度は、摂氏約72度から摂氏約100度の範囲内に維持されることができる。例えば、リフロー温度は、摂氏約90度から摂氏約95度の範囲に維持されてもよい。一つの例において、この温度範囲は、半田214の適切な溶融及び流動を保証することができる。

半田を直接変換材料に適用することから開始する逆の順序のプロセスが用いられることもできる。

気相リフロー技術が、半田214をリフローするために用いられることができる。例えば、適切な沸点を持つ有機溶媒等のような沸騰している流体からの蒸気が、半田214をリフローするために用いられることができる。そのような技術では、溶媒は沸騰し、そして、結果として生じる蒸気は凝縮して、半田214をリフローするために使用される凝縮エネルギーを与える。また、過熱は発生しない。そのような流体の例は、熱伝達アプリケーションにおいて使用される液体であり、３Ｍ(St. Paul, MN, USA)によって供給されるフロリナート液FC-77を含む。他の流体も意図される。そのような流体は、表1からの特性の一つ以上を持つことができる。

バリエーションが説明される。

他の実施の形態において、検出器アレイ110は、他の直接変換材料(例えばテルル化カドミウム(CdTe)、鉛(II)酸化物(PbO)など)を含む。

上述のように、ロジンベースの還元剤が、電気接点208から不純物を除去するのを助けるために用いられることができる。他の例では、酸又は水溶性フラックスが代わりに用いられることができる。他の例では、半田付け後に無害の残留物を残す"クリーンでない"フラックスが用いられることもできる。さらに他の例では、還元剤は用いられない。

図示された実施の形態において、気相半田付け技術が、基板202の電気接点204上の半田214をリフローするために用いられる。他の例では、赤外線(Ir)、強制対流(Fc)、ウェーブハンダ付け(WS)、希ガス(例えば窒素(N2))又は他のリフロー技術が用いられることができる。

前述のアプリケーション及びそれらのバリエーションは、SPECTや、他の医療アプリケーション及び非医療アプリケーション(例えば、CT, PET, X線, ガンマ線など)、放射を検出するために放射線感受性検出器を用いるアプリケーションを含む(但しそれらに限られない)。

本発明は、好ましい実施の形態を参照して説明された。上記の詳細な説明を読んで理解することで、修正や変更を思いつくことができる。本発明は、添付の特許請求の範囲又はその均等の範囲内である限り、全てのそのような修正及び変更を含むように構成されることが意図される。

Claims

第１及び第２の対向する面を持つ第１基板であって、第１の面が入射放射線を検出し、当該第１基板が検出された放射線を示す信号を生成する第１基板、
第１基板上の少なくとも一つの電気接点、並びに、
少なくとも一つの前記電気接点に結合され、摂氏約７２度から摂氏約９５度の範囲の融点を持つ導電性材料、
を有する放射線感受性検出器アレイ。
前記導電性材料が摂氏約７２度の融点を持つ、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
前記導電性材料が低温半田を含む、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
前記導電性材料がインジウムを含む、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
前記導電性材料が、実質的に共晶のインジウムとビスマスとの混合物を含む、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
前記導電性材料が実質的に、インジウムが２５重量％から７０重量％の範囲であるインジウムとビスマスとの合金からなる、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
直接変換検出器アレイである、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
第１基板が、カドミウムテルル化亜鉛を含む、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
少なくとも一つの前記電気接点がインジウムを含む、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
第２基板、
第２基板上の第２電気接点であって、前記導電性材料に結合される第２電気接点、及び
第２基板上の第３電気接点であって、第２電気接点と電気的に連通している第３電気接点、
をさらに含む、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
単光子放射コンピュータ断層撮影スキャナの一部である、請求項１に記載の放射線感受性検出器アレイ。
医療撮像システムであって、
検査領域を通り抜けた放射線を検出し、検出された放射線を示す電気信号を生成する放射線感受性検出器アレイを有し、前記放射線感受性検出器アレイが、
放射線感受性基板、
前記放射線感受性基板に結合された電気接点、及び
少なくとも一つの前記電気接点に結合された導電性材料、
を含み、
前記導電性材料が低温半田である、医療撮像システム。
前記導電性材料が摂氏約７２度の融点を持つ、請求項１２に記載の医療撮像システム。
前記導電性材料が、少なくとも一つの前記電気接点に、電気的及び物理的に結合される、請求項１２に記載の医療撮像システム。
前記導電性材料が、インジウム及びビスマスベースの半田を含む、請求項１２に記載の医療撮像システム。
前記導電性材料が本質的に、ビスマスが３０重量％から６０重量％の範囲であるインジウムとビスマスとの合金からなる、請求項１２に記載の医療撮像システム。
少なくとも一つの前記電気接点がインジウムを含む、請求項１２に記載の医療撮像システム。
少なくとも一つの前記電気接点が、カドミウムテルル化亜鉛に良好に接着する、請求項１２に記載の医療撮像システム。
前記放射線感受性検出器アレイが、直接変換検出器の一部である、請求項１２に記載の医療撮像システム。
読出し基板上の第１電気接点に低温InBiベース半田をリフローし、
CZTベースの放射線感受性基板上のInベースの電気接点に前記低温InBiベース半田をリフローする方法。
前記Inベースの電気接点に前記低温InBiベース半田をリフローするために、気相半田付け技術を用いることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
摂氏約７２度から摂氏約９５度の範囲の温度の下で、前記Inベースの電気接点に前記低温InBiベース半田をリフローすることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
前記低温InBiベース半田が摂氏約７２度の融点を持つ、請求項２０に記載の方法。
前記低温InBiベース半田が実質的に共晶のInとBiとの混合物を含む、請求項２０に記載の方法。