专利名称：具有转换片和互连层堆栈的辐射探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有转换片和互连层堆栈的辐射探测器以及一种用于生产这种 探测器的方法。
背景技术：
US 7 212 604 B2公开了一种计算断层成像(CT)探测器模块，其包括多层直接转 换材料的堆叠布置，直接转换材料用于吸收X辐射并将其转换成可以计数的电信号。多层 在其表面上具有阳极和阴极，阳极和阴极是由柔性箔实现的，它们在周边弯折并然后连接 到固定转换材料的衬底或载体上。
发明内容
基于这一背景，本发明的目的是提供一种特别适于处理高通量速率辐射的辐射探 测器的另类设计。这一目的是通过根据权利要求1、3或6所述的辐射探测器、根据权利要求7所述 的方法和根据权利要求15所述的成像设备实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。本发明涉及用于探测电磁辐射，尤其是X射线光子或Y光子的辐射探测器。辐射 探测器包括转换片和相关联的互连层的堆栈。通常，以某种规则、周期性图案在每对相继转 换片之间设置一个或两个互连层。转换片由适当的直接转换材料制成，直接转换材料将要 探测的入射辐射转换成电信号，尤其是电荷(例如材料导带中的电子-空穴对)。互连层例 如可以仅仅是绝缘衬底、一个或两个表面上有电气引线的绝缘衬底、具有处理电子器件的 衬底和/或导电片。如其名称所述，转换片和互连层具有基本平坦，大致二维的几何结构， 放置这些元件，从而沿着垂直于其平面的堆叠方向使其平坦侧彼此堆放。根据本发明的第一种辐射探测器还包括设置于堆栈的至少一个表面上的至少一 个电极系统，在下文中将称为“外部电极系统”。根据定义，电极系统包括一般与堆栈电隔离 的至少一个导电“外部电极”。具有电极系统的表面优选是与堆叠方向平行的堆叠的表面。辐射探测器的上述设计是有利的，因为可以使用外部电极系统对转换片和互连层 堆栈内部发生的过程进行积极影响。于是，例如能够通过对所吸收的入射辐射在转换片中 产生的电脉冲时域形状进行影响，尤其是通过限制所产生的电荷云扩展并从而减小所得脉 冲的拖尾来提高辐射探测器的频谱分辨率。外部电极系统可以具有很多不同设计。转换片和互连层堆栈的表面例如可以完全 被一个单一外部电极覆盖，或可以被几个这种外部电极的结构化阵列覆盖。在后一种情况 下，外部电极优选靠近堆栈中转换片的阳极。此外，优选地，堆栈上尚未被其他部件(例如 读出电子器件)占据的所有表面被一个或多个外部电极覆盖。原则上，能够以浮动电势操作外部电极系统。不过，优选将电极系统连接到能够提 供明确电压的电压源，该电压尤其是位于供应给转换片和互连层堆栈中电极的电压范围内 的电压。通常将后一种电极用作阳极和阴极，阳极和阴极设置于转换片的相对侧上，用于收集入射辐射在转换材料中产生的电脉冲。因此，向外部电极系统提供的电压优选介于对应 的阳极和阴极电压之间。根据另一方面，本发明涉及第二种辐射探测器，其也包括用于第一辐射探测器的 上述种类的转换片和互连层堆栈。任选地，第二辐射探测器可以包括第一辐射探测器的特 征；不过，未必一定是这样，因为两种探测器都构成本发明的独立、不相关方案。第二辐射探 测器的特征在于其包括用于从转换片和互连层堆栈除热的珀耳帖冷却设备。珀耳帖冷却设 备通常具有适于覆盖堆栈大部分的平面结构。如现有技术中公知的，在向珀耳帖元件或设 备施加适当电压时，珀耳帖元件或装置能够从一个位置向另一个位置传递热。为辐射探测器提供珀耳帖冷却设备有以下优点，即可以主动从转换片和互连层移 除热量，从而防止与探测器过热有关的问题。对于密集三维配置的转换片和互连层所述堆 叠布置而言，这种问题尤其具有威胁，因为材料的被动热传导几乎不足以移除很多像素和 相关联的处理线路产生的热。珀耳帖冷却设备允许从敏感部件向能够容易耗散热的区域中 迅速传导这样的热量。在工作期间，珀耳帖冷却设备将具有吸热的“冷”区或表面以及传递这一热量的 “热”区或表面。为了保证从转换片和互连层堆栈充分排除热量，通常将珀耳帖设备的所述 热区连接到适当的热沉(hot sink)。根据本发明的优选实施例，珀耳帖冷却设备连接到提 供对堆栈内部部件的电接入的电导体。已经为其他目的而提供的电导体于是能够额外用作 珀耳帖冷却设备的热沉。根据另一方面，本发明涉及第三种辐射探测器，其也包括用于第一和第二辐射探 测器的上述种类的转换片和互连层堆栈。任选地，第三辐射探测器可以包括第一和/或第 二辐射探测器的特征；不过，未必一定是这样，因为所有探测器都构成本发明的独立、不相
关方案。第三辐射探测器具有以下额外特征-互连层连同电气引线延伸到刚性体中，所述刚性体填充相对于转换片横向(并 通常相邻)设置的体积，在下文中该体积将被称为“边界体积”。在这个语境中，“横向”方 向对应于垂直于堆叠方向的方向。此外，在下文中将把转换片以及其中也存在转换片的互 连层的堆栈体称为“堆栈核心”，以与边界体积区分。最后，术语“引线”应当表示与其具体 几何形状无关的任何导电部件。-互连层的上述电气引线终止于边界体积的表面中，其中在下文中将把这个表面 称为“接触表面”，因为在这个平面中引线能够被外部电路接触。接触表面通常相对于转换 片和互连层的平面垂直或倾斜。本发明还涉及一种用于生产辐射探测器(尤其是具有上述设计的辐射探测器)的 方法，包括以下步骤a)堆叠转换片和互连层，使得互连层连同电气引线延伸到转换片侧面的边界体积 中。b)利用如底填材料的材料至少部分填充边界体积中互连层之间的空隙(该空间 被堆栈核心中的转换片占据)。c)从所述边界体积去除一体积以在边界体积的接触表面中暴露互连层的引线，其 中所述表面是由切割工艺产生的。切割通常需要一直等到最初流体填充的材料固化。
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所述探测器和方法提供了一种具有多个可以做得充分小的敏感体积或像素的设 计，从而即使在高光子通量的情况下也能够对这些体积中的辐射光子进行计数。由互连层 上的引线提供从转换片的敏感像素出发的必要读出线。这些引线可以容易地被边界体积的 接触表面处的外部电路，例如以倒装芯片方式接触到。在下文中将描述本发明的各种进一步发展，其涉及第一、第二和/或第三辐射探 测器以及所述方法。互连层的引线优选厚度(在堆叠方向上测量)小于10 μ m，最优选小于1 μ m。例 如，可以通过隔离衬底上的金属化层实现这样的细小导电结构。为了改善它们的可及性，优 选为互连层的引线提供接触表面上的扩大区域。可能已经在制备互连层期间，即在方法的 堆叠步骤a)之前或之后立刻，或可以在步骤c)中切割之后进行这样的扩大区域提供。互连层弓I线的扩大区域优选在接触表面中具有至少20 μ m,最优选至少50 μ m的 内径。在当前语境中，连接的几何形状的“内径”被定义为完全配合到该形状中的最大圆的 直径。在矩形中，内径例如对应于较短边的长度。内径的所述值保证了在接触表面中提供 了足够大面积，用于可靠地结合外部触点。可以通过不同方式实现互连层引线的扩大区域。根据第一选择，扩大区域包括接 触表面上的金属化。尤其可以在切割通过边界体积以暴露电气引线之后产生这种金属化。 可以通过半导体技术的标准工艺，例如金属层汽相淀积并随后利用适当掩模蚀刻来生产 它。根据另一实施例，扩大区域包括结合到引线并切入接触表面的额外导体材料。与 上述接触表面上的金属化相反，导体材料从接触表面延伸到边界体积的深度中。额外导体 材料的特定范例是在至少一个位置(在边界体积中或堆栈核心中)结合到对应引线的导 线。另一个范例是附着到对应引线的金属块或焊料凸点。可以将这一选择与上述沉积金属
层组合。辐射探测器可以任选地包括至少一个互连层，互连层包括通过本层整个厚度延伸 的导电材料(如上，厚度是在堆叠方向上测量的)。由于其在工作期间的典型用途，在下文 中将把这一层称为“导电互连层”或也称为“阴极互连层”。它可以任选地完全由导电材料， 例如铜构成。在这种情况下，整个层和其上的电气引线是相同的。可以任选地在两个相继转换片之间并与之电接触地设置一个或多个上述导电互 连层。因此将这些转换片的被接触表面电连接起来，从而在工作期间它们处于相同电势，对 于阴极而言通常是这种情况。在下文中将把这种设计称为“面对面”布置，因为两个相继转 换片的相同电极(例如阴极)彼此面对。根据本发明的另一实施例，辐射探测器包括至少一个互连层，互连层具有(至少) 一个表面上有引线的电绝缘衬底。由于其在工作期间的典型用途，在下文中将把这一层称 为“绝缘互连层”或也称为“阳极互连层”。其设计允许将引线结构化成例如若干电极的图 案，在衬底表面上电极彼此绝缘。此外，在绝缘互连层设置于两个相继转换片之间时，可以 使用绝缘互连层使它们电绝缘。可以应用这种方式来产生两个相继转换片的不同电极(即 阴极和阳极)彼此相对的“背面对正面”布置或绝缘层分隔两个相继转换片的相邻阳极侧 的背对背布置。在另一优选实施例中，辐射探测器包括导电和绝缘互连层中的至少一个，其中导电互连层设置得与两个相继转换片之间的绝缘互连层接触。之后能够将绝缘互连层的衬底 用于将导电互连层与两个转换片之一电绝缘。绝缘互连层上提供有引线的(至少)一个表 面通常设置得与两个转换片之一接触。根据本发明的另一实施例，互连层中的至少一个未完全穿透边界体积(因此未将 其划分成两个部分)。尤其可以针对仅一个窄导电迹线就足以延伸到边界体积中的导电互 连层实现这种情况。通常，互连层的引线可以用于任何目的，例如，连接互连层上的集成电路。不过优 选地，可以将引线用于电接触转换片。例如，在如下一实施例中实现了这种情况互连层包 括至少一个电极，该电极接触转换片的表面且连接到互连层的引线。典型地，电极和引线仅 仅是同一导电材料的两个不同区域。根据上述设计的进一步发展，互连层包括多个这样的电极(它们中的每个连接到 不同引线)，形成像素化阵列。与本阵列对应，其接触的转换片被功能性细分成像素，可以在 像素中分别对探测事件进行计数。辐射探测器可以任选地包括(至少)两组互连层和两个相关联的边界体积的接触 表面，其中所述接触表面彼此不同。优选地，接触表面可以是彼此垂直的。在这种设计中， 例如可以将不同电势施加到两组互连层，即，可以将它们分别作为阳极和阴极驱动，并且可 以在不同平面(不同接触表面)中接触这些不同电极。本发明还涉及一种包括上述种类辐射探测器的成像设备。成像设备尤其可以是X 射线、CT (计算断层成像)、PET (正电子发射断层成像),SPECT (单光子发射计算断层成像) 或核成像设备。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得到阐述。将借 助于附图以举例方式描述这些实施例，附图中图1示意性地示出了辐射探测器一部分的侧视图，平板平行于辐射的(垂直)入 射方向；图2示意性地示出了辐射探测器一部分的侧视图，平板垂直于辐射的入射方向；图3示出了用于根据本发明的辐射探测器的一块平板的生产过程的透视相继步 骤；图4以侧视图示出了将若干平板组装成堆栈的相继步骤；图5以底视图示出了向上述堆栈的接触表面上进行接触金属化；图6以侧视图示出了将若干平板组装成堆栈的相继步骤，导线结合到电气引线；图7示出了上述堆栈的接触表面上的底视图；图8以侧视图示出了将若干平板组装成堆栈的相继步骤，金属块结合到电气引 线.
一入 ，图9示出了上述堆栈的接触表面上的底视图；图10示出了制造根据本发明的辐射探测器的相继步骤，该辐射探测器包括在边 界体积整个宽度上延伸的阴极；图11示出了类似过程，阴极仅部分延伸到边界体积中；
图12示出了辐射探测器的组装，其中阴极层为背面对正面的布置；图13示出了在侧面连接阴极层的辐射探测器的组装；图14以透视图示出了制造根据本发明另一方面的辐射探测器的相继步骤，所述 探测器包括堆栈表面上的外电极；图15示出了将互连层连接到衬底之后上述辐射探测器的侧视图；图16示意性地示出了包括珀耳帖冷却设备的辐射探测器转换片和互连层堆栈的 透视图；图17示出了制造前表面具有珀耳帖冷却设备的辐射探测器的相继步骤；图18示出了侧表面上具有珀耳帖冷却设备的转换片和互连层堆栈的透视图；图19示意性地示出了可以用于所述辐射探测器中的珀耳帖冷却设备的原理。在附图中，采用类似的附图标记或者相差100的整数倍的附图标记表示等同或类 似的部件。还应当指出，附图仅绘示了完整辐射探测器的一小部分，辐射探测器通常包括多 个平板，根据探测器的尺寸，从数十到数百个不等。
具体实施例方式直接转换材料用于医疗探测器中将X射线和Y射线直接转换成电子-空穴对。在 需要来自入射辐射的能量信息时，例如在频谱CT中，针对不同的能量仓(和像素)分别对 光子进行计数。光子计数探测器的问题之一是直接射束探测需要高计数速率，电子器件通 常不能支持这种速率。一种克服这个问题的方法是在三维空间中细分探测器像素(即，在 入射方向上和垂直于其的平面中)。可以通过“水平”或“垂直”堆叠多个探测器平板实现 这种子结构化，其中假设辐射的入射方向是“垂直的”(附图中的ζ方向)。在这方面，图1示出了辐射探测器100的备选方案，其中平板垂直取向，并且“堆叠 方向”为X方向，根据定义，平板是构建块，每个均包括转换材料片(“转换片”)110和至少 一个相邻的互连层120。图2示出了辐射探测器200，其中具有转换片210和互连层220的 平板水平取向，“堆叠方向”为ζ方向。该组互连层通常包括由隔离衬底构成的互连层，衬 底在一个或两个表面上具有电气引线，可以任选地承载额外的处理电子器件(例如由ASIC 实现)。此外，这组互连层可以是导电片，或者可选地出于隔离的目的是无源插入器。多个平板的所述堆叠获得了要制造的很多互连。在每个平板中，通过倒装芯片工 艺实现相关联的转换片和互连层之间的接触，从每个互连层通常会有10到300根电气引线 (根据所选的设备和电子器件)从“堆栈核心” SC引出并通入横向相邻的“边界体积”BV。 在构造探测器块时，堆叠平板，并需要将每个平板的引线连接到衬底，以例如向印刷电路板 (PCB)等读出电子信号。从图1中的衬底150和图2中的衬底250可以看出，所述衬底通常 垂直于辐射方向。在两种情况下，都需要在垂直方向上接触引线结构。具体而言，图1中互 连层120上的垂直引线需要与水平衬底150接触。相反，图2中互连层220上的水平引线 不能直接接触水平衬底250，而是需要额外的“再分配层” 251，以实现它们与衬底250的连 接。再分配层251例如可以是用于重新路由的金属化或总线结构(如果平板包括有源电子 设备的一部分，可以为互连层构建总线结构，例如用于电源、用于读出的数据总线等)。因为X射线束界定了特定方向，所以在其他方面中垂直与水平分层方案有所不 同。例如，在图2中，可以实现再分配层251，用于将电源线垂直分配到互连层220之内的电子器件并用于偏压分配。不过，在堆栈S的底侧实现通往衬底250的电气和机械互连。因 此，可以将再分配层251扩展(未示出)到堆栈S的短底侧。或者，堆栈S的底层可以包括 用于接触衬底250的触点。尽管有上述差别，在下文中将不失一般性地假设平板是如图1那样垂直布置的， 因为本领域的技术人员将容易能够针对图2的水平布置或其他设计变体调整描述。本发明描述了实现从垂直互连层120到水平衬底150的接触的方案。本质上，这 是通过使其上具有电气引线123的互连层120大于转换片110实现的。这使得互连层120 延伸到“有源阵列”或堆栈核心SC之外，进入相邻的边界体积BV中。通过切割互连层，它 们的引线变得可以从设备底侧的接触表面触及。由于引线上的接触面积相当小，因此通常 需要一些扩大，例如，金属化或结合导电部件，例如金属块(焊料)凸点或丝焊。下面将参 考图3到9更详细地描述这些选择。本发明还涉及用于实现从平板中的阴极侧到衬底的接触的特定方案。这里能够 使用的方法类似于用于互连阳极侧的方法，只是现在不需要像素化(因为阴极通常是连续 的，不是图案化的；如果阴极是图案化的，通常通过短路将所有电极连接到同一电势)。为 了容易接触阴极，另一种选择是面对面地放置平板(两个相邻平板的阴极接触)。下面参考 图10到13更详细地描述了这些用于堆叠和高压连接阴极的选择。图3示出了组装根据本发明的辐射探测器的单个平板。该过程在步骤a)中开始 于两个预制部件，即包括转换材料平坦长方体111的转换片110，其具有阳极侧112和阴极 侧113。转换材料的适当材料是实现入射光子到电荷的期望转换的任何材料。它们包括，例 如 Si、Ge、GaAs、HgI、CZT (碲化镉锌)和 / 或 CdTe。在图示的范例中，将阳极侧112构图成不同尺寸单电极的阵列，从而能够经由对 应的读出引线分别记录转换材料111的对应子体积中的辐射产生的电荷。第二预制部件是互连层120，其包括隔离衬底121 (例如，塑料、玻璃或硅板)，在其 上部中具有与转换片110上的阳极112图案匹配的触点焊盘122图案，使得焊盘122能够 以一对一方式与阳极112电接触(可以未必尺寸上匹配，而是仅位置匹配)。此外，互连层 120包括提供与接触焊盘122的电触及的电气引线123。应当指出，引线123的在图中可以 看到的那些部分延伸到互连层120的下方部分中，而进一步连线到各个接触焊盘122是不 可见的。此外，假设一些信号处理是在接近转换片的互连层120中进行的，因此下部中的引 线数目小于存在的像素数目。在步骤b)中，将互连层120和转换片110彼此附着，使阳极112电连接到接触焊
122 ο在下一步中，必须要实现与转换片110阴极侧113的电接触。图3示出了这样做 的若干选择中的两种，即，在步骤cl)中，附着覆盖了转换片整个阴极侧113的完整区域的 “导电互连层”或“阴极互连层” 140，该层具有“引线” 141以及边界体积BV中引线下方的额 外区域(从而将边界体积划分成两个部分)。在备选的步骤c2)中，阴极互连层140'还覆 盖整个阴极侧113，但仅以更小宽度(在y方向测量)的条形引线141'延伸到边界体积BV 中。通常用像金属(例如铜)那样的导电材料实现阴极互连层140、140'。在下文中，将描述不同的方案，其允许从外部电接触到互连层120上的电气引线 123，从而能够在载体衬底150(图1)上容易地安装平板。本论述的第一部分将集中于“阳极互连层” 120上的阳极122和对应引线123。可以类似地处理阴极互连层140、140'(图 3)(实际上，“阳极”和“阴极”之间的区别仅取决于探测器工作期间施加的电势)。此外，在 说明书的第二部分将更详细地论述针对阴极互连层的特定方案。图4以示意侧视图示出了将用于辐射探测器的若干平板进行组装的相继步骤。这个过程的步骤a)开始于已经预制的平板，例如通过图3所示的方式，将转换片 110与延伸超过转换片下边缘进入边界体积BV中的互连层120耦合。如上所述，为简单起 见，在本表述中省略了阴极层(例如，可以在互连层120上与连接到转换片110的一侧相反 一侧上实现阴极)。在步骤b)中，沿着堆叠方向χ将多个相同的单一平板组装成堆栈S。可以将所得的 主体视为探测器块，因为其构成了构建完整辐射探测器的平面部件(在χ和y方向延伸)。在步骤c)中，利用底填材料，例如，电绝缘聚合物，填充边界体积BV中存在的互连 层120下部之间的空隙(因为转换片110未延伸到这个体积中)。如线C-C所示，在下一步骤d)中，例如通过切丁(dicing)和抛光切割边界体积 BV，使得能够从底侧触及互连层的引线123。在下文中将把这个底侧称为“接触表面” CS。图5a)示出了通过所述流程产生的接触表面CS的视图。可以看出，互连层的隔离 衬底121上的电气引线123是自由伸展的。不过，它们的可触及区域相当小在使用两微米 的厚金属层时，引线金属化的宽度《X厚度d的乘积一般大约最大为250X2 μ m2。这太小 了，无法容易而可靠地互连。如图5的步骤b)所示，因此向引线123施加金属化131。例如，可以通过如下方式 这样做首先在整个接触表面CS上沉积金属，然后在适当掩模的帮助下蚀刻掉期望结合焊 盘131周围的多余金属。因此剩余的结合焊盘131构成电气引线的扩大区域，从而能够进 行良好接触。图6示出了用于生成电气引线123扩大区域的另一种方法。根据这种方式，在步 骤b)中通过将导线132结合到其电气引线123来进一步处理步骤a)中提供的单一平板。 其余步骤c)_e)(堆叠、底填和切割)类似于图4的步骤b)-d)。图7示出了所得堆栈接触表面CS上的视图；可以看出，现在导线132和对应电气 引线123都可以触及了。所述方式的优点是焊盘尺寸由导线尺寸决定，导线通常有20到 100微米的直径。可以直接将焊盘用作针对外部连接的结合焊盘，或者可以通过额外的金属 化步骤(类似于图5)进一步增大其尺寸。图8和9示出了生产电气引线扩大区域的另一种选择。根据图8，向平板的电气引 线123施加金属零件133，然后如上所述进一步处理(堆叠、底填和切割)。例如，可以通过 附着块料(例如铜)或焊料凸点来进行金属零件的施加，在切丁之后获得结合焊盘，以进一 步互连到外部电路。像通过丝焊获得的焊盘那样，可以通过增加金属化来进一步任意扩大 焊盘尺寸。在下文中，将更详细地描述针对阴极互连层的集中具体方案。在原则上可以将图 3所示的阴极互连层140、140'视为上述互连层120并如互连层120那样处理。阴极互连 层的特定特征是它们仅具有单个电极，即它们未进行像素化。此外，阴极互连层通常将是完 全导电的。因此，与“隔离互连层120”相反，可以将其视为“导电互连层”。在下文将描述的范例中，与阳极互连层120处的引线123的接触面积被示为具有金属零件形成的扩大区域。不过，可以将上述任一种方法用于生成对应的扩大区域。此外，在范例中阴极互连层140或140'被示为单个层。在实践中，可以将这一层 与堆栈中的其他层组合。于是，例如可以在使用背面对正面堆栈时将阴极互连层附着到阳 极互连层120的背侧。可以按照常规方式，例如导电粘合剂、焊料或导电箔处理，生成从阴 极互连层到转换片110的阴极侧113的电接触。最后，在以下范例中将由阴极互连层140、140'覆盖整个阴极侧113。在阴极是连 续的，未图案化时，阴极互连层可以交替地仅覆盖阴极侧113的一部分。图10中示出了第一范例的示意性组装序列。在这一实施例中，首先在步骤a)和 b)中通过在绝缘阳极互连层120和导电阴极互连层140之间夹入转换片110来制造平板。 在这一实施例中，阴极互连层140在平板的整个宽度(y方向)上延伸到模块的边缘。应当 指出，这幅和以下附图中的表示相对于前面的图转动了 180°，即，边界体积BV现在位于图 的顶部，辐射将从下方入射。然后在步骤C)中按照背面对正面布置将所产生的平板组装成堆栈S，并用底填材 料填充边界体积中的空隙。在步骤d)中，已经切割了边界体积BV，以暴露阳极互连层和阴 极互连层的引线。在这种情况下，将阳极接触焊盘布置成矩阵，阴极连接在接触表面CS上 排列成行。步骤e)示出，可以通过接触表面CS上的线142在一个边缘连接阴极互连层。在 外部阳极连接的设计适于容纳模块一侧或两侧的一些开放空间时，可以使用线142将所有 高压(HV)连接连接到阴极。通过这种方式，不需要独立连接所有阴极，而是在原则上，一个 通往PCB的HV连接就足够了。还可以选择中间方案按组将若干阴极彼此连接，但并非将 所有阴极连接在一起。图11示出了仅在有限平板宽度上延伸到边界体积BV中的阴极互连层140'，这足 以实现接触。如在前面范例中那样，可以由接触表面CS—个边缘的线142连接所有阴极层 140'。可以利用片或箔实现有限面积中的连接，但也可以利用丝焊或连接到阴极互连层的 导电部分实现。在图12所示的范例中，按照面对面的布置堆叠平板。通过这种方式，可以将相邻 平板的阴极互连层140连接到单个层中。类似于前面的范例，阴极互连层可以在平板的整 个宽度(图12所示)或仅在更小宽度(未示出)上延伸到边界体积中。此外，可以通过引 线142连接若干或全部阴极互连层，以减少要与PCB之间形成的触点数目。在图13中所示的范例中，以面对面布置(备选方案bl)或背面对正面布置(备选 方案W)堆叠平板，在垂直于接触表面CS的平面(其中接触阳极互连层120)中经由模块 的正面实现与阴极互连层的接触。在这种情况下，阴极互连层140"不需要延伸到边界体积 中，阳极和阴极通往PCB的连接不是从模块的同一侧实现的，减少了短路或其他电气问题 的可能性。在附图中，通往阴极互连层140、140'的外部接触141被示为片。不过，它也可以 由导线或“块”构成，以连接到模块的边缘(可以与上述针对阳极的方法使用相同的方法扩 大互连阴极的面积)。尤其可以将所述发明用于使用多个薄片的直接转换探测器的所有应用中，例如， 在医疗成像(X射线和Y射线转换)领域中，像CT探测器，更准确地说是频谱CT探测器。此外，可以有利地将本发明用于非医疗应用中，像天文物理学、国防、国土安全和(机场)安 全防范系统。图14和15涉及本发明的另一方面，可以任选地将其用作独立、自成体系的方案或 用作上述设计的修改。本发明的这一部分是由如下事实激发而做出的在多层探测器中通 常会出现几何尺度不一(即长宽比不一)的子像素，因为用于频谱CT的探测器设计主要是 由计数速率考虑因素驱动的。这将影响一些类型像素的频谱性能，因为既不能根据“小像素 效应”的需求选择子像素几何结构，也没有其他方法来增强电子信号。本发明的以下实施例通过提供一种“外部电极系统”有助于为边缘像素恢复最佳 频谱性能，该“外部电极系统”在转换片和互连层堆栈的至少一侧上包括一个或多个额外的 “外部电极”。图14在这一方面示出了生产转换片310堆栈S的第一步骤a)，在转换片310之间 以交替序列设置绝缘阳极互连层320和导电阴极互连层340，从而实现面对面布置。在下一处理步骤b)中，在堆栈的正面上制造外部电极系统360，所述电极系统包 括电隔离层361，其上设置有沿χ方向延伸的条形电极362。对于外部电极系统360的产生而言，可以与用于产生互连迹线的制造工艺采用相 同的制造工艺。用于转换片310和互连层320、340的3D集成过程的树脂已经提供了电绝 缘。此外，可以应用额外的介质层361。然后可以进行侧壁的(部分)金属化以产生外部电极362。侧壁的金属化可以开 始于镍的无电淀积，然后可以通过电化学方式淀积铜层、镍层和金层(参考，C. Val, "The future of 3D Packaging，，，IEMT/IMC Proceedingsl998，261f)。或者，可以采用例如应用 了铬层和铜层的物理汽相淀积技术。导电聚合物是上述两种技术的低成本替代。所得的金属条362充当用于堆栈中每个转换层310的边缘阳极像素的相邻电极。 这些金属条362的功能似乎类似于离子室探测器中的虚拟Frisch网格(参考G. Montemont 等人，"A capacitive Frisch Grid Structure for CdZnTe Detectors，，，IEEE Trans. Nucl. Sci. 48(2001)278及其中的参考文献)，即因为小像素效应，电子更强地耦合到对应像素。 在能量域中，这减小了光子峰值的拖尾，例如，提高了辐射探测器的频谱分辨率。尽管图14中未示出，但不仅可以将电极系统应用于前侧，而且可以用于堆栈的所 有三个自由长侧壁上。此外，电极362可以是图中所示的连续导电区域，或结构化区域(未 示出)。在后一种情况下，优选仅有每个边缘像素的侧壁靠近对应转换片310中阳极的一部 分被金属覆盖。图15示出了在将延伸超过转换片310的核体积的互连层320、340电气和机械连 接到衬底或PCB 350之后带有外部电极系统360的堆栈侧视图。如前所述，可以通过参考 图1-13所述的过程或通过某种其他适当方法实现这种连接。该图还示意性示出，外部电极 362连接到电压源370。尽管图示的是所有电极362都处于相同电势，但它们中的每个都可 以交替连接到其自己的电压源，以为其提供可逐一选择的电势。在优选实施例中，将外部电 极362设置到地和阴极电压之间的电势，地大约是阳极像素的电势。图16和19涉及本发明的另一方面，可以任选地将其用作独立、自成体系的方案或 用作上述设计的修改。本发明的这一部分是由如下问题激发而做出的必须要通过实现高 通道密度而应对高光子通量的多层探测器中会产生热量。在这样的探测器中似乎必须要在尽可能接近直接转换元件的读出电子器件单元中进行信号处理，因为扇出大量微弱模拟信 号是不可能的(因此，上文描述互连层120有利地包括有源信号处理电路)。不过操作堆栈 之内电子器件的副作用是加热整个探测设备。如果将像CZT或CdTe的化合物半导体辐射探测器用作转换器材料，对于极化效应 而言温度升高可能是有利的。另一方面，半导体辐射传感器的泄露电流随着温度呈指数增 加。此外，仅能在特定温度极限，例如80°C以下才能保证CMOS电子器件的正常工作。于是， 所述探测器各方面之一将界定温度上限。对于想到的很多实施方式而言，这将要求控制探 测装置的温度。为了解决这个问题，这里提出提供具有小珀耳帖冷却设备的辐射探测器(或更具 体而言，辐射探测器的转换片和互连层的堆栈)，该冷却设备能够向堆栈体积之外传导热 量。图16针对辐射探测器400的第一种具体设计示出了这种情况，辐射探测器400包括以 面对面布置设置，带有中间阳极互连层420和阴极互连层440的转换片410的堆栈S。在垂 直于堆叠方向(χ方向)的该堆栈S的正面和背面，设置并操作平面珀耳帖冷却设备480， 使得每个珀耳帖冷却设备480的冷侧面对堆栈S，而热侧向外取向。此外，珀耳帖冷却设备 480的热侧连接到导热体，例如便于从模块向外传热的第二种金属板481。导热体481可以 额外具有电气功能，例如用作阴极层。图17示出了制造具有珀耳帖冷却设备480的辐射探测器的相继步骤。该过程类 似于图10的过程，包括以下步骤a)将转换片410凸块结合到阳极互连层420和代表阴极互连层的金属箔440，获 得b)单个平板。c)以面对面布置根据步骤a)+b)制造的平板以形成堆栈S。如图中所示，利用底填 材料填充边界体积BV中的空隙。此外，珀耳帖元件480附着到堆栈S的前侧和/或背侧。 珀耳帖元件480装备有通往适当电源的电连接，但不是与设备的其他部件电隔离的那个。d)从下游侧(图中的顶部)的边界体积BV除去一个体积以打开接触表面CS。e)应用后端工艺生产再分配层，再分配层包括用于向阴极层提供偏压的总线 442。更具体而言，再分配层的总线442热连接到珀耳帖元件480的冷侧(参见图17f)。f)向珀耳帖元件480的热侧附着热沉，例如金属箔481。应当指出，在本实施例和类似实施例中，有利的是将珀耳帖元件的冷侧与堆栈之 内的金属板连接。如果对转换片和互连层堆栈的侧壁(也)进行金属化(参考图13-15)，则有大的 面积用于热传导。图18针对具有转换片510、阳极层520和阴极层MO的辐射探测器500 的一个堆栈S示出了这种情况。该堆栈S的侧面覆盖了金属箔M1，金属箔为阴极层提供偏 压，同时充当附着于其上的珀耳帖元件580的热沉。必须要根据机械性质和电导率选择堆栈之内的金属板。根据Wiedemarm-Franz定 律，后者的大小与热导率成比例。例如，可以使用镍，镍具有90W/(m*K)的比热导率。通过 进行构造，珀耳帖元件的冷侧具有堆栈中金属板(阴极层)的电势U(例如，-150V)。必须 将热侧设置成电势U+Δυ，其中AU是珀耳帖致冷器的电源电压。还必须要由后端工艺提供 用于该电压U+AU的电气引线(未示出)。
分两个阶段进行根据图18所示的辐射探测器500的组装。在第一阶段中，制造堆 叠的转换片和互连层的模块，获得可工作的X射线探测器。在第二阶段中，例如通过将珀耳 帖元件580的冷侧粘合到两个侧壁(垂直于平板方向)处的金属化Ml，可以将珀耳帖致冷 器附着于堆栈S的侧壁。如果需要，可以向珀耳帖冷却设备580附着额外的导热层581。图19示意性地示出了可以用作上述辐射探测器中的珀耳帖冷却设备的热电部件 的原理。热电珀耳帖冷却设备80基于η掺杂和ρ掺杂的碲化铋半导体材料(例如，可以从 美国Austin的nanoCoolers买到)。该设备具有分层结构，(自上而下)具有导热且电绝 缘的顶层80a以及导电层80b，沿横向彼此交替设置的ρ和η掺杂区域80c以及导热导电的 载体80e。ρ和η掺杂区域80c被隔热且电绝缘块80d彼此分开，使得DC电源提供的电流 能够在蜿蜒路径上流经装置。在施加DC电流时，珀耳帖冷却设备80的一侧(例如，对于图示的电压极性为顶 侧)将吸热(变冷)，而另一侧将散热。通过反转电流方向，热侧和冷侧能够交换极性(热 侧变为冷侧，反之亦然)。制造工艺非常类似于用于硅集成电路的薄膜制造工艺(标准的 CMOS金属层工艺)，但使用碲化铋材料。因此可以构造出面积很大的非常薄的冷却设备。总之，已经描述了在多层传感器中并入非常小的冷却设备。这种方法的一个新颖 特征是，电源线，即阴极偏压的电源结构还用于从堆栈传热。所述方法的重要应用是具有能量分辨率的计算断层成像(CT)、具有能量分辨率的 投影成像或可能受益于能量解析X射线光子计数的任何其他应用。最后要指出的是，在本申请中，“包括”一词不排除其他元件或步骤的存在，“一”并 不排除多个，且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明体现在每个新颖 的特征要素和特征要素的每种组合中。此外，权利要求中的附图标记不应被视为限制它们 的范围。
权利要求
1.一种具有转换片(310)和互连层(320,340)的堆栈(S)的辐射探测器(300)，还包 括设置于所述堆栈的至少一个表面上的外部电极系统(360)。
2.根据权利要求1所述的辐射探测器(300)，其特征在于所述外部电极系统(360)连 接到用于向其提供电压的电压源(370)。
3.一种具有转换片(410,510)和互连层(420,440)的堆栈(S)的辐射探测器(400， 500)，尤其是根据权利要求1所述的辐射探测器，包括用于从所述堆栈除热的珀耳帖冷却 设备(480，580)。
4.根据权利要求3所述的辐射探测器(500)，其特征在于所述珀耳帖冷却设备(580) 热连接到电导体(541)，所述电导体电连接到所述堆栈⑶内部的部件。
5.根据权利要求3所述的辐射探测器000，500)，其特征在于所述珀耳帖冷却设备 (480,580)设置于所述堆栈(S)的表面上。
6.一种具有转换片(110，210)和互连层(120，220，140，140')的堆栈(S)的辐射探 测器(100，200)，尤其是根据权利要求1或3所述的辐射探测器，其中-所述互连层连同电气引线(123，141，141')延伸到刚性体中，所述刚性体填充所述 转换片侧面的边界体积(BV)，-所述引线(123，141，141')结束于所述边界体积的接触表面(CS)中。
7.一种用于生产辐射探测器(100，200)的方法，包括以下步骤a)堆叠转换片(110,210)和互连层(120，220，140，140')，使得所述互连层连同电气 引线(123，141，141')延伸到所述转换片侧面的边界体积(BV)中；b)利用材料(130)至少部分填充所述边界体积(BV)中所述互连层之间的空隙；c)从所述边界体积(BV)去除一体积以在接触表面(⑶)中暴露所述互连层的引线 (123,141,141')。
8.根据权利要求6所述的辐射探测器(100，200)或根据权利要求7所述的方法，其特 征在于在所述接触表面(CS)中为所述互连层(120，220)的引线(123，141，141')提供扩 大区域(131，132，133)。
9.根据权利要求8所述的辐射探测器(100，200)或方法，其特征在于所述扩大区域 (131)包括所述接触表面(⑶)上的金属。
10.根据权利要求8所述的辐射探测器(100，200)或方法，其特征在于所述扩大区域包 括结合到所述引线(123，141，141')且在所述接触表面(CS)中被切割的额外导电材料，尤 其是导线(132)、金属块或焊料凸点(133)。
11.根据权利要求1、3或6所述的辐射探测器(100，200，300)或根据权利要求7所述 的方法，其特征在于所述互连层包括至少一个“导电互连层”(140，140 ‘，340)，所述导电互 连层包括通过本层整个厚度延伸的导电材料。
12.根据权利要求1、3或6所述的辐射探测器(100，200，300)或根据权利要求7所述 的方法，其特征在于所述互连层包括至少一个“绝缘互连层”(120，220，320)，所述绝缘互连 层包括在一个表面上有引线(12 的电绝缘衬底(121)。
13.根据权利要求6所述的辐射探测器(100，200)或根据权利要求7所述的方法，其特 征在于所述互连层(140')中的至少一个不完全穿透所述边界体积(BV)。
14.根据权利要求6所述的辐射探测器(100，200)或根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述互连层包括两组，并且其特征在于所述边界体积(BV)有优选彼此垂直的两个 相关联的不同接触表面(CS，CS')。
15. 一种成像设备，尤其是X射线、CT、PET、SPECT或核成像设备，其包括根据权利要求 1、3或权利要求6所述的辐射探测器(100，200，300)。
全文摘要
本发明涉及一种辐射探测器和用于生产其的方法，其中堆叠一系列转换片(110)和互连层(120)，互连层延伸到转换片(110)侧面的边界体积(BV)中。通过用底填材料填充边界体积(BV)中的空隙并通过边界体积切割，产生了互连层(120)的电气引线(123)自由伸展的接触表面(CS)。为了实现良好的接触，优选在接触表面中，例如通过向引线焊接导线(132)为所述引线(123)提供扩大区域。
文档编号G01T1/29GK102144176SQ200980134629
公开日2011年8月3日 申请日期2009年9月1日 优先权日2008年9月8日
发明者C·博伊默, C·斯洛布, C·赫尔曼, J·W·威克普, K·J·恩格尔, N·J·A·范费恩, R·斯特德曼布克, R·范阿塞特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司