JP4799746B2

JP4799746B2 - 放射線検出器モジュール

Info

Publication number: JP4799746B2
Application number: JP2001058718A
Authority: JP
Inventors: 広人鈴木; 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: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: JP2002257936A

Description

【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１１−２８７８６３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１９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１４、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１４，１５（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２１Ｂ、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５２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、ＡＦＣ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。

Claims

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おり、
前記フォトダイオードが作り込まれた前記半導体基板自体が、当該放射線検出器モジュールの基体となっている、
ことを特徴とする放射線検出器モジュール。
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。
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。
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。
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。
前記信号処理回路用チップの電極パッドは、前記信号処理回路用チップの主面から突出して形成されており、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。
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。