KR20080106453A - 방사선 디텍터 어레이 - Google Patents

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KR20080106453A
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KR
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radiation detector
radiation
detector
signal processing
processing electronics
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KR1020087023604A
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English (en)
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랜덜 피. 루터
마크 에이. 채퍼
브라이언 이. 하우드
로드니 에이. 맷슨
크리스 존 브레터스
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Publication date
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Abstract

특히 컴퓨터 단층촬영(computed tomography)에 적합하게 된 방사선 감지 모듈(22)로서 신틸레이터(scintillator)(200), 포토디텍터 어레이(202), 그리고 시그널 처리 전자기기(205)를 포함한다. 포토디텍터 어레이(202)는 다수의 포토디텍터들과 기재(208)의 비-조명된 면 상에 제조된 금속 코팅(metalization)(210)을 가지는 반도체 기재(208)를 포함한다. 금속 코팅은 포토디텍터들과 시그널 처리 전자기기(205) 사이의 그리고 시그널 처리 전자기기(205)와 전기 커넥터(209) 사이의 전기 시그널들을 인도한다.

Description

방사선 디텍터 어레이{RADIATION DETECTOR ARRAY}
본 발명은 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템들에서의 사용을 위한 x-레이 디텍터 어레이에 관련한 것이다. 본 발명은 또한 x-방사선 이외의 방사선 감지에 응용을 가지며, 방사선 감응(sensitive) 디텍터들의 어레이들이 요구되는 다른 의료 및 비-의료 응용들에서도 그 응용성 있다.
CT 스캐너들은 물체의 내부 구조를 표시하는 정보를 제공하는 데에 매우 가치가 있다는 것을 증명해왔다. 예를 들어, 의료 이미징에서, CT 스캐너들은 인간 환자들의 생리기능을 표시하는 이미지 및 다른 정보를 제공하는데 광범위하게 사용된다. 슬라이스들 또는 채널들의 수를 증가시키는 것이, 심장 및 해부학적 요소의 움직이는 부분들을 스캔하는 향상된 능력, 보다 짧은 스캔 시간, 향상된 스캐너 처리량, 향상된 축상 해상도 및 커버리지등과 같은, 다수의 이점들을 가질 수 있기 때문에, 다중-슬라이스 CT의 빠른 채택이 최근에 보여져 왔다.
그러나, 이런 경향의 한 가지 결과는, 필수 x-레이 디텍터들이 계속하여 복잡하고 비씨게 되어왔다는 점이다. 실제로, 디텍터는 CT 스캐너의, 비록 가장 비싼 컴포넌트는 아니더라도, 가장 비싼 컴포넌트들의 하나가 종종 된다. 한 예를 들자면, 현재 기술의 CT 스캐너들은 하나의 갠트리(gantry) 회전(revolution)에서 128개 만큼 많은 슬라이스들을 획득하도록 디자인되며 예시 디텍터 시스템은 80,000 위의 개개의 디텍터 엘리먼트들 또는 픽셀들을 요구할 수 있다.
상황은 어레이에서의 픽셀들 사이의 갭들 또는 공간들이 이미지 품질에 해로운 영향을 끼칠 수 있다는 사실에 의해서 더 복잡하게 된다. 이 요구사항들은 디텍터 시그널들을 인도(routing)하기 위한 그리고, 유리하게 디텍터들 뒤의 공간에 위치되는, 요구되는 판독(readout) 전자기기를 위해 사용 가능한 공간을 제약하는 경향이 있다.
다중 슬라이스 CT 스캐너들에서의 사용에 적합한 2-차원(2D) 디텍터 시스템은, Solid State X-Radiation Detector Modulus and Mosaics Thereof, and Imaging Method and Apparatus for Employing Same이라는 제목의 미 특허 번호 6,510,195에 개시되며, 이 특허는 본 명세서에 전체가 참조로 병합된다. 특허에서 보다 자세하게 논의된 바와 같이, 이러한 시스템의 디텍터 모듈들은 광다이오드 어레이와 광학적으로 연결되는 신틸레이터(scintillator)를 포함한다. 광다이오드 어레이의 비-조명 면 상에 위치된 다수의 금속 패드들을 가지는 금속 층은 다양한 광다이도드들과 전기적 접촉을 제공한다. 패드들은 광다이오드들의 피치와 간격에 일치된다(conform). 따라서, 패드들은 한편 별개의 캐리어 기재에 범프 본딩(bump bonded)되어 왔다. 캐리어 기재는, 한편 회로 패턴으로 배열되고 기재의 다른 면 상에서 접촉 패드들에 연결된 다수의 전도성 층들을 포함해왔다. 접촉 패드들은 판독 전자기기를 위한 연결 포인트들을 제공한다. 또 다른 개시된 실시모드에서, 광다이오드들의 피치와 간격과 매칭하는 입력 연결들을 가진 ASIC가 패드들에 직접 연결되어왔다. 다수의 디텍터 모듈들이 2D 타일된(tiled) 어레이를 형성하기 위해 조립되어 왔다.
이러한 디텍터 시스템이 실제로 효과적인 한편, 향상의 여지가 남아있다. 예를 들어, 디텍터의 비용을 더 감소시키며, 제조 프로세스를 단순화하고, 디텍터 디자인의 유연성과 신뢰성을 향상시키는 것이 바람직한 것으로 남아있다.
본 발명의 양상들을 이러한 문제 그리고 다른 것들을 다룬다.
본 발명의 제 1 양상에 따라서, 방사선 디텍터는 신틸레이터, 포토디텍터 어레이, 그리고 시그널 처리 전자기기를 포함한다. 포토디텍터 어레이는 신틸레이터와 광학적으로 연결하는 다수의 포토디텍터 엘리먼트들과, 신틸레이터를 마주보는 반도체 기재의 한 면에 형성되는 금속 코팅을 포함하는 반도체 기재를 포함한다. 시그널 프로세싱 전자기기는 신틸레이터를 마주보는 포토디텍터 어레이의 한 면 상에 탑재된다. 금속 코팅은 포토디텍터에 전기적으로 연결되는 제 1 다수의 접촉부들과, 제 1 다수의 접촉부들 및 시그널 처리 전자기기와 전기적으로 연결하는(in electrical communication) 제 2 다수의 접촉부들을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 방사선 디텍터들은 방사선 수용 면과 방사선 수용 면에 의해서 받아진 방사선을 감지하는 방사선 민감 디텍터의 2차원 어레이를 가지는 반도체 기재를 포함한다. 디텍터는 방사선 수용 면을 마주보는 반도체 기재의 한 면 상에 형성된 금속 코팅을 포함하며, 금속 코팅은 제 1 접촉부들과 제 2 접촉부들을 포함한다. 제 1 접촉부들은 포토디텍터 엘리먼트들의 어레이에 전기적으로 연결되며 금속 코팅은 제 1 접촉부들로부터 제 2 접촉부들로 전기 시그널들을 인도하도록(route) 구성된다.
또 다른 양상에 따라, 장치(apparatus)는 검사 지역, 검사 지역에서 물체를 지지하는 물체 지지대, 그리고 2 차원 어레이로 배열된(disposed) 다수의 방사선 디텍터 모듈들을 포함한다. 디텍터 모듈들은 검사지역을 대면하는 방사선 수용 면을 가지는 반도체 기재를 포함하는 포토디텍터 어레이와 방사선 민감 디텍터들의 어레이를 포함한다. 디텍터 모듈들은 또한 반도체 제조 테크닉을 사용하여 방사선 수용 면을 마주보는 반도체 기재의 면 상에 형성된 적어도 제 1 전기 시그널 인도 층과 포토 디텍터 어레이에 상에 탑재된 시그널 처리 전자기기(205)를 포함한다. 상기 적어도 제 1 시그널 인도 층은 물리적으로 반도체 기재와 시그널 처리 전자기기의 사이에 위치되며, 상기 적어도 제 1 전기 시그널 인도 층은 시그널 처리 전자기기에 전기적으로 연결된다.
당업자는 첨부된 도면들과 설명을 읽고 이해할 때 본 발명의 또 다른 양상들을 주지하게 될 것이다.
본 발명은 제한이 아닌 예시의 방식으로 수반하는 도면들의 그림들에서 설명되며, 도면들에서 동일한 참조 번호들은 비슷한 엘리먼트들을 표시한다.
도 1은 CT 스캐너를 도시하는 도면.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 디텍터 모듈을 도시하는 도면.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d는 포토디텍터 어레이 및 특정 관련된 컴포넌트들을 도시하는 도면.
도 4는 디텍터 모듈을 도시하는 도면.
도 5는 디텍터 모듈을 제조하는 단계들을 도시하는 도면.
도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d 및 도 6e는 그 제조의 다양한 단계들 동안 디텍터 모듈을 도시하는 도면.
도 7a 및 도 7b는 디텍터 모듈에 대한 커버 배열을 도시하는 도면.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 디텍터 조립체를 도시하는 도면.
도 9a, 도 9b, 및 도 9c는 디텍터 조립체를 도시하는 도면.
도 10a 및 도 10b는 디텍터 하위-조립체(subassembly)를 도시하는 도면.
도 11은 아치형(arcuate) 디텍터의 부분을 형성하기 위해 배열된 디텍터 하위-조립체들을 도시하는 도면.
도 1에 참조하여, CT 스캐너(10)는 검사 지역(14) 주위로 회전하는 회전 갠트리 부분(18)과 정지 갠트리 부분(19)을 포함한다. 회전 갠트리(18)는 x-레이 튜브와 같은 방사선 소스(12)를 지지한다. 회전 갠트리(18)는 또한 검사 지역(14)의 마주 보는 면에서 아크(arc)를 한정하는(subtends) x-레이 민감 디텍터(20)를 지지한다. X-레이 소스(12)에 의해서 생성된 x-레이는 검사 지역(14)을 횡단하여 디텍터(20)에 의해서 감지된다. 물체 지지대(16)는 검사 지역(14)에서 인간 환자와 같은 물체를 지지한다. 지지대(16)는 나선형 스캐닝을 제공하도록 바람직하게 갠 트리(18)의 회전에 조화하여(in coordination) 이동 가능하다.
디텍터(20)는 다수의 디텍터 모듈들(22)을 포함하며, 각 모듈(22)은 방사선 민감 디텍터 픽셀들의 어레이를 포함한다. 다수의 디텍터 모듈들(22)은 일반적으로 아치형의, 2차원 타일형태 디텍터 어레이를 형성하도록 배열되며, 이 어레이에서 다양한 디텍터 모듈들(22)의 안의 픽셀들이 인접하거나 아니면 하나 또는 그 이상의 인접한 모듈들(22)에서 픽셀들에 실질적으로 인접한다. 아래에 더 논의될 바와 같이, 디텍터 모듈들(22)은 이점 적으로 하나 또는 그 이상의 금속 층들과 이들의 비-조명 면 상에 제조된 상응하는 전기 접촉부들을 가지는 백(back) 조명된 광다이오드(BIP) 어레이들을 사용하여 제조된다. 디텍터 어레이에 탑재되고 접촉부에 연결된 판독 전자기기는 포토디텍터들에 의해서 생성된 상대적으로 낮은 레벨 아날로그 시그널들을 디지털 시그널로 변환시키는 멀티플렉서들(multiplexers), 증폭기들, 아날로그-디지털 변환기들 등을 제공한다.
한 구현에서, 디텍터(20)는 128 또는 그 이상의 슬라이스들을 포함한다. 디텍터 모듈들(22) 또는 이 안에 포함된 디텍터 픽셀들이 디텍터 어레이가 불규칙하게 되도록 배열될 수 있다는 것이 주의되어야 한다. 예를 들어, 하나 또는 이상의 행들과 열들에서의 픽셀들이 서로에 대해서 오프셋될 수 있다. 디텍터(20)가 360도의 아크 범위에 걸치며(span) x-레이 소스(12)가 회전하는 동안 플랫 패널 디텍터처럼 정지상태로 머무르는, 소위 제 4 세대 스캐너 구성이 또한 구현될 수 있다. 보다 많거나 또는 보다 적은 수의 슬라이스들을 가지는 디텍터가 같은 식으로 구현될 수 있다.
바람직하게 회전 갠트리(18)에 탑재되는 데이터 획득 시스템(24)은 다수의 디텍터 모듈들(22)로부터 출력 시그널들을 받으며, 추가적인 멀티플렉싱, 데이터 통신 및 이외 같은 기능성들을 제공한다. 리컨스트럭터(26)는 검사 하의 물체의 부피측정(volumetric) 이미지 데이터를 형성하기 위해 디텍터(20)에 의해서 얻어진 데이터를 재구성한다.
범용 컴퓨터는 오퍼레이터 콘솔(44)로서 사용된다. 콘솔(44)은 모니터 또는 디스플레이와 같은 인간-판독 출력 디바이스와 키보드 및 마우스와 같은 입력 디바이스를 포함한다. 콘솔에 탑재된 소프트웨어는 오퍼레이터가 원하는 스캔 프로토콜을 확립하고 스캔을 개시하고 종료하며, 관찰하며, 다른 식으로 부피측정적 이미지 데이터를 조작하고, 그리고 다른 식으로 스캐너와 상호 작용함으로써 스캐너의 작동을 제어하는 것을 허용해준다.
컨트롤러(28)는, x-레이 소스(12) 패러미터들을 포함하는, 원하는 스캔 프로토콜을 수행하는데 필요한 다양한 스캔 패러미터들, 환자 카우치(16)의 이동, 그리고 데이터 획득 시스템(26)의 작동을 조율한다.
예시 디텍터 모듈(22)은 도 2a, 도 2b, 및 도 2c에 도시된다. 모듈(22)은 신틸레이터(200), 포토디텍터 어레이(202), 커버(203), 판독 또는 시그널 처리 전자기기(205), 그리고 하나 또는 그 이상의 커넥터들(209)를 포함한다.
신틸레이터(200)는 입사 방사선(204)에 반응하여 신틸레이터(200)에 의해서 생성된 광이 포토디텍터 어레이(202)의 광 수용 면(207)에 의해서 받아들여지도록 포토디텍터 어레이(202)와 광학적으로 연결된다.
포토디텍터 어레이(202)는 반도체 기재(208)와 금속 코팅(210)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기재(208)는, 반도체(208)가 어레이에서 광다이오드의 애노드들(212)과 다른 컴포넌트들을 제공하기 위해 도핑되는(doped) 종래의 BIP 어레이를 형성한다.
기재(208)의 비-조명 면 상에 형성되는 금속 코팅(210)은 광다이오드들과 판독 전자기기(205)사이에서 뿐만 아니라 판독 전자기기(205)와 커넥터(들)(209) 사이에서 원하는 전기적 상호 연결들과 시그널 인도를 제공한다. 금속 코팅(210)은 바람직하게 포토디텍터 어레이(202)의 제조의 부분으로서 종래 CMOS 또는 다른 반도체 프로세싱 테크닉들을 사용하여 형성된다. 보다 특정적으로, 금속 코팅(210)은 BIP 어레이(208)의 제조와 동일한 클린 룸 환경에서 도포되는 교대하는 절연 및 금속 층들을 포함한다. 금속 층들은 전형적으로 알루미늄 또는 구리와 같은 도체로부터 제조되며, 반면에 절연체(insulator)는 전형적으로 실리콘 산화물(SiO), 실리콘 이산화물(SiO2), 폴리이미드, 또는 다른 적합한 절연체로 제조된다. 어떤 경우에든, 원하는 금속 또는 절연체의 균일한 코팅이 도포되며, 층은 원하는 회로 패턴을 형성하기 위해 리쏘그래픽 방법들을 사용하여 패터닝된다. 프로세스는 원하는 수의 금속 코팅 층들이 제공될 때 까지 반복된다. 비어들(vias)은 다양한 금속 층들 사이에 전기적 연결들을 제공한다.
도시된 바와 같이, 금속 코팅(210)은 제 1(2101), 제 2(2102), 그리고 제 3(2103) 금속 층들을 포함한다. 절연 층들은 명확성의 목적으로 도시되지 않는다. 제 1 금속 코팅 층(2101)은 어레이의 광다이오드들에 전기적으로 연결된 연결 패드들(214)과 원하는 대로 광다이오드 출력 시그널들을 인도하는 전도성 회로 트레이스(221)들을 포함한다. 제 2 금속 코팅 층(2102)은 또한 연결 패드들(216, 219)을 포함하며, 이들은 포토디텍터 어레이(202)의 후미(228)로부터 그리고 회로 트레이스들로부터 접근 가능하다. 제 3 금속 코팅 층(2103)은 접지 평면으로 작용한다. 비어들(299)은 요구되는 바대로 층들 사이에서 시그널들을 인도한다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 비어들은 시그널들을 제 1 층(2101)으로부터 제 2 층(2102)의 트레이스들 및/또는 패드들로 판독 전자기기(205)의 입력으로의 연결을 위해 인도한다. 이러한 점에서, 제 1 층(2101)의 패드들(214)과 트레이스들(221)이 이들 사이의 연결들의 도시를 용이하게 하기 위해 상이한 평면들 또는 레벨들 상에 있는 것으로서 도시된다는 것이 주의되어야만 한다. 제 2 층(2102)도 비슷하게 도시된다. 실시에서, 각 층은 보통 실질적으로 평면적이다.
특정적으로 특정 용도 집적 회로(ASIC)(206)와 같은 컴포넌트들과 저항, 커패시터, 또는 다른 패시브 또는 액티브 회로와 같은 이산(discrete) 컴포넌트들(209)을 포함하는, 판독 전자기기(205)가 연결 패드들에 장착된다. 도 2A 및 도 2B에 도시된 바와 같이, ASIC(206)는 와이어 본드들(218)을 통해 패드들(216)에 전기적으로 연결되며, 패드들은 ASIC(206)의 기하학적 구조 및 핀아웃(pinout)에 일치한다. 또한 다른 패드들(217)도 컴포넌트들(209)의 기하학적 구조 및 핀아웃에 일치하며, 컴포넌트들은 다시 납땜되거나 아니며 다른 식으로 이들 각기의 패드들(217)에 연결된다. 또한 도시된 바와 같이, 커넥터(들)(209)는 납땜 조인트들(220)을 통해 연결되거나, 또는 다른 식으로 커넥터(들)(209)의 기하학적 구조 및 핀아웃에 일치하는 패드들(219)에 연결된다.
이러한 구성의 특정한 장점은, 판독 전자기기(205)의 레이아웃 및 다른 요구사항에 일치하는 전기적 상호 연결이 비교적 저렴하게 적용될 수 있다는 것이다. 게다가, 금속 코팅(210)은 다양한 상호연결들을 제공하거나, 아니면, 도 2에 도시된 바와 같이, 이를 완전히 대신하는데 사용되어 온 캐리어 기재의 복잡성을 감소시킬 수 있다.
텅스텐, 몰리브덴, 또는 납과 같은 방사선 감쇄 물질로 만들어지며 포토디텍터 어레이(202)와 ASIC(206) 사이에 위치되는 방사선 쉴드 층(222)은 다른 식으로 신틸레이터(200) 또는 포토디텍터 어레이(202)에 의해서 흡수되지 않은 이온화(ionizing) 방사선의 유해한 효과로부터 ASIC(206)을 보호하기 위해 제공될 수 있다. 정전기 쉴드(224)가(도시의 용이를 위해 도 2a에서 생략됨) 또한 디텍터 모듈(22)의 후미로부터 입사하는 전기장들의 유해한 효과들로부터 판독 전자기기(205)의 일부 또는 전체를 차폐하기 위해서 제공될 수 있다. 쉴드(224)와 ASIC(206) 사이에, 및/또는 쉴드(224)와 커버(203) 사이에 위치된 열적 전도성 에폭시(226)의 층이 ASIC(206)에 의해서 생성된 열의 소산을 용이하게 해준다.
커버(203)는 전기 회로(205) 및 포토디텍터 어레이(202)의 비-조명된 면(228)을 보호하는 역할을 한다. ASIC(206)에 의해서 생성되는 열의 소산을 더 돕기 위해, 커버(203)는 알루미늄, 열적 전도성 세라믹, 또는 다른 열적 전도성 물질로부터 제조될 수 있다. 커버(203)와 포토디텍터 어레이(202)의 비-조명된 면(228) 사이의 공간에 위치된 에폭시 또는 비슷한 화합물과 같은 인캡슐런트(encapsulant)(230)가 (도시의 용이를 위해 도 2a에서 도시되지 않음) 구조적 튼튼함을 제공하고 한편으로는 오염물들로부터 판독 전자기기(205)를 보호한다.
도시된 바와 같이, 판독 전자기기(205)와 커넥터들(209)은 포토디텍터 어레이의 방사선 수용 면(207)에 의해서 정의된 경계 지워진 평면에 위치된다. 주지될 바와 같이, 이러한 구성은 타일형태 디텍터 어레이들의 형성(construction)을 용이화한다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 상세하게 포토디텍터 어레이(202)와 제 1(2101), 제 2(2102), 제 3(2103) 금속 코팅 층들의 예시 경로를(routing) 도시한다. 도 3B에 참조하여, 제 1 금속 코팅 층(2101)의 트레이스들은 상대적으로 낮은 레벨 아날로그 시그널들을 다양한 광다이오드 접촉부들(214)로부터 제 2 금속 코팅 층(2102)에의 원하는 연결 패드들(216)의 근처로 인도한다. 비어들은 제 1 층의 트레이스들을 제 2 금속 코팅 층(2102)의 상응하는 트레이스들에 연결하며, 제 2 금속 코팅 층의 트레이스들은 다음으로 패드들(216)에 연결된다. 도 3c에 참조하여, 제 2 금속 코팅 층(2102)의 트레이스들은 패드들(216)과 커넥터(들)(209)의 기하학적 구조 및 핀아웃에 일치하는 연결 패드들(219) 사이에서 일반적으로 더 높은 레벨의 전력과 디지털 판독 시그널들을 인도한다. 다른 회로 엘리먼트들 또는 컴포넌트들로의 그리고 이들로부터의 시그널들은 비슷하게 인도될 수 있다. 게다가, 시그널들은 또한 광다이오드(214)와 커넥터(219) 사이에 직접 인도될 수도 있다. 도 3d에 참조하여, 제 3 금속 코팅 층(2103)은 바람직하게 제 1(2011) 와 제 2(2102) 금속 코팅 층들 사이에 위치되며 전기적으로 접지에 연결된 접지 평면 또는 쉴드(316)를 포함한다.
주지될 바와 같이, 상대적으로 낮은 레벨 디텍터 시그널들을 전원 및 디지털 시그널들로부터 분리시키는 것은 이들 사이의 원치 않는 커플링을 감소시키게 된다. 다소간의 수의 금속 코팅 층들(210){즉, 하나(1), 둘(2), 또는 네 개(4) 이상의 층들}이 구현될 수 있으며, 이는 이러한 층들(210)의 수 및 구성과 이들 사이의 연결들이 일반적으로 원하는 상호 연결들의 밀도 및 복잡성, 다양한 전기 시그널들의 특성, 그리고 원하는 이들 사이의 쉴딩(shielding)의 함수이기 때문이다.
ASIC(206)가 그 상응하는 패드들(216)에 와이어-본딩되는 것으로 기술되었지만, 이는 또한 플립(flip) 칩이거나 또는 도4에 도시된 바와 같은 납땜 범프들(402)을 사용하여 적합하게 구성된 연결 패드들(216)에 범프 본딩될(bump-bonded) 수도 있다.
디텍터 모듈(22)의 제조가 이제 도 5 및 도 6을 참조하여 기술될 것이다.
단계(502)에서, 그리고 도 6a에 참조하여, 기재(208)가, 예를 들어 종래의 BIP 어레이를 만들기 위해서, 프로세스된다.
단계(504)에서, 그리고 도 6b에 참조하여, 원하는 금속 코팅(210)이 포토디텍터 어레이(202)를 형성하기 위해 기재(208)의 비-조명된 면에 도포된다.
단계(506)에서, 그리고 도 6c에 참조하여, 판독 전자기기(208)의 다양한 컴포넌트들이, 예를 들어 판독 전자기기(205)와 커넥터들(209)이 금속 코팅(210)의 후미 표면(228) 상에 형성되는 상응하는 패드들(216, 217, 219)에 납땜되는 리플로우(reflow) 납땜 작업에 의해서, 포토디텍터 어레이(202)의 후면에 부착된다. ASIC(206) 또는 다른 컴포넌트들이 와이어 본드들(218)을 통해 연결되는 경우, 원하는 와이어 본드들이 또한 적용된다. 사용되는 경우, 방사선 쉴드(222)가 적용될 수 있는, 납땜 또는 와이어-본딩 작업 이전에 보통 설치될 것이다. 전도성 에폭시 또는 다른 적합한 물질이 또한 원하는 경우 땜납 대신에 사용될 수도 있다는 것이 주지된다.
단계(508)에서, 그리고 도 6d에 참조하여, 열적 전도성 접착제(226)와 정전기 쉴드(224)가(만일 있다면) 적용되며, 커버(203)가 설치된다.
단계(510)에서, 그리고 도 6e에 참조하여, 인캡슐런트(230)가 커버(203)와 어레이(202)의 후면 사이의 공간 또는 공간들에 주입된다.
단계(512)에서, 신틸레이터(200)가, 만일 있다면, 어레이(202)의 광 수용 면(207)에 부착된다.
도 7a 및 도 7b는 대안적 커버 배열들을 도시한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 커버(203)는 제 1 커버 부분(203a)과, 열적 전도성 커버 부분(203b)으로부터 형성된다. 제 1 커버 부분(203a)은 사출 몰딩되거나, 플래스틱 또는 다른 폴리머 와 같은 상대적으로 값이 싼 물질로부터 다른 식으로 제조된다. 열적 전도성 부분(203b)은 알루미늄 또는 열적 전도성 세라믹과 같은 상대적으로 보다 열적으로 전도성있는 물질로부터 제조된다. 제 1(203a) 및 제 2(204b) 부분들은 제 1 부분(203a)의 제조 이후에 연결된다. 대안적으로, 제 1 커버 부분(203a)이 열적 전도성 커버 부분(203b) 주위에 몰딩되거나 또는 다른 식으로 형성될 수 있다. 어떤 경우에서든, 열적 전도성 부분(203b)은 바람직하게 ASIC(206) 또는 판독 전자기기(205)의 다른 원하는 부분들에 의해서 생성된 열의 소산을 돕는 상대적으로 효율적인 열적 전도성 경로를 제공하도록 구성된다.
도 7b에 참조하여, 디텍터 모듈(22)은 도 7a에 관련하여 위에 기술된 열적 전도성 커버 부분(203b)과 유사한 열적 전도성 부재(702)가 제공된다. 전도성 부재(203b)의 설치 이후에, 폴리머 또는 인캡슐런트와 같은 보호 커버링(704)이 다음으로 디텍터 모듈(22)의 후미에 몰딩되거나 다른 식으로 부착된다.
한편 다른 변형들이 가능하다. 예를 들어, 포토디텍터 어레이(202)가 광다이오드 전기적 연결들이 어레이의 조명 면 상에 형성되는 전면 조명 광다이오드들을 사용하여 구현될 수 있다. 이러한 경우, 포토디텍터 어레이(202)는 이점 적으로 광다이오드 시그널들을 포토디텍터 어레이(202)의 비-조명된 면으로 인도하는 관통 구멍들 또는 비어가 제공된다. 포토디텍터 어레이(202)는 또한 포지티브 고유(intrinsic) 네거티브(PIN) 광다이오드들, 상보적 금속 산화물 반도체(CMOS) 포토디텍터들, 또는 선형 또는 단일 광자 모드들로 작동하는 애벌랜쉬(avalanche) 광다이오드들과 같은 적합한 포토디텍터 또는 광다이오드 기술들을 사용하여 만들어 질 수 있다.
또한 주지될 바와 같이, 신틸레이터(200)는 가돌리늄 옥시설파이드(GOS) 또는 카드뮴 텅스텐산염(CdWO4)과 같은 종래의 신틸레이터 물질로부터 제조될 수 있으며, 이 물질은 특정 응용의 스펙트럼, 반응 시간 및 다른 요구사항에 근거하여 보통 선택된다. 신틸레이터(200)는 또한, 특히 디텍터 모듈(22)이 포토디텍터 어레이(202)의 스펙트럼 반응에 상응하는 광 방사 또는 어떤 파장의 방사를 감지하는데 사용되는 응용에서, 생략될 수 있다. 하나 이상의 에너지 스펙트럼들을 표시하는 출력을 만들어내는 스펙트럼 방사 디텍터들도 또한 고려될 수 있다.
디텍터 모듈들(22)은 또한 하나 또는 그 이상의 디텍터 하위-조립체들을 형성하기 위해 조립될 수 있으며, 이들 하위-조립체들은 다음으로 일반적으로 아치형의 디텍터 어레이를 형성하기 위해서 조립된다. 이제 도 8a 및 도 8b를 살펴보면, 디텍터 하위-조립체(800)는 다수의 디텍터 모듈들(221, 222, ... , 22n), 회로 보드(802), 그리고 지지대(804)를 포함한다. 회로 보드(802)는 물질 부재(free) 지역들(8061, 8062, ... , 806n)과 커넥터(808)를 포함한다. 디텍터 모듈들(22)의 커넥터들(209)은 회로 보드(802)의 제 1 면에 납땜되거나 또는 다른 식으로 연결된다. 회로 보드(802)는 디텍터 모듈(22)을 커넥터(808)에 연결시키는 전도성 트레이스들(812)을 탑재한다. 도시된 트레이스(812) 구성은, 디텍터 모듈들(22)이 하나로 연결된(daisy chained) 디지털 출력들을 만들어내는 곳에서 특히 이점 적이다.
지지대(804)는, 금속 또는 다른 열적 전도성 물질로부터 이점 적으로 제조되며, 회로 보드(802)의 제 2 면으로부터 부착한다. 지지대(804)는 다양한 디텍터 모듈들(22)의 커버들(203)과, 보다 특정적으로 열적으로 보다 전도성을 가진 커버 부분들과 열적 접촉을 이루기 위해 물질 부재 지역들을 관통하는 돌출부들(810)을 포함한다. 지지대(804)는 다음으로 CT 스캐너 또는 다른 원하는 응용에서의 사용을 위해 보다 큰, 일반적으로 아치형의 디텍터 어레이의 부분으로서 하위-조립체(800)를 장착하는 데 사용된다.
앞의 구성의 특정 장점은, 다양한 디텍터 모듈들(22)이 서로와 회로 보드(802)에 상대적으로 납땜 이전에 정렬될 수 있다는 것이다. 이러한 배열을 따라서, 개개의 디텍터들(22)의 공차들은 덜 중요하게(critical) 되며, 회로 보드(802)는 다수의 하위-조립체들(800)의 정합(registration)을 위한 기준으로서 역할 하게된다.
디텍터 하위-조립체(900)의 대안적인 구성들이 도 9a, 9b, 및 9c에 도시된다. 디텍터 모듈들(22)이 나사못(904) 또는 다른 적합한 패스너들을 사용하여 지지대(902)에 고정된다. 다양한 디텍터 모듈들(22)의 커넥터들(209)은 다음으로 회로 보드들(904a, 904b)에 납땜된다.
또 다른 디텍터 하위-조립체 구성이 도 10a 및 도 10b에 도시된다. 도시된 바와 같이, 디텍터 하위-조립체(1000)는 다수의 디텍터 모듈들(221, 222, ..., 22n)과 제 1(1002) 및 제 2(1004) 회로 보드들을 포함한다. 디텍터 모듈들(22)의 커넥 터들(209)은 제 1 회로 보드(1002)에 납땜되거나 또는 다른 식으로 연결된다. 한 개 더의 힛(heat) 싱크들이 디텍터 모듈들(22)과 제 1 회로 보드(1002) 사이에 위치될 수 있으며 커버들(203)과 열적으로 연결 될 수 있다. 회로 보드들(1002, 1004) 사이의 전기적 연결들(1006)이 유연한 회로들 또는 다른 적합한 연결들을 통해 제공된다. 회로 보드들(1002, 1004) 사이의 기계적 연결들은 브래킷들(808), 접착 연결들 등과 같은 적합한 구성들의 방식에 의해서 제공된다. 제 2 회로 보드(1004)가 또한 유연한 회로로서 구현될 수 있으며, 따라서 연결들(1006)의 필요를 피하게 된다.
도 11에 참조하여, 하위-조립체들(9001, 9002, 9003, 9004, 9005)와 같은 원하는 다수의 디텍터 하위-조립체들이 다음으로 원하는 각의 범위의 일반적으로 아치형의 디텍터들 형성하기 위해 조립된다.
물론, 위의 기술들을 읽고 이해할 때 다른 이들에게 수정들과 대안들이 일어날 것이다. 본 발명은 이러한 수정들과 대안들이 첨부된 청구항들 또는 이들의 동등한 것의 범위 내에 있는 한 이러한 수정들과 대안들을 모두 포함하는 것으로서 해석된다는 것이 의도된다.
본 발명은 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템들에서의 사용을 위한 x-레이 디텍터 어레이에 관련한 것이며, 또한 x-방사선 이외의 방사선 감지에 응용을 가지며 방사 선 민감(sensitive) 디텍터들의 어레이들이 요구되는 다른 의료 및 비-의료 응용들에서도 그 응용성 있으므로 산업상 이용 가능하다.

Claims (36)

  1. 방사선 디텍터로서,
    신틸레이터(scintillator)(200)와;
    신틸레이터와 광학적으로 연결되는 다수의 포토디텍터 엘리먼트들을 포함하는 반도체 기재(208)와 신틸레이터를 마주보는 반도체 기재의 면 상에 형성된 금속 코팅(210)을 포함하는 포토디텍터 어레이(202)와;
    신틸레이터를 마주보는 포토디텍터 어레이의 한 면 상에 탑재된 시그널 프로세싱 전자기기(205)를 포함하며,
    여기서 금속 코팅은 포토디텍터 엘리먼트들과 전기적으로 연결된 제 1 다수의 접촉부들(214)과, 제 1 다수의 접촉부들과 시그널 프로세싱 전자기기에 전기적으로 연결된 제 2 다수의 접촉부들(216, 217, 219)을 포함하는,
    방사선 디텍터.
  2. 제 1항에 있어서, 금속 코팅이 제 1 및 제 2 금속 코팅 층들(2101, 2102)을 포함하는, 방사선 디텍터.
  3. 제 2항에 있어서, 제 1 다수의 접촉부들이 제 1 층에 위치되며, 제 2 다수의 접촉부들이 제 2 층에 위치되는, 방사선 디텍터.
  4. 제 1항에 있어서, 시그널 프로세싱 전자기기가 집적 회로(206)를 포함하는, 방사선 디텍터.
  5. 제 4항에 있어서, 집적 회로가 제 2 다수의 접촉부들에 범프 본딩되는(bump bonded), 방사선 디텍터.
  6. 제 1항에 있어서, 금속 코팅이 제 1 다수의 접촉부들과 제 2 다수의 접촉부들 사이의 전기적 전도성 경로의 적어도 일부분을 형성하는 전기적 전도성 회로 트레이스들(221)을 포함하는, 방사선 디텍터.
  7. 제 1항에 있어서, 방사선 디텍터의 외부로의 전기적 연결을 제공하는 데 적합하게된 전기적 커넥터(209)를 더 포함하며, 여기서 금속 코팅은 적어도 시그널 프로세싱 전자기기와 커넥터 사이의 전기 전도성 경로의 적어도 일부분을 형성하는, 방사선 디텍터.
  8. 제 1항에 있어서, 포토디텍터 엘리먼트들이 백(back) 조명되는 광 다이오드들을 포함하는, 방사선 디텍터.
  9. 제 1항에 있어서, 상대적으로 열적 단열 물질로부터 제조된 제 1 부분(203a, 704)과, 상대적으로 열적 전도성 물질로부터 제조된 제 2 부분(203b, 702)을 포함하는 커버를 포함하며, 여기서 시그널 프로세싱 전자기기는 집적 회로(206)를 포함하며, 여기서 제 2 부분은 집적 회로와 방사선 디텍터 외부 사이에 열적 전도성 경로를 제공하는, 방사선 디텍터.
  10. 제 9항에 있어서, 제 1 부분이 사출 몰딩된(injection molded) 폴리머를 포함하는, 방사선 디텍터.
  11. 제 1항에 있어서, 다수의 포토디텍터 엘리먼트들이 경계 지워진 평면을 한정하는 어레이로 배열되고, 시그널 프로세싱 전자기기가 경계 지워진 평면 내에 위치되는, 방사선 디텍터.
  12. 방사선 디텍터로서,
    방사선 수용 면(207)을 가지며 방사선 수용 면에 의해서 수용된 방사선을 감지하는 방사선 감응 디텍터 엘리먼트들의 2차원 어레이를 포함하는 반도체 기재(208)와;
    방사선 수용 면을 마주보는 반도체 기재의 면 상에 형성된 금속 코팅(210)으로서, 금속 코팅은 제 1 접촉부들(214)과 제 2 접촉부들(216, 217, 219)를 포함하며, 여기서 제 1 접촉부들은 포토디텍터 엘리먼트들의 어레이에 전기적으로 연결되며, 금속코팅은 제 1 및 제 2 접촉부들 사이의 전기적 시그널들을 인도하도록 구성 되는, 금속 코팅(210)을 포함하는, 방사선 디텍터.
  13. 제 12항에 있어서, 방사선 감응 디텍터 엘리먼트들의 어레이가 제 1 물리적 레이아웃을 가지며, 방사선 디텍터가 제 1 물리적 레이아웃과 다른 제 2 물리적 레이아웃을 가지는 시그널 프로세싱 전자기기의 사용을 위해 적합하게 되며, 제 2 접촉부들이 제 2 물리적 레이아웃과 일치하는, 방사선 디텍터.
  14. 제 13항에 있어서, 방사선 디텍터가 제 2 접촉부들에 와이어 본딩된(wire bonded) 시그널 프로세싱 전자기기와의 사용을 위해 적합하게되는, 방사선 디텍터.
  15. 제 12항에 있어서, 금속 코팅이 제 1 및 제 2 접촉부들 사이의 전기 전도성 경로들의 적어도 일부분을 제공하는 전기적 전도체들(221)을 포함하는, 방사선 디텍터.
  16. 제 15항에 있어서, 금속 코팅이 전기 커넥터에 연결하도록 적용된 접촉부를 포함하는, 방사선 디텍터.
  17. 제 12항에 있어서, 금속 코팅이 제 1(2101) 및 제 2(2102) 금속 코팅 층들을 포함하는, 방사선 디텍터.
  18. 제 17항에 있어서, 전기적 커넥터(209)와 회로 보드(802)를 더 포함하며, 여기서 전기적 커넥터는 전기적 커넥터에 그리고 회로 보드에 이들 사이에 전기적 연결을 제공하도록 연결하기에 적합하게된 접촉부들에 연결되는, 방사선 디텍터.
  19. 제 12항에 있어서, 포토디텍터들이 CMOS 포토디텍터들인, 방사선 디텍터.
  20. 제 12항에 있어서, 제 2 접촉부들에 연결되는 시그널 프로세싱 전자기기(205)를 포함하는, 방사선 디텍터.
  21. 제 20항에 있어서, 시그널 프로세싱 전자기기가 제 2 접촉부들에 범프 본딩되거나 또는 와이어 본딩된 것의 하나인 집적 회로(206)를 포함하는, 방사선 디텍터.
  22. 제 21항에 있어서, 시그널 프로세싱 전자기기에 작동적으로 연결되고 금속 코팅에 전기적으로 연결되는 전기적 커넥터(209)를 포함하는, 방사선 디텍터.
  23. 제 22항에 있어서, 방사선 수용 면(face)과 광학적으로 연결하는(in optical communication with) 신틸레이터를 포함하는, 방사선 디텍터.
  24. 제 20항에 있어서, 방사선 수용 면을 마주보는 방사선 디텍터의 한 면(side) 상에 위치된 커버를 포함하며, 여기서 커버는 제 1 상대적으로 열적 단열 물질로부터 제조된 제 1 부분(203a, 704)과 상대적으로 열적 전도성 물질로부터 제조된 제 2 부분(203b, 702)을 포함하며, 여기서 제 2 부분이 시그널 프로세싱 전자기기와 열적으로 연결하는, 방사선 디텍터.
  25. 검사 지역(14)과 검사 지역에서 물체를 지지하는 물체 지지대(16)를 포함하는 장치(apparatus)에 있어서, 복수의 방사선 디텍터 모듈들(22)이 2차원 어레이로 위치되며, 여기서 디텍터 모듈들은
    검사 지역을 향하는 방사선 수용 면(207)을 가지며 방사선 민감 디텍터들의 어레이를 포함하는 반도체 기재(208)와
    반도체 제조 테크닉을 사용하여 방사선 수용 면을 마주 보는 반도체 기재의 한 면 상에 형성된 적어도 제 1 전기적 시그널 인도(routing) 층(2101, 2102, 2103)을 포함하는, 포토디텍터 어레이(202)와
    포토디텍터 어레이에 탑재된 시그널 프로세싱 전자기기(205)로서, 여기서 적어도 제 1 시그널 인도 층이 반도체 기재와 시그널 프로세싱 전자기기 사이에 물리적으로 위치되며, 적어도 제 1 전기적 시그널 인도 층이 시그널 프로세싱 전자기기에 전기적으로 연결되는 시그널 프로세싱 전자기기(205)를 포함하는, 장치.
  26. 제 25항에 있어서, 제 2 전기적 시그널 인도 층(2102)을 포함하는, 장치.
  27. 제 26항에 있어서, 제 1 및 제 2 인도 층들이 금속 코팅 테크닉을 이용하여 형성되는, 장치.
  28. 제 26항에 있어서, 시그널 프로세싱 전자기기가 ASIC를 포함하는, 장치.
  29. 제 28항에 있어서, ASIC가 포토디텍터 어레이에 범프 본딩되는, 장치.
  30. 제 25항에 있어서, 디텍터 모듈들이 타일된(tiled) 어레이로 위치되는, 장치.
  31. 제 25항에 있어서, 방사선 디텍터 모듈들이 아치형 2차원(2D) 어레이로 위치되는, 장치.
  32. 제 25항에 있어서, 디텍터 모듈들이 방사선 수용 면과 검사 지역 사이에 위치된 신틸레이터를 포함하는, 장치.
  33. 제 25항에 있어서, 디텍터 모듈들이 포토디텍터 디텍터 어레이에 탑재되고 시그널 프로세싱 전자기기에 전기적으로 연결된 전기적 커넥터를 포함하며, 여기서 적어도 제 1 인도 층이 시그널 프로세싱 전자기기와 전기적 커넥터 사이의 전기적 전도성 경로의 적어도 부분을 형성하는, 장치.
  34. 제 33항에 있어서, 회로 보드와 열적 전도성 부재를 포함하며, 여기서 각기 디텍터 모듈들의 커넥터들이 회로 보드에 전기적으로 연결되며, 열적 전도성 부재가 방사선 수용 면으로부터 마주하는 디텍터 모듈의 면에 열적으로 연결되는, 장치.
  35. 제 34항에 있어서, 회로 보드가 물질 부재(free) 지역을 포함하며 열적 전도성 부재의 부분이 물질 부재 지역을 통해 돌출하는, 장치.
  36. 제 34항에 있어서, 포토디텍터 모듈들이 방사선 수용 모듈을 마주하는 모듈의 면 상에 위치된 커버를 포함하며, 열적 전도성 부재가 기계적 패스너에 의해서 커버에 고정되는, 장치.
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