JP2020535404A - 統合型放射線検出器デバイス - Google Patents

Abstract

一実施形態によれば、デバイスは、Ｘ線またはガンマ線の光子を可視光の光子に変換するように構成されたシンチレータ層と、シンチレータ層によって生成された可視光を電流に変換するように構成されたフォトダイオード層と、フォトダイオード層の下に位置し、電流を受け取って処理するように構成されたＩＣ（集積回路）層と、を備え、ＩＣ層の電気接点は、ワイヤボンディングを使用して前記フォトダイオード層の電気接点に接続され、ＩＣ層の底部が少なくとも部分的に露出されたままである間、ワイヤボンディングは保護材料で覆われている。他の実施形態は、デバイスによるタイルのアレイを備える検出器、ならびにＸ線源および検出器を備える撮像システムに関する。【選択図】図１

Description

本発明は、放射線検出器モジュールで使用される検出器構造に関する。

シンチレータベースの検出器および検出器アレイは、例えばＸ線またはガンマ線の光子などの高エネルギー放射線を電荷に変換するために、放射線イメージングにおいて利用される。それらは通常、シンチレータ層、基板に取り付けられたフォトダイオード層、および、フォトダイオード層のピクセルによって生成された電流を分析および処理する集積回路（ＩＣ）を備える。このＩＣは、単純なＡ／Ｄコンバータまたはより複雑な特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。

性能を向上させ、コストを削減し、物理的サイズをより小さくするために、ＩＣをフォトダイオード層に物理的に近くに配置することが望ましい場合がある。これは通常、ＩＣをフォトダイオード層と同じ基板の反対側に取り付けることにより達成される。この取り付けを行う簡単な方法は、パッケージされた表面マウントＩＣを基板のはんだパッド上にはんだ付けすることである。ただし、このプロセスには不要なステップが含まれ、材料が無駄になる。なぜなら、例えば、ＩＣのパッケージにはすでにＩＣが取り付けられる基板が含まれ、この基板にはＩＣを検出器基板上にはんだ付けするために使用されるコンタクトパッドが含まれるからである。

この概要は、詳細な説明で以下にさらに説明される、選択された概念を簡略化された形態で紹介するために提供される。この概要は、クレームされた主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、クレームされた主題の範囲を制限するために使用されることを意図したものでもない。

検出器デバイスを提供することが目的である。この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。いくつかの実施形態は、従属請求項に記載される。一実施形態によれば、デバイスは、Ｘ線またはガンマ線の光子を可視光の光子に変換するように構成されたシンチレータ層と、シンチレータ層によって生成された可視光を電流に変換するように構成されたフォトダイオード層と、フォトダイオード層の下に位置し、電流を受け取って処理するように構成されたＩＣ（集積回路）層と、を備え、ＩＣ層の電気接点は、ワイヤボンディングを使用して前記フォトダイオード層の電気接点に接続され、ＩＣ層の底部が少なくとも部分的に露出されたままである間、ワイヤボンディングは保護材料で覆われている。２つの層のワイヤボンディングにより、追加の基板の必要性が回避される。さらに、ＩＣ層の下部を露出したままにすると、デバイスからの熱伝導が大幅に改善され得る。

第１の態様の別の実施形態では、デバイスは、熱放散を改善するためにＩＣ層の下にヒートシンクをさらに備える。

第１の態様の他の実施形態では、ＩＣ層の底面は、ＩＣ層からヒートシンクへの熱伝導をさらに改善するためにヒートシンクと直接接触している。

さらに、第１の態様の別の実施形態では、ヒートシンクは、補強材として構成されてよく、これは、他の支持構造または厚い剛性基板の必要性を除去する。

第１の態様のさらに別の実施形態では、デバイスは、ＩＣ層内部の電子部品を保護するために、フォトダイオード層とＩＣ層との間にＸ線遮断層を含んでよい。

第１の態様のさらに別の実施形態では、ＩＣ層の電気接点は、フォトダイオード層の電気接点に直接接続され、これにより、デバイスのサイズを縮小することができる。

第１の態様の他の実施形態では、フォトダイオード層は、再分配層をさらに含み、これにより、層の接続をより簡単にすることができ、デバイスの製造を簡略化することができる。

第１の態様の別の実施形態では、ワイヤボンディングは、フィルム支援成形を使用して覆われ、これにより、保護材料の分布をより細かく制御することができる。

さらに、第１の態様の別の実施形態では、ＩＣ層は、積み重ねられたＩＣチップの複数の層を含み、これにより、デバイスをよりコンパクトにすることができる。

他の実施形態は、デバイスによるタイルのアレイを備える検出器、ならびにＸ線源および検出器を備える撮像システムに関する。

付随する特徴の多くは、添付図面に関連して考慮される以下の詳細な説明を参照することにより、よりよく理解されるにつれて、より容易に理解されるであろう。

本説明は、添付図面に照らして読まれる以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。

図１は、一実施形態による、シンチレータ層、フォトダイオード層、基板、Ｘ線阻止層、読み出し集積回路、およびワイヤボンドを示す、放射線検出器デバイスの断面側面図の概略図を示す。 図２は、保護材料がワイヤボンドを覆う、検出器デバイスの別の実施形態の概略図を示す。 図３は、保護材料がワイヤボンドを覆い、デバイスがＩＣチップと直接接触するヒートシンクをさらに含む、検出器デバイスの別の実施形態の概略図を示す。 図４は、ＩＣ層が積み重ねられたＩＣチップの複数の層を含む、検出器デバイスの別の実施形態の概略図を示す。 図５は、Ｘ線遮断層、ＩＣ層、およびワイヤボンドが保護材料で覆われている、放射線検出器デバイスの別の実施形態の概略図を示す。 図６は、デバイスがヒートシンクをさらに含む、検出器デバイスの別の実施形態の概略図を示す。 図７は、一実施形態に構成されたフィルム支援成形プロセスの概略図を示す。 図８は、複数の放射線検出器デバイスを含む放射線検出器アレイの一実施形態の概略図を示す。

同様の参照は、添付図面において同様の部品を示すために使用される。

添付図面に関連して以下に提供される詳細な説明は、実施形態の説明として意図されており、実施形態が構築または利用され得る唯一の形態を表すことは意図されていない。しかしながら、同じまたは同等の機能および構造は、異なる実施形態によって達成されてもよい。

以下の説明において、下、上、および垂直などの方向を示す用語は、デバイスが添付図面に描かれている方向におけるデバイスのさまざまなコンポーネントの相対的な配置を明確に指すためにのみ使用されている。

一実施形態によれば、検出器は、シンチレータ層、フォトダイオード層、基板、および集積回路（ＩＣ）層を含む。シンチレータ層は、入射する高エネルギー電磁放射を可視光に変換し、フォトダイオード層は、可視光を電流に変換する。これらの電流は、導体を使用して基板を通ってＩＣ層に送られ、これらの電流の分析は、ＩＣ層のＩＣチップによって処理される。ＩＣチップは、別個に製造された独立したＩＣデバイスを指す場合がある。たとえば、これらのチップは、単純なＡ／Ｄコンバータまたはより複雑な特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり得る。

ＩＣチップのコネクタは、ワイヤボンディングを使用して基板層の導体に接続される。ワイヤボンドは、保護材料で覆うことにより、腐食、機械的ひずみ、および短絡から保護される。ただし、フォトダイオード層およびＩＣチップによって生成される熱の放散を妨げないように、保護材料は、ワイヤボンドを十分に保護しながら、ＩＣチップの一部をできるだけ小さくカバーする。ＩＣ層の一部が露出しているため、ヒートシンクは、ＩＣ層の底面と直接接触することができる。さらに、ヒートシンクは、デバイス全体に構造的支持を提供し、デバイスを平坦に保つ補強材として構成することができる。

パッケージ化されたＩＣチップが伝統的に基板にはんだ付けされるときに、パッケージングは、実際のＩＣがワイヤボンドされる基板を含み、この基板は、はんだ付けに使用されるコンタクトパッドを含む。ＩＣチップがワイヤボンディングを使用してフォトダイオード層のピクセルに直接接続されるので、いかなる追加の基板も必要ない。したがって、製造に必要な材料が少なくなり、デバイスのコストおよびサイズを削減できる。さらに、ワイヤボンドを保護しながらＩＣチップの表面を露出したままにすることができるので、デバイスの放熱能力を向上させることができる。最後に、ヒートシンクが補強材として使用されるので、追加の支持構造または剛性のあるセラミック基板が不要になり、デバイスのコストおよびサイズをさらに削減できる。

図１は、一実施形態による、シンチレータ層１１、フォトダイオード層１、基板２、Ｘ線遮断層３、２つのＩＣチップ４、およびワイヤボンド５を示す、部分的に組み立てられた放射線検出器デバイスの断面側面図の概略図を示す。

シンチレータ層１１は、Ｘ線またはガンマ線などの高エネルギー電磁放射を可視光に変換するように構成される。次に、フォトダイオード層１は、これらの可視光の光子を電荷に変換するように構成される。フォトダイオード層１に垂直方向にバイアス電圧を印加すると、発生した電荷がバイアスに沿って移動し、電流が発生する。電荷の生成率は入射する電磁放射の強度に依存するので、生成される電流は、フォトダイオード層１の異なる部分で異なる。したがって、フォトダイオード層１の下に導電体のアレイを導入することにより、電流分布を測定することができ、この情報を使用して、各導電体の電流量が画像のピクセルとして機能する入射高エネルギー放射の画像を作成することができる。

フォトダイオード層１が堆積される基礎であることに加えて、フォトダイオード層１の下の基板２はまた、導体をフォトダイオード層１のピクセルから基板２の底側の電気接点に経路指定する再分配層として機能する。これらの接点は、ＩＣ層内のＩＣチップ４の接点の位置と互換性があるように配置される。さらに、ＩＣチップ４からの出力信号は、例えば、基板２を覆うＩＣチップがない基板２の底面領域に追加のコネクタを導入することにより、基板層２を使用してデバイスから経路指定することもできる。ＩＣチップがフォトダイオード層のピクセルに電気的に接続されるように、ＩＣチップ４の電気接点は、ワイヤボンド５を使用して基板の底面の接点に接続される。２つのＩＣチップ４のみが図示されているが、これは単なる例であり、ＩＣチップの数は一般に著しく多くなり得ることに留意されたい。ワイヤボンド５も同様である。各ＩＣチップに対して２つのワイヤボンド５のみが示されているが、一般に、単一のＩＣチップ４をフォトダイオード層のピクセルに接続するためには、はるかに多くのワイヤボンドが必要である。さらに、ＩＣチップ内部の電子機器を高エネルギー電磁放射から保護するために、基板２とＩＣチップ４との間にＸ線遮断層３がある。この層は、例えば、タングステンを含むことができる。

図２は、一実施形態による、図１のものと同様のさらに組み立てられた放射線検出器デバイスの断面側面図の概略図を示す。しかしながら、今やワイヤボンド５は保護材料６で覆われている。

保護材料６は、腐食、機械的ひずみ、および短絡からワイヤボンド５を保護する。材料６は、ワイヤボンド５と、ワイヤボンド５の近くにある基板２、Ｘ線遮断層３、およびＩＣチップ４の一部のみを覆い、基板２およびＩＣチップ４の表面領域のほとんどは露出したままである。保護材料の分布のこのタイプの正確な制御は、例えば、フィルム支援成形（ｆｉｌｍ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｍｏｕｌｄｉｎｇ，ＦＡＭ）を使用することにより達成できる。

図３は、一実施形態による、完全な放射線検出器デバイスの断面側面図の概略図を示す。図２の装置と比較して、このデバイスは、ヒートシンク７をさらに含む。

保護材料６はＩＣチップ表面のごく一部を覆うだけなので、ヒートシンク７は、ＩＣチップ４の表面と直接接触することができる。このようにして、ＩＣチップからヒートシンクへの改善された熱伝達が可能であり、したがって、デバイス全体の熱放散が改善される。さらに、ヒートシンクは、デバイスに構造的支持を提供してデバイスをフラットに保つ補強材として機能するように構成することができ、これにより、剛性の高いセラミック基板などのいかなる追加の構造的支持も不要になる。

図４は、一実施形態による、複数のＩＣチップ４’が互いの上に積み重ねられ、各積み重ねられたチップのペア間のスペーサ８を使用してチップ４’が互いに分離している、放射線検出器デバイスの断面側面図の概略図を示す。

単一のＩＣチップと同様に、積み重ねられたＩＣチップ４’の各々は、基板２の底側の電気接点にワイヤボンディングされる。さらに、単一のＸ線遮断層３のみが、ＩＣチップ４’のスタックと基板２との間に使用される。図では２つの積み重ねられたＩＣチップ４’のみが示されているが、これは単なる例であり、積み重ねられたＩＣチップ４’の数はより多くあり得る。

複数のＩＣチップを互いに積み重ねることにより、積み重ねられていない構成と比較して、チップが占める総表面積を減らすことができる。したがって、例えば、使用する必要がある保護材料はより少量であり、基板のサイズをより小さくすることができ、それにより、製造コストを削減することができ、より小さいデバイスを可能にすることができる。

図５は、一実施形態による、ワイヤボンド５に加えて、ＩＣチップ４の全表面領域を保護材料６が覆う、部分的に組み立てられた放射線検出器デバイスの代替実施形態の断面側面図の概略図を示す。

ＩＣチップ４全体が保護材料で覆われているので、保護材料の分布は、図３に示された実施形態のように正確に制御される必要はない。したがって、製造プロセスは、以前に示された実施形態よりも大幅に単純化することができる。

図６は、一実施形態による、保護材料６がＩＣチップ４の全表面領域を覆い、デバイスがヒートシンク７をさらに含む、放射線検出器デバイスの代替実施形態の断面側面図の概略図を示す。

保護材料６がＩＣチップ４の全面を覆っているので、ヒートシンク７は、ＩＣチップ４と直接接触することができない。したがって、このデバイスの熱放散は、図３に示される実施形態よりも悪い。しかしながら、上述の保護材料の成形がより容易であることに加えて、ヒートシンク７を平坦な表面上に取り付けることは著しく容易であり得て、それは製造プロセスをさらに単純化することができる。また、ヒートシンク７の上面も平坦にすることができ、ヒートシンクの製造を単純化することができる。

図７は、一実施形態による、フィルム支援成形（ＦＡＭ）プロセスの概略図を示す。このプロセスには、基板２、ＩＣチップ４、ワイヤボンド５、保護材料６、２つのテフロン（登録商標）ベースのフィルム８、２つの金型９、および動的インサート１０が含まれる。

ＦＡＭプロセスでは、テフロン（登録商標）ベースのフィルム８は、金型９の内面に吸い込まれる。動的インサート１０をＩＣチップ４に押し付け、インサートの圧力を継続的に監視および調整しながら、金型に保護材料を充填する。その過程で、保護材料６が硬化し、動的インサート１０に起因して、ＩＣチップ４の上面は露出したままとなる。

図８は、一実施形態による、放射線検出器デバイス１００のアレイの概略図を示す。アレイのデバイス１００の数およびアレイの形状は異なり得ることに留意されたい。

上述の利益および利点は、一実施形態に関係する場合もあれば、いくつかの実施形態に関係する場合もあることが理解されよう。実施形態は、述べられた問題のいずれかまたはすべてを解決するもの、または述べられた利益および利点のいずれかまたはすべてを有するものに限定されない。「ａｎ」アイテムへの言及は、それらのアイテムのうちの１つまたは複数を指すことがさらに理解されよう。

本明細書に記載される方法のステップは、任意の適切な順序で、または必要に応じて同時に実行されてもよい。さらに、本明細書で説明する主題の精神および範囲から逸脱することなく、方法のいずれかから個々のブロックを削除してもよい。求められる効果を失うことなく、さらなる例を形成するために、上記の例のいずれかの態様を、記載された他の例のいずれかの態様と組み合わせてもよい。

「含む」という用語は、ここでは、識別された方法、ブロックまたは要素を含むことを意味するために使用されるが、そのようなブロックまたは要素は排他的なリストを含まず、方法または装置は追加のブロックまたは要素を含み得る。

上記の説明は例としてのみ与えられたものであり、当業者によってさまざまな修正がなされ得ることが理解されるであろう。上記の仕様、例、およびデータは、例示的な実施形態の構造および使用の完全な説明を提供する。さまざまな実施形態をある程度の特殊性を用いて、または１つまたは複数の個々の実施形態を参照して上記で説明したが、当業者は、本明細書の精神または範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に多数の変更を加えることができる。

Claims (12)

1. デバイスであって、
   Ｘ線またはガンマ線の光子を可視光の光子に変換するように構成されたシンチレータ層と、
   前記シンチレータ層によって生成された可視光を電流に変換するように構成されたフォトダイオード層と、
   前記フォトダイオード層の下に位置し、電流を受け取って処理するように構成されたＩＣ（集積回路）層と、
   を備え、
   前記ＩＣ層の電気接点は、ワイヤボンディングを使用して前記フォトダイオード層の電気接点に接続され、
   前記ＩＣ層の底部が少なくとも部分的に露出されたままである間、前記ワイヤボンディングは保護材料で覆われている、デバイス。
2. 前記デバイスは、前記ＩＣ層の下にヒートシンクをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記ＩＣ層の底面は、ヒートシンクと直接接触している、請求項１または２に記載のデバイス。
4. ヒートシンクは、補強材としてさらに構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の、デバイス。
5. 前記デバイスは、前記フォトダイオード層と前記ＩＣ層との間にＸ線遮断層をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のデバイス。
6. 前記ＩＣ層の電気接点は、前記フォトダイオード層の電気接点に直接接続される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のデバイス。
7. 前記フォトダイオード層は、再分配層をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のデバイス。
8. 前記ワイヤボンディングは、フィルム支援成形を使用して覆われる、請求項１〜７のいずれか１項に記載のデバイス。
9. 前記ＩＣ層は、積み重ねられたＩＣチップの複数の層を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のデバイス。
10. 前記デバイスはタイルを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイス。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のタイルのアレイを含む検出器。
12. 高エネルギー放射線源と、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の検出器と、
    を含む、イメージングシステム。

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