專利名稱：具有轉換片和互連層堆棧的輻射探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有轉換片和互連層堆棧的輻射探測器以及一種用于生產這種 探測器的方法。
背景技術：
US 7 212 604 B2公開了一種計算斷層成像(CT)探測器模塊，其包括多層直接轉 換材料的堆疊布置，直接轉換材料用于吸收X輻射并將其轉換成可以計數的電信號。多層 在其表面上具有陽極和陰極，陽極和陰極是由柔性箔實現的，它們在周邊彎折并然后連接 到固定轉換材料的襯底或載體上。
發明內容
基于這一背景，本發明的目的是提供一種特別適于處理高通量速率輻射的輻射探 測器的另類設計。這一目的是通過根據權利要求1、3或6所述的輻射探測器、根據權利要求7所述 的方法和根據權利要求15所述的成像設備實現的。在從屬權利要求中公開了優選實施例。本發明涉及用于探測電磁輻射，尤其是X射線光子或Y光子的輻射探測器。輻射 探測器包括轉換片和相關聯的互連層的堆棧。通常，以某種規則、周期性圖案在每對相繼轉 換片之間設置一個或兩個互連層。轉換片由適當的直接轉換材料制成，直接轉換材料將要 探測的入射輻射轉換成電信號，尤其是電荷(例如材料導帶中的電子-空穴對)。互連層例 如可以僅僅是絕緣襯底、一個或兩個表面上有電氣引線的絕緣襯底、具有處理電子器件的 襯底和/或導電片。如其名稱所述，轉換片和互連層具有基本平坦，大致二維的幾何結構， 放置這些元件，從而沿著垂直于其平面的堆疊方向使其平坦側彼此堆放。根據本發明的第一種輻射探測器還包括設置于堆棧的至少一個表面上的至少一 個電極系統，在下文中將稱為“外部電極系統”。根據定義，電極系統包括一般與堆棧電隔離 的至少一個導電“外部電極”。具有電極系統的表面優選是與堆疊方向平行的堆疊的表面。輻射探測器的上述設計是有利的，因為可以使用外部電極系統對轉換片和互連層 堆棧內部發生的過程進行積極影響。于是，例如能夠通過對所吸收的入射輻射在轉換片中 產生的電脈沖時域形狀進行影響，尤其是通過限制所產生的電荷云擴展并從而減小所得脈 沖的拖尾來提高輻射探測器的頻譜分辨率。外部電極系統可以具有很多不同設計。轉換片和互連層堆棧的表面例如可以完全 被一個單一外部電極覆蓋，或可以被幾個這種外部電極的結構化陣列覆蓋。在后一種情況 下，外部電極優選靠近堆棧中轉換片的陽極。此外，優選地，堆棧上尚未被其他部件(例如 讀出電子器件)占據的所有表面被一個或多個外部電極覆蓋。原則上，能夠以浮動電勢操作外部電極系統。不過，優選將電極系統連接到能夠提 供明確電壓的電壓源，該電壓尤其是位于供應給轉換片和互連層堆棧中電極的電壓范圍內 的電壓。通常將后一種電極用作陽極和陰極，陽極和陰極設置于轉換片的相對側上，用于收集入射輻射在轉換材料中產生的電脈沖。因此，向外部電極系統提供的電壓優選介于對應 的陽極和陰極電壓之間。根據另一方面，本發明涉及第二種輻射探測器，其也包括用于第一輻射探測器的 上述種類的轉換片和互連層堆棧。任選地，第二輻射探測器可以包括第一輻射探測器的特 征；不過，未必一定是這樣，因為兩種探測器都構成本發明的獨立、不相關方案。第二輻射探 測器的特征在于其包括用于從轉換片和互連層堆棧除熱的珀耳帖冷卻設備。珀耳帖冷卻設 備通常具有適于覆蓋堆棧大部分的平面結構。如現有技術中公知的，在向珀耳帖元件或設 備施加適當電壓時，珀耳帖元件或裝置能夠從一個位置向另一個位置傳遞熱。為輻射探測器提供珀耳帖冷卻設備有以下優點，即可以主動從轉換片和互連層移 除熱量，從而防止與探測器過熱有關的問題。對于密集三維配置的轉換片和互連層所述堆 疊布置而言，這種問題尤其具有威脅，因為材料的被動熱傳導幾乎不足以移除很多像素和 相關聯的處理線路產生的熱。珀耳帖冷卻設備允許從敏感部件向能夠容易耗散熱的區域中 迅速傳導這樣的熱量。在工作期間，珀耳帖冷卻設備將具有吸熱的“冷”區或表面以及傳遞這一熱量的 “熱”區或表面。為了保證從轉換片和互連層堆棧充分排除熱量，通常將珀耳帖設備的所述 熱區連接到適當的熱沉(hot sink)。根據本發明的優選實施例，珀耳帖冷卻設備連接到提 供對堆棧內部部件的電接入的電導體。已經為其他目的而提供的電導體于是能夠額外用作 珀耳帖冷卻設備的熱沉。根據另一方面，本發明涉及第三種輻射探測器，其也包括用于第一和第二輻射探 測器的上述種類的轉換片和互連層堆棧。任選地，第三輻射探測器可以包括第一和/或第 二輻射探測器的特征；不過，未必一定是這樣，因為所有探測器都構成本發明的獨立、不相
關方案。第三輻射探測器具有以下額外特征-互連層連同電氣引線延伸到剛性體中，所述剛性體填充相對于轉換片橫向(并 通常相鄰)設置的體積，在下文中該體積將被稱為“邊界體積”。在這個語境中，“橫向”方 向對應于垂直于堆疊方向的方向。此外，在下文中將把轉換片以及其中也存在轉換片的互 連層的堆棧體稱為“堆棧核心”，以與邊界體積區分。最后，術語“引線”應當表示與其具體 幾何形狀無關的任何導電部件。-互連層的上述電氣引線終止于邊界體積的表面中，其中在下文中將把這個表面 稱為“接觸表面”，因為在這個平面中引線能夠被外部電路接觸。接觸表面通常相對于轉換 片和互連層的平面垂直或傾斜。本發明還涉及一種用于生產輻射探測器(尤其是具有上述設計的輻射探測器)的 方法，包括以下步驟a)堆疊轉換片和互連層，使得互連層連同電氣引線延伸到轉換片側面的邊界體積 中。b)利用如底填材料的材料至少部分填充邊界體積中互連層之間的空隙(該空間 被堆棧核心中的轉換片占據)。c)從所述邊界體積去除一體積以在邊界體積的接觸表面中暴露互連層的引線，其 中所述表面是由切割工藝產生的。切割通常需要一直等到最初流體填充的材料固化。
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所述探測器和方法提供了一種具有多個可以做得充分小的敏感體積或像素的設 計，從而即使在高光子通量的情況下也能夠對這些體積中的輻射光子進行計數。由互連層 上的引線提供從轉換片的敏感像素出發的必要讀出線。這些引線可以容易地被邊界體積的 接觸表面處的外部電路，例如以倒裝芯片方式接觸到。在下文中將描述本發明的各種進一步發展，其涉及第一、第二和/或第三輻射探 測器以及所述方法。互連層的引線優選厚度(在堆疊方向上測量)小于10 μ m，最優選小于1 μ m。例 如，可以通過隔離襯底上的金屬化層實現這樣的細小導電結構。為了改善它們的可及性，優 選為互連層的引線提供接觸表面上的擴大區域。可能已經在制備互連層期間，即在方法的 堆疊步驟a)之前或之后立刻，或可以在步驟c)中切割之后進行這樣的擴大區域提供。互連層弓I線的擴大區域優選在接觸表面中具有至少20 μ m,最優選至少50 μ m的 內徑。在當前語境中，連接的幾何形狀的“內徑”被定義為完全配合到該形狀中的最大圓的 直徑。在矩形中，內徑例如對應于較短邊的長度。內徑的所述值保證了在接觸表面中提供 了足夠大面積，用于可靠地結合外部觸點。可以通過不同方式實現互連層引線的擴大區域。根據第一選擇，擴大區域包括接 觸表面上的金屬化。尤其可以在切割通過邊界體積以暴露電氣引線之后產生這種金屬化。 可以通過半導體技術的標準工藝，例如金屬層汽相淀積并隨后利用適當掩模蝕刻來生產 它。根據另一實施例，擴大區域包括結合到引線并切入接觸表面的額外導體材料。與 上述接觸表面上的金屬化相反，導體材料從接觸表面延伸到邊界體積的深度中。額外導體 材料的特定范例是在至少一個位置(在邊界體積中或堆棧核心中)結合到對應引線的導 線。另一個范例是附著到對應引線的金屬塊或焊料凸點。可以將這一選擇與上述沉積金屬
層組合。輻射探測器可以任選地包括至少一個互連層，互連層包括通過本層整個厚度延伸 的導電材料(如上，厚度是在堆疊方向上測量的)。由于其在工作期間的典型用途，在下文 中將把這一層稱為“導電互連層”或也稱為“陰極互連層”。它可以任選地完全由導電材料， 例如銅構成。在這種情況下，整個層和其上的電氣引線是相同的。可以任選地在兩個相繼轉換片之間并與之電接觸地設置一個或多個上述導電互 連層。因此將這些轉換片的被接觸表面電連接起來，從而在工作期間它們處于相同電勢，對 于陰極而言通常是這種情況。在下文中將把這種設計稱為“面對面”布置，因為兩個相繼轉 換片的相同電極(例如陰極)彼此面對。根據本發明的另一實施例，輻射探測器包括至少一個互連層，互連層具有(至少) 一個表面上有引線的電絕緣襯底。由于其在工作期間的典型用途，在下文中將把這一層稱 為“絕緣互連層”或也稱為“陽極互連層”。其設計允許將引線結構化成例如若干電極的圖 案，在襯底表面上電極彼此絕緣。此外，在絕緣互連層設置于兩個相繼轉換片之間時，可以 使用絕緣互連層使它們電絕緣。可以應用這種方式來產生兩個相繼轉換片的不同電極(即 陰極和陽極)彼此相對的“背面對正面”布置或絕緣層分隔兩個相繼轉換片的相鄰陽極側 的背對背布置。在另一優選實施例中，輻射探測器包括導電和絕緣互連層中的至少一個，其中導電互連層設置得與兩個相繼轉換片之間的絕緣互連層接觸。之后能夠將絕緣互連層的襯底 用于將導電互連層與兩個轉換片之一電絕緣。絕緣互連層上提供有引線的(至少)一個表 面通常設置得與兩個轉換片之一接觸。根據本發明的另一實施例，互連層中的至少一個未完全穿透邊界體積(因此未將 其劃分成兩個部分)。尤其可以針對僅一個窄導電跡線就足以延伸到邊界體積中的導電互 連層實現這種情況。通常，互連層的引線可以用于任何目的，例如，連接互連層上的集成電路。不過優 選地，可以將引線用于電接觸轉換片。例如，在如下一實施例中實現了這種情況互連層包 括至少一個電極，該電極接觸轉換片的表面且連接到互連層的引線。典型地，電極和引線僅 僅是同一導電材料的兩個不同區域。根據上述設計的進一步發展，互連層包括多個這樣的電極(它們中的每個連接到 不同引線)，形成像素化陣列。與本陣列對應，其接觸的轉換片被功能性細分成像素，可以在 像素中分別對探測事件進行計數。輻射探測器可以任選地包括(至少)兩組互連層和兩個相關聯的邊界體積的接觸 表面，其中所述接觸表面彼此不同。優選地，接觸表面可以是彼此垂直的。在這種設計中， 例如可以將不同電勢施加到兩組互連層，即，可以將它們分別作為陽極和陰極驅動，并且可 以在不同平面(不同接觸表面)中接觸這些不同電極。本發明還涉及一種包括上述種類輻射探測器的成像設備。成像設備尤其可以是X 射線、CT (計算斷層成像)、PET (正電子發射斷層成像),SPECT (單光子發射計算斷層成像) 或核成像設備。
參考下文描述的實施例，本發明的這些和其他方面將顯而易見并得到闡述。將借 助于附圖以舉例方式描述這些實施例，附圖中圖1示意性地示出了輻射探測器一部分的側視圖，平板平行于輻射的(垂直)入 射方向；圖2示意性地示出了輻射探測器一部分的側視圖，平板垂直于輻射的入射方向；圖3示出了用于根據本發明的輻射探測器的一塊平板的生產過程的透視相繼步 驟；圖4以側視圖示出了將若干平板組裝成堆棧的相繼步驟；圖5以底視圖示出了向上述堆棧的接觸表面上進行接觸金屬化；圖6以側視圖示出了將若干平板組裝成堆棧的相繼步驟，導線結合到電氣引線；圖7示出了上述堆棧的接觸表面上的底視圖；圖8以側視圖示出了將若干平板組裝成堆棧的相繼步驟，金屬塊結合到電氣引 線.
一入 ，圖9示出了上述堆棧的接觸表面上的底視圖；圖10示出了制造根據本發明的輻射探測器的相繼步驟，該輻射探測器包括在邊 界體積整個寬度上延伸的陰極；圖11示出了類似過程，陰極僅部分延伸到邊界體積中；
圖12示出了輻射探測器的組裝，其中陰極層為背面對正面的布置；圖13示出了在側面連接陰極層的輻射探測器的組裝；圖14以透視圖示出了制造根據本發明另一方面的輻射探測器的相繼步驟，所述 探測器包括堆棧表面上的外電極；圖15示出了將互連層連接到襯底之后上述輻射探測器的側視圖；圖16示意性地示出了包括珀耳帖冷卻設備的輻射探測器轉換片和互連層堆棧的 透視圖；圖17示出了制造前表面具有珀耳帖冷卻設備的輻射探測器的相繼步驟；圖18示出了側表面上具有珀耳帖冷卻設備的轉換片和互連層堆棧的透視圖；圖19示意性地示出了可以用于所述輻射探測器中的珀耳帖冷卻設備的原理。在附圖中，采用類似的附圖標記或者相差100的整數倍的附圖標記表示等同或類 似的部件。還應當指出，附圖僅繪示了完整輻射探測器的一小部分，輻射探測器通常包括多 個平板，根據探測器的尺寸，從數十到數百個不等。
具體實施例方式直接轉換材料用于醫療探測器中將X射線和Y射線直接轉換成電子-空穴對。在 需要來自入射輻射的能量信息時，例如在頻譜CT中，針對不同的能量倉(和像素)分別對 光子進行計數。光子計數探測器的問題之一是直接射束探測需要高計數速率，電子器件通 常不能支持這種速率。一種克服這個問題的方法是在三維空間中細分探測器像素(即，在 入射方向上和垂直于其的平面中)。可以通過“水平”或“垂直”堆疊多個探測器平板實現 這種子結構化，其中假設輻射的入射方向是“垂直的”(附圖中的ζ方向)。在這方面，圖1示出了輻射探測器100的備選方案，其中平板垂直取向，并且“堆疊 方向”為X方向，根據定義，平板是構建塊，每個均包括轉換材料片(“轉換片”)110和至少 一個相鄰的互連層120。圖2示出了輻射探測器200，其中具有轉換片210和互連層220的 平板水平取向，“堆疊方向”為ζ方向。該組互連層通常包括由隔離襯底構成的互連層，襯 底在一個或兩個表面上具有電氣引線，可以任選地承載額外的處理電子器件(例如由ASIC 實現)。此外，這組互連層可以是導電片，或者可選地出于隔離的目的是無源插入器。多個平板的所述堆疊獲得了要制造的很多互連。在每個平板中，通過倒裝芯片工 藝實現相關聯的轉換片和互連層之間的接觸，從每個互連層通常會有10到300根電氣引線 (根據所選的設備和電子器件)從“堆棧核心” SC引出并通入橫向相鄰的“邊界體積”BV。 在構造探測器塊時，堆疊平板，并需要將每個平板的引線連接到襯底，以例如向印刷電路板 (PCB)等讀出電子信號。從圖1中的襯底150和圖2中的襯底250可以看出，所述襯底通常 垂直于輻射方向。在兩種情況下，都需要在垂直方向上接觸引線結構。具體而言，圖1中互 連層120上的垂直引線需要與水平襯底150接觸。相反，圖2中互連層220上的水平引線 不能直接接觸水平襯底250，而是需要額外的“再分配層” 251，以實現它們與襯底250的連 接。再分配層251例如可以是用于重新路由的金屬化或總線結構(如果平板包括有源電子 設備的一部分，可以為互連層構建總線結構，例如用于電源、用于讀出的數據總線等)。因為X射線束界定了特定方向，所以在其他方面中垂直與水平分層方案有所不 同。例如，在圖2中，可以實現再分配層251，用于將電源線垂直分配到互連層220之內的電子器件并用于偏壓分配。不過，在堆棧S的底側實現通往襯底250的電氣和機械互連。因 此，可以將再分配層251擴展(未示出)到堆棧S的短底側。或者，堆棧S的底層可以包括 用于接觸襯底250的觸點。盡管有上述差別，在下文中將不失一般性地假設平板是如圖1那樣垂直布置的， 因為本領域的技術人員將容易能夠針對圖2的水平布置或其他設計變體調整描述。本發明描述了實現從垂直互連層120到水平襯底150的接觸的方案。本質上，這 是通過使其上具有電氣引線123的互連層120大于轉換片110實現的。這使得互連層120 延伸到“有源陣列”或堆棧核心SC之外，進入相鄰的邊界體積BV中。通過切割互連層，它 們的引線變得可以從設備底側的接觸表面觸及。由于引線上的接觸面積相當小，因此通常 需要一些擴大，例如，金屬化或結合導電部件，例如金屬塊(焊料)凸點或絲焊。下面將參 考圖3到9更詳細地描述這些選擇。本發明還涉及用于實現從平板中的陰極側到襯底的接觸的特定方案。這里能夠 使用的方法類似于用于互連陽極側的方法，只是現在不需要像素化(因為陰極通常是連續 的，不是圖案化的；如果陰極是圖案化的，通常通過短路將所有電極連接到同一電勢)。為 了容易接觸陰極，另一種選擇是面對面地放置平板(兩個相鄰平板的陰極接觸)。下面參考 圖10到13更詳細地描述了這些用于堆疊和高壓連接陰極的選擇。圖3示出了組裝根據本發明的輻射探測器的單個平板。該過程在步驟a)中開始 于兩個預制部件，即包括轉換材料平坦長方體111的轉換片110，其具有陽極側112和陰極 側113。轉換材料的適當材料是實現入射光子到電荷的期望轉換的任何材料。它們包括，例 如 Si、Ge、GaAs、HgI、CZT (碲化鎘鋅)和 / 或 CdTe。在圖示的范例中，將陽極側112構圖成不同尺寸單電極的陣列，從而能夠經由對 應的讀出引線分別記錄轉換材料111的對應子體積中的輻射產生的電荷。第二預制部件是互連層120，其包括隔離襯底121 (例如，塑料、玻璃或硅板)，在其 上部中具有與轉換片110上的陽極112圖案匹配的觸點焊盤122圖案，使得焊盤122能夠 以一對一方式與陽極112電接觸(可以未必尺寸上匹配，而是僅位置匹配)。此外，互連層 120包括提供與接觸焊盤122的電觸及的電氣引線123。應當指出，引線123的在圖中可以 看到的那些部分延伸到互連層120的下方部分中，而進一步連線到各個接觸焊盤122是不 可見的。此外，假設一些信號處理是在接近轉換片的互連層120中進行的，因此下部中的引 線數目小于存在的像素數目。在步驟b)中，將互連層120和轉換片110彼此附著，使陽極112電連接到接觸焊
122 ο在下一步中，必須要實現與轉換片110陰極側113的電接觸。圖3示出了這樣做 的若干選擇中的兩種，即，在步驟cl)中，附著覆蓋了轉換片整個陰極側113的完整區域的 “導電互連層”或“陰極互連層” 140，該層具有“引線” 141以及邊界體積BV中引線下方的額 外區域(從而將邊界體積劃分成兩個部分)。在備選的步驟c2)中，陰極互連層140'還覆 蓋整個陰極側113，但僅以更小寬度(在y方向測量)的條形引線141'延伸到邊界體積BV 中。通常用像金屬(例如銅)那樣的導電材料實現陰極互連層140、140'。在下文中，將描述不同的方案，其允許從外部電接觸到互連層120上的電氣引線 123，從而能夠在載體襯底150(圖1)上容易地安裝平板。本論述的第一部分將集中于“陽極互連層” 120上的陽極122和對應引線123。可以類似地處理陰極互連層140、140'(圖 3)(實際上，“陽極”和“陰極”之間的區別僅取決于探測器工作期間施加的電勢)。此外，在 說明書的第二部分將更詳細地論述針對陰極互連層的特定方案。圖4以示意側視圖示出了將用于輻射探測器的若干平板進行組裝的相繼步驟。這個過程的步驟a)開始于已經預制的平板，例如通過圖3所示的方式，將轉換片 110與延伸超過轉換片下邊緣進入邊界體積BV中的互連層120耦合。如上所述，為簡單起 見，在本表述中省略了陰極層(例如，可以在互連層120上與連接到轉換片110的一側相反 一側上實現陰極)。在步驟b)中，沿著堆疊方向χ將多個相同的單一平板組裝成堆棧S。可以將所得的 主體視為探測器塊，因為其構成了構建完整輻射探測器的平面部件(在χ和y方向延伸)。在步驟c)中，利用底填材料，例如，電絕緣聚合物，填充邊界體積BV中存在的互連 層120下部之間的空隙(因為轉換片110未延伸到這個體積中)。如線C-C所示，在下一步驟d)中，例如通過切丁(dicing)和拋光切割邊界體積 BV，使得能夠從底側觸及互連層的引線123。在下文中將把這個底側稱為“接觸表面” CS。圖5a)示出了通過所述流程產生的接觸表面CS的視圖。可以看出，互連層的隔離 襯底121上的電氣引線123是自由伸展的。不過，它們的可觸及區域相當小在使用兩微米 的厚金屬層時，引線金屬化的寬度《X厚度d的乘積一般大約最大為250X2 μ m2。這太小 了，無法容易而可靠地互連。如圖5的步驟b)所示，因此向引線123施加金屬化131。例如，可以通過如下方式 這樣做首先在整個接觸表面CS上沉積金屬，然后在適當掩模的幫助下蝕刻掉期望結合焊 盤131周圍的多余金屬。因此剩余的結合焊盤131構成電氣引線的擴大區域，從而能夠進 行良好接觸。圖6示出了用于生成電氣引線123擴大區域的另一種方法。根據這種方式，在步 驟b)中通過將導線132結合到其電氣引線123來進一步處理步驟a)中提供的單一平板。 其余步驟c)_e)(堆疊、底填和切割)類似于圖4的步驟b)-d)。圖7示出了所得堆棧接觸表面CS上的視圖；可以看出，現在導線132和對應電氣 引線123都可以觸及了。所述方式的優點是焊盤尺寸由導線尺寸決定，導線通常有20到 100微米的直徑。可以直接將焊盤用作針對外部連接的結合焊盤，或者可以通過額外的金屬 化步驟(類似于圖5)進一步增大其尺寸。圖8和9示出了生產電氣引線擴大區域的另一種選擇。根據圖8，向平板的電氣引 線123施加金屬零件133，然后如上所述進一步處理(堆疊、底填和切割)。例如，可以通過 附著塊料(例如銅)或焊料凸點來進行金屬零件的施加，在切丁之后獲得結合焊盤，以進一 步互連到外部電路。像通過絲焊獲得的焊盤那樣，可以通過增加金屬化來進一步任意擴大 焊盤尺寸。在下文中，將更詳細地描述針對陰極互連層的集中具體方案。在原則上可以將圖 3所示的陰極互連層140、140'視為上述互連層120并如互連層120那樣處理。陰極互連 層的特定特征是它們僅具有單個電極，即它們未進行像素化。此外，陰極互連層通常將是完 全導電的。因此，與“隔離互連層120”相反，可以將其視為“導電互連層”。在下文將描述的范例中，與陽極互連層120處的引線123的接觸面積被示為具有金屬零件形成的擴大區域。不過，可以將上述任一種方法用于生成對應的擴大區域。此外，在范例中陰極互連層140或140'被示為單個層。在實踐中，可以將這一層 與堆棧中的其他層組合。于是，例如可以在使用背面對正面堆棧時將陰極互連層附著到陽 極互連層120的背側。可以按照常規方式，例如導電粘合劑、焊料或導電箔處理，生成從陰 極互連層到轉換片110的陰極側113的電接觸。最后，在以下范例中將由陰極互連層140、140'覆蓋整個陰極側113。在陰極是連 續的，未圖案化時，陰極互連層可以交替地僅覆蓋陰極側113的一部分。圖10中示出了第一范例的示意性組裝序列。在這一實施例中，首先在步驟a)和 b)中通過在絕緣陽極互連層120和導電陰極互連層140之間夾入轉換片110來制造平板。 在這一實施例中，陰極互連層140在平板的整個寬度(y方向)上延伸到模塊的邊緣。應當 指出，這幅和以下附圖中的表示相對于前面的圖轉動了 180°，即，邊界體積BV現在位于圖 的頂部，輻射將從下方入射。然后在步驟C)中按照背面對正面布置將所產生的平板組裝成堆棧S，并用底填材 料填充邊界體積中的空隙。在步驟d)中，已經切割了邊界體積BV，以暴露陽極互連層和陰 極互連層的引線。在這種情況下，將陽極接觸焊盤布置成矩陣，陰極連接在接觸表面CS上 排列成行。步驟e)示出，可以通過接觸表面CS上的線142在一個邊緣連接陰極互連層。在 外部陽極連接的設計適于容納模塊一側或兩側的一些開放空間時，可以使用線142將所有 高壓(HV)連接連接到陰極。通過這種方式，不需要獨立連接所有陰極，而是在原則上，一個 通往PCB的HV連接就足夠了。還可以選擇中間方案按組將若干陰極彼此連接，但并非將 所有陰極連接在一起。圖11示出了僅在有限平板寬度上延伸到邊界體積BV中的陰極互連層140'，這足 以實現接觸。如在前面范例中那樣，可以由接觸表面CS—個邊緣的線142連接所有陰極層 140'。可以利用片或箔實現有限面積中的連接，但也可以利用絲焊或連接到陰極互連層的 導電部分實現。在圖12所示的范例中，按照面對面的布置堆疊平板。通過這種方式，可以將相鄰 平板的陰極互連層140連接到單個層中。類似于前面的范例，陰極互連層可以在平板的整 個寬度(圖12所示)或僅在更小寬度(未示出)上延伸到邊界體積中。此外，可以通過引 線142連接若干或全部陰極互連層，以減少要與PCB之間形成的觸點數目。在圖13中所示的范例中，以面對面布置(備選方案bl)或背面對正面布置(備選 方案W)堆疊平板，在垂直于接觸表面CS的平面(其中接觸陽極互連層120)中經由模塊 的正面實現與陰極互連層的接觸。在這種情況下，陰極互連層140"不需要延伸到邊界體積 中，陽極和陰極通往PCB的連接不是從模塊的同一側實現的，減少了短路或其他電氣問題 的可能性。在附圖中，通往陰極互連層140、140'的外部接觸141被示為片。不過，它也可以 由導線或“塊”構成，以連接到模塊的邊緣(可以與上述針對陽極的方法使用相同的方法擴 大互連陰極的面積)。尤其可以將所述發明用于使用多個薄片的直接轉換探測器的所有應用中，例如， 在醫療成像(X射線和Y射線轉換)領域中，像CT探測器，更準確地說是頻譜CT探測器。此外，可以有利地將本發明用于非醫療應用中，像天文物理學、國防、國土安全和(機場)安 全防范系統。圖14和15涉及本發明的另一方面，可以任選地將其用作獨立、自成體系的方案或 用作上述設計的修改。本發明的這一部分是由如下事實激發而做出的在多層探測器中通 常會出現幾何尺度不一(即長寬比不一)的子像素，因為用于頻譜CT的探測器設計主要是 由計數速率考慮因素驅動的。這將影響一些類型像素的頻譜性能，因為既不能根據“小像素 效應”的需求選擇子像素幾何結構，也沒有其他方法來增強電子信號。本發明的以下實施例通過提供一種“外部電極系統”有助于為邊緣像素恢復最佳 頻譜性能，該“外部電極系統”在轉換片和互連層堆棧的至少一側上包括一個或多個額外的 “外部電極”。圖14在這一方面示出了生產轉換片310堆棧S的第一步驟a)，在轉換片310之間 以交替序列設置絕緣陽極互連層320和導電陰極互連層340，從而實現面對面布置。在下一處理步驟b)中，在堆棧的正面上制造外部電極系統360，所述電極系統包 括電隔離層361，其上設置有沿χ方向延伸的條形電極362。對于外部電極系統360的產生而言，可以與用于產生互連跡線的制造工藝采用相 同的制造工藝。用于轉換片310和互連層320、340的3D集成過程的樹脂已經提供了電絕 緣。此外，可以應用額外的介質層361。然后可以進行側壁的(部分)金屬化以產生外部電極362。側壁的金屬化可以開 始于鎳的無電淀積，然后可以通過電化學方式淀積銅層、鎳層和金層(參考，C. Val, "The future of 3D Packaging，，，IEMT/IMC Proceedingsl998，261f)。或者，可以采用例如應用 了鉻層和銅層的物理汽相淀積技術。導電聚合物是上述兩種技術的低成本替代。所得的金屬條362充當用于堆棧中每個轉換層310的邊緣陽極像素的相鄰電極。 這些金屬條362的功能似乎類似于離子室探測器中的虛擬Frisch網格(參考G. Montemont 等人，"A capacitive Frisch Grid Structure for CdZnTe Detectors，，，IEEE Trans. Nucl. Sci. 48(2001)278及其中的參考文獻)，即因為小像素效應，電子更強地耦合到對應像素。 在能量域中，這減小了光子峰值的拖尾，例如，提高了輻射探測器的頻譜分辨率。盡管圖14中未示出，但不僅可以將電極系統應用于前側，而且可以用于堆棧的所 有三個自由長側壁上。此外，電極362可以是圖中所示的連續導電區域，或結構化區域(未 示出)。在后一種情況下，優選僅有每個邊緣像素的側壁靠近對應轉換片310中陽極的一部 分被金屬覆蓋。圖15示出了在將延伸超過轉換片310的核體積的互連層320、340電氣和機械連 接到襯底或PCB 350之后帶有外部電極系統360的堆棧側視圖。如前所述，可以通過參考 圖1-13所述的過程或通過某種其他適當方法實現這種連接。該圖還示意性示出，外部電極 362連接到電壓源370。盡管圖示的是所有電極362都處于相同電勢，但它們中的每個都可 以交替連接到其自己的電壓源，以為其提供可逐一選擇的電勢。在優選實施例中，將外部電 極362設置到地和陰極電壓之間的電勢，地大約是陽極像素的電勢。圖16和19涉及本發明的另一方面，可以任選地將其用作獨立、自成體系的方案或 用作上述設計的修改。本發明的這一部分是由如下問題激發而做出的必須要通過實現高 通道密度而應對高光子通量的多層探測器中會產生熱量。在這樣的探測器中似乎必須要在盡可能接近直接轉換元件的讀出電子器件單元中進行信號處理，因為扇出大量微弱模擬信 號是不可能的(因此，上文描述互連層120有利地包括有源信號處理電路)。不過操作堆棧 之內電子器件的副作用是加熱整個探測設備。如果將像CZT或CdTe的化合物半導體輻射探測器用作轉換器材料，對于極化效應 而言溫度升高可能是有利的。另一方面，半導體輻射傳感器的泄露電流隨著溫度呈指數增 加。此外，僅能在特定溫度極限，例如80°C以下才能保證CMOS電子器件的正常工作。于是， 所述探測器各方面之一將界定溫度上限。對于想到的很多實施方式而言，這將要求控制探 測裝置的溫度。為了解決這個問題，這里提出提供具有小珀耳帖冷卻設備的輻射探測器(或更具 體而言，輻射探測器的轉換片和互連層的堆棧)，該冷卻設備能夠向堆棧體積之外傳導熱 量。圖16針對輻射探測器400的第一種具體設計示出了這種情況，輻射探測器400包括以 面對面布置設置，帶有中間陽極互連層420和陰極互連層440的轉換片410的堆棧S。在垂 直于堆疊方向(χ方向)的該堆棧S的正面和背面，設置并操作平面珀耳帖冷卻設備480， 使得每個珀耳帖冷卻設備480的冷側面對堆棧S，而熱側向外取向。此外，珀耳帖冷卻設備 480的熱側連接到導熱體，例如便于從模塊向外傳熱的第二種金屬板481。導熱體481可以 額外具有電氣功能，例如用作陰極層。圖17示出了制造具有珀耳帖冷卻設備480的輻射探測器的相繼步驟。該過程類 似于圖10的過程，包括以下步驟a)將轉換片410凸塊結合到陽極互連層420和代表陰極互連層的金屬箔440，獲 得b)單個平板。c)以面對面布置根據步驟a)+b)制造的平板以形成堆棧S。如圖中所示，利用底填 材料填充邊界體積BV中的空隙。此外，珀耳帖元件480附著到堆棧S的前側和/或背側。 珀耳帖元件480裝備有通往適當電源的電連接，但不是與設備的其他部件電隔離的那個。d)從下游側(圖中的頂部)的邊界體積BV除去一個體積以打開接觸表面CS。e)應用后端工藝生產再分配層，再分配層包括用于向陰極層提供偏壓的總線 442。更具體而言，再分配層的總線442熱連接到珀耳帖元件480的冷側(參見圖17f)。f)向珀耳帖元件480的熱側附著熱沉，例如金屬箔481。應當指出，在本實施例和類似實施例中，有利的是將珀耳帖元件的冷側與堆棧之 內的金屬板連接。如果對轉換片和互連層堆棧的側壁(也)進行金屬化(參考圖13-15)，則有大的 面積用于熱傳導。圖18針對具有轉換片510、陽極層520和陰極層MO的輻射探測器500 的一個堆棧S示出了這種情況。該堆棧S的側面覆蓋了金屬箔M1，金屬箔為陰極層提供偏 壓，同時充當附著于其上的珀耳帖元件580的熱沉。必須要根據機械性質和電導率選擇堆棧之內的金屬板。根據Wiedemarm-Franz定 律，后者的大小與熱導率成比例。例如，可以使用鎳，鎳具有90W/(m*K)的比熱導率。通過 進行構造，珀耳帖元件的冷側具有堆棧中金屬板(陰極層)的電勢U(例如，-150V)。必須 將熱側設置成電勢U+Δυ，其中AU是珀耳帖致冷器的電源電壓。還必須要由后端工藝提供 用于該電壓U+AU的電氣引線(未示出)。
分兩個階段進行根據圖18所示的輻射探測器500的組裝。在第一階段中，制造堆 疊的轉換片和互連層的模塊，獲得可工作的X射線探測器。在第二階段中，例如通過將珀耳 帖元件580的冷側粘合到兩個側壁(垂直于平板方向)處的金屬化Ml，可以將珀耳帖致冷 器附著于堆棧S的側壁。如果需要，可以向珀耳帖冷卻設備580附著額外的導熱層581。圖19示意性地示出了可以用作上述輻射探測器中的珀耳帖冷卻設備的熱電部件 的原理。熱電珀耳帖冷卻設備80基于η摻雜和ρ摻雜的碲化鉍半導體材料(例如，可以從 美國Austin的nanoCoolers買到)。該設備具有分層結構，(自上而下)具有導熱且電絕 緣的頂層80a以及導電層80b，沿橫向彼此交替設置的ρ和η摻雜區域80c以及導熱導電的 載體80e。ρ和η摻雜區域80c被隔熱且電絕緣塊80d彼此分開，使得DC電源提供的電流 能夠在蜿蜒路徑上流經裝置。在施加DC電流時，珀耳帖冷卻設備80的一側(例如，對于圖示的電壓極性為頂 側)將吸熱(變冷)，而另一側將散熱。通過反轉電流方向，熱側和冷側能夠交換極性(熱 側變為冷側，反之亦然)。制造工藝非常類似于用于硅集成電路的薄膜制造工藝(標準的 CMOS金屬層工藝)，但使用碲化鉍材料。因此可以構造出面積很大的非常薄的冷卻設備。總之，已經描述了在多層傳感器中并入非常小的冷卻設備。這種方法的一個新穎 特征是，電源線，即陰極偏壓的電源結構還用于從堆棧傳熱。所述方法的重要應用是具有能量分辨率的計算斷層成像(CT)、具有能量分辨率的 投影成像或可能受益于能量解析X射線光子計數的任何其他應用。最后要指出的是，在本申請中，“包括”一詞不排除其他元件或步驟的存在，“一”并 不排除多個，且單個處理器或其他單元可以實現若干裝置的功能。本發明體現在每個新穎 的特征要素和特征要素的每種組合中。此外，權利要求中的附圖標記不應被視為限制它們 的范圍。
權利要求
1.一種具有轉換片(310)和互連層(320,340)的堆棧(S)的輻射探測器(300)，還包 括設置于所述堆棧的至少一個表面上的外部電極系統(360)。
2.根據權利要求1所述的輻射探測器(300)，其特征在于所述外部電極系統(360)連 接到用于向其提供電壓的電壓源(370)。
3.一種具有轉換片(410,510)和互連層(420,440)的堆棧(S)的輻射探測器(400， 500)，尤其是根據權利要求1所述的輻射探測器，包括用于從所述堆棧除熱的珀耳帖冷卻 設備(480，580)。
4.根據權利要求3所述的輻射探測器(500)，其特征在于所述珀耳帖冷卻設備(580) 熱連接到電導體(541)，所述電導體電連接到所述堆棧⑶內部的部件。
5.根據權利要求3所述的輻射探測器000，500)，其特征在于所述珀耳帖冷卻設備 (480,580)設置于所述堆棧(S)的表面上。
6.一種具有轉換片(110，210)和互連層(120，220，140，140')的堆棧(S)的輻射探 測器(100，200)，尤其是根據權利要求1或3所述的輻射探測器，其中-所述互連層連同電氣引線(123，141，141')延伸到剛性體中，所述剛性體填充所述 轉換片側面的邊界體積(BV)，-所述引線(123，141，141')結束于所述邊界體積的接觸表面(CS)中。
7.一種用于生產輻射探測器(100，200)的方法，包括以下步驟a)堆疊轉換片(110,210)和互連層(120，220，140，140')，使得所述互連層連同電氣 引線(123，141，141')延伸到所述轉換片側面的邊界體積(BV)中；b)利用材料(130)至少部分填充所述邊界體積(BV)中所述互連層之間的空隙；c)從所述邊界體積(BV)去除一體積以在接觸表面(⑶)中暴露所述互連層的引線 (123,141,141')。
8.根據權利要求6所述的輻射探測器(100，200)或根據權利要求7所述的方法，其特 征在于在所述接觸表面(CS)中為所述互連層(120，220)的引線(123，141，141')提供擴 大區域(131，132，133)。
9.根據權利要求8所述的輻射探測器(100，200)或方法，其特征在于所述擴大區域 (131)包括所述接觸表面(⑶)上的金屬。
10.根據權利要求8所述的輻射探測器(100，200)或方法，其特征在于所述擴大區域包 括結合到所述引線(123，141，141')且在所述接觸表面(CS)中被切割的額外導電材料，尤 其是導線(132)、金屬塊或焊料凸點(133)。
11.根據權利要求1、3或6所述的輻射探測器(100，200，300)或根據權利要求7所述 的方法，其特征在于所述互連層包括至少一個“導電互連層”(140，140 ‘，340)，所述導電互 連層包括通過本層整個厚度延伸的導電材料。
12.根據權利要求1、3或6所述的輻射探測器(100，200，300)或根據權利要求7所述 的方法，其特征在于所述互連層包括至少一個“絕緣互連層”(120，220，320)，所述絕緣互連 層包括在一個表面上有引線(12 的電絕緣襯底(121)。
13.根據權利要求6所述的輻射探測器(100，200)或根據權利要求7所述的方法，其特 征在于所述互連層(140')中的至少一個不完全穿透所述邊界體積(BV)。
14.根據權利要求6所述的輻射探測器(100，200)或根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述互連層包括兩組，并且其特征在于所述邊界體積(BV)有優選彼此垂直的兩個 相關聯的不同接觸表面(CS，CS')。
15. 一種成像設備，尤其是X射線、CT、PET、SPECT或核成像設備，其包括根據權利要求 1、3或權利要求6所述的輻射探測器(100，200，300)。
全文摘要
本發明涉及一種輻射探測器和用于生產其的方法，其中堆疊一系列轉換片(110)和互連層(120)，互連層延伸到轉換片(110)側面的邊界體積(BV)中。通過用底填材料填充邊界體積(BV)中的空隙并通過邊界體積切割，產生了互連層(120)的電氣引線(123)自由伸展的接觸表面(CS)。為了實現良好的接觸，優選在接觸表面中，例如通過向引線焊接導線(132)為所述引線(123)提供擴大區域。
文檔編號G01T1/29GK102144176SQ200980134629
公開日2011年8月3日 申請日期2009年9月1日 優先權日2008年9月8日
發明者C·博伊默, C·斯洛布, C·赫爾曼, J·W·威克普, K·J·恩格爾, N·J·A·范費恩, R·斯特德曼布克, R·范阿塞特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司