CZ310034B6 - Způsob výroby elektricky vodivých spojů s 3D uspořádáním mezi komponentami detektoru ionizujícího záření a detektor s elektricky vodivými spoji vyrobenými tímto způsobem - Google Patents

Abstract

Vynález se týká výroby elektrických vodivých spojů s 3D uspořádáním mezi komponentami detektoru (1) ionizujícího záření, při které se zabraňuje degradaci komponent detektoru vlivem mechanického namáhání, tepelného namáhání, či jejich kombinací. Vynález se zaměřuje na přesně lokalizovanou aplikaci elektrovodivého pojiva mezi elektrickými kontakty (2) desky (5) plošných spojů a elektrickými kontakty (3) čtecího čipu (4) detektoru (1) ionizujícího záření.

Description

Způsob výroby elektricky vodivých spojů s 3D uspořádáním mezi komponentami detektoru ionizujícího záření a detektor s elektricky vodivými spoji vyrobenými tímto způsobem

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby elektricky vodivých spojů s 3D uspořádáním v detektoru ionizujícího záření tvořeného tepelně a mechanicky zranitelnými komponentami vyžadujícími přesnou montáž, a dále se vynález týká detektoru ionizujícího záření s elektricky vodivými spoji vyrobenými tímto způsobem.

Dosavadní stav techniky

V současné době čtvrté průmyslové revoluce se k přenosu elektrické energie a elektrických signálů mezi jednotlivými komponenty elektrických zařízení stále v největší míře používají elektricky vodivé pájky. Pájkou je z pravidla kov, nebo eutektická slitina kovů, mající nižší teplotu tání, než je teplota tání spojovaných materiálů. Díky této podmínce, se pájka při působení tepla roztaví, aniž by došlo k natavení spojovaných materiálů.

Nevýhody pájení spočívají v tom, že teplo pro roztavení pájky se šíří do bezprostředního okolí, přičemž může dojít k tepelnému poškození okolních materiálů, včetně jejich struktur. Například může dojít k opětovnému natavení již vytvořených pájených spojů, nebo k degradaci okolního materiálu působením sil zapříčiněných teplotní roztažností materiálu atp.

Alternativou k elektricky vodivým pájkám jsou elektricky vodivá lepidla, která nemusí být pro vytvoření elektricky vodivého spoje roztavena. Nevýhody elektricky vodivých lepidel spočívají v tom, že vykazují nižší elektrickou vodivost než pájky, a že se v některých případech musejí vytvrzovat působením světelného záření, např. v rozsahu vlnových délek UV světla. Naproti tomu pájka může být roztavena i v místech, kam se přímé osvětlení pro zastínění pájenými komponentami nedostane. V těchto případech tedy elektricky vodivá lepidla vyžadující vytvrzení UV světlem nelze použít.

V současné době jsou známé zobrazovací detektory ionizujícího záření, které jsou určeny pro intenzivně zdokonalované zobrazovací a diagnostické metody využívající ionizující záření, a které nacházejí čím dál více uplatnění v nejrůznějších technických i netechnických oborech od nedestruktivního testování kvality výrobků v průmyslu, až po diagnostické zobrazovací metody v medicíně. Prudký rozvoj těchto metod souvisí s digitalizací celého procesu snímání a zpracování obrazu. Vývoj nových plně digitálních obrazových snímačů je nutným předpokladem k dalšímu růstu kvality poskytované obrazové informace a to, jak ve 2D, tak ve 3D.

Nastupujícím typem zobrazovacích detektorů radiace jsou polovodičové detektory s přímou konverzí dopadajícího záření na elektrický signál. Konverze probíhá v objemu každého elementu (pixelu) polovodičového sensoru, ve kterém každé kvantum detekované radiace (např. každý foton rentgenového záření) vytvoří ionizací elektrický náboj, jenž může být následně přímo digitalizován v připojeném elektronickém obvodu specializovaného elektronického čipu, nebo akumulován v paměťové kapacitě. Každý pixel může být vybaven nezávislým elektrickým obvodem pro zpracování jednotlivých elektrických nábojů vytvořených jednotlivými kvanty záření. Tímto způsobem lze digitalizovat informaci o každém dopadajícím kvantu dopadajícího záření zvlášť (tj. například pro každý foton rentgenového nebo gama záření). Obrazová informace tedy již nemusí být akumulována v průběhu exposiční doby analogově, ale registrována digitálně například ve formě počtu částic (např. fotonů), které na pixel dopadly. V některých rozšířeních lze zaznamenat nejen počet dopadajících částic, ale i jejich další vlastnosti jako je energetické spektrum nebo čas detekce. Polovodičové detektory s přímou konverzí jsou vyráběny jednak jako monolitické, nebo jako hybridní.

- 1 CZ 310034 B6

Monolitický pixelový detektor s přímou konverzí obsahuje jeden čip, jehož polovodičový materiál slouží jako sensor, ve kterém probíhá ionizace, a na jehož povrchu jsou vytvořeny elektronické obvody pro čtení a digitalizaci signálů. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost použití polovodiče vhodného jak pro vytvoření elektronických obvodů na dostatečné úrovni integrace, tak pro funkci sensoru tedy křemíku. Použití jiných materiálů více vhodných pro detekci požadovaného druhu záření je komplikované.

Hybridní pixelové detektory s přímou konverzí sestávají z dvojice čipů umístěných na sobě: z tzv. senzorového čipu a z tzv. čtecího čipu (v odborné literatuře se používá zkratka ROC = z anglického Read-Out Chip). Plocha senzorového čipu je rozdělena na matici elementů (pixelů), každý pixel je opatřen elektricky vodivým kontaktem. Těmito kontakty dosedá senzorový čip na odpovídající kontakty čtecího čipu. Hybridní konstrukce detektoru umožňuje kombinovat určitý typ čtecího čipu s různými senzorovými čipy zhotovenými z různých polovodičových materiálů optimalizovaných pro detekci konkrétního typu ionizujícího záření. Například pro detekci rentgenového záření do energie nízkých desítek kilo-elektronvoltů (keV) se používají převážně křemíkové senzorové čipy, pro vyšší desítky keV pak GaAs senzorové čipy, a pro energie ve stovkách keV jsou senzorové čipy zhotovovány z CdTe (Cadmium Telluride) nebo CZT (Cadmium Zink Telluride). Další nové typy materiálů senzorových čipů jsou intenzivně vyvíjeny.

Oba hlavní typy detektorů s přímou konverzí (monolitický i hybridní) jsou obvykle prostřednictvím elektrovodivých kontaktů umístěných většinou podél jedné, nebo více, stran čtecího čipu připojeny k plošnému spoji pro připojení ke zdroji napájecích napětí, k řídicí elektronice, anebo počítači pro záznam dat. Příkladem takového uspořádání je vynález z patentového dokumentu CZ 304899 B. Tento způsob připojení vyžaduje, aby část čtecího čipu alespoň podél jedné ze stran přesahovala senzorový čip, jak je vyobrazeno na obr. 1., přičemž přesahující část čtecího čipu se označuje jako periferie.

V současné době rozvíjenou alternativou k výše uvedenému uspořádání elektrovodivých kontaktů podél alespoň jedné strany čtecího čipu je nastupující technologie připojení prostřednictvím vodivých průchodek skrz křemíkový čtecí čip, viz obr. 2. Tyto průchodky známé zatím pouze pod anglickou zkratkou TSV (z angl. fráze „Through Silicon Via“) umožňují přenést elektrické signály na zadní stranu čtecího čipu, a zde je kontaktovat například prostřednictvím pole kuliček elektrovodivé pájky. Příkladem technologie TSV je například vynález známý z dokumentu US 9496310 B. Technologie použití pole kuliček pájky je označována zkratkou BGA (z angl. fráze „Ball Grid Array“) a příkladem takové technologie je vynález známý z dokumentu US 6373139 B1. Technologie TSV kombinovaná s BGA montáží vyžaduje, aby byla druhá strana čtecího čipu (někdy je v literatuře označována jako strana substrátu) upravena tak, že je na ní vytvořen obrazec vodivých cest propojujících TSV průchodky s elektricky vodivými ploškami upravenými pro pájení. Tento propojovací obrazec bývá označován jako redistribuční maska. Deska plošného spoje obsahuje stejné rozložení kontaktovacích elektrovodivých plošek. Na elektrovodivé plošky jednoho z těchto povrchů je nanesena pájka ve tvaru kuliček. Po přitlačení obou komponent na sebe je celá sestava zahřáta na teplotu tání pájky, čímž dojde jak k elektrickému, tak k mechanickému spojení.

Připojení detektoru ze strany čtecího čipu prostřednictvím drátových propojek, viz obr. 1, umožňuje přiložit ze zadní strany detektoru blok pro chlazení, nebo pro stabilizaci teploty senzorového čipu, což umožňuje zlepšit kvalitu detekovaného signálu, a tedy i obrazu. U technologie výroby TSV+BGA, ve které je detektor připojen k desce plošných spojů ze spodní strany čtecího čipu, je možnost tepelné stabilizace omezena, což je jedna z nevýhod takového řešení. Další nevýhodou technologie TSV+BGA pro připojení desky plošných spojů k elektrickým kontaktům čtecího čipu je použití pájky pro vznik vodivého propojení mezi čtecím čipem a deskou plošných spojů. Při BGA montáži je nutné zvýšit teplotu celého detektoru, včetně plošných spojů mezi čtecím a senzorovým čipem, až na teplotu tání pájky. Některé materiály

- 2 CZ 310034 B6 používané pro výrobu senzorového čipu však při tomto ohřevu degradují (např. CdTe degraduje již při teplotě kolem 150 °C, Hgl· degraduje již kolem 100 °C).

Další nevýhody v současné době známé BGA montáže spočívají v tom, že zahřátí sestavy komponent detektoru na teploty tání pájky představuje riziko mechanického poškození komponent detektoru při nekompatibilitě koeficientu tepelné roztažnosti materiálu senzorového čipu, čtecího čipu a desky plošných spojů. Navíc zahřátí detektoru při BGA montáži může poškodit již hotové propojení senzorového čipu ke čtecímu čipu, které je často realizováno také pomocí kuliček pájky (tzv. bump-bonding). BGA montáž tedy v tomto případě vyžaduje použití pájky s nižším bodem tání. Tento požadavek je však v některých případech těžké splnit, neboť teplota tání pájky pro bump-bonding je blízká teplotě tání pájky pro montáž BGA.

Další nevýhoda BGA montáže spočívá v tom, že přesnost výroby desky plošných spojů je nižší, než přesnost výroby senzorových a čtecích čipů. Vytvoření detektoru ionizujícího záření se souvislou detekční plochou větší, než je plocha jednoho čipu senzoru vyžaduje uspořádání několika (mnoha) těchto čipů vedle sebe s přesností na úrovni velikosti jednoho pixelu senzorového čipu v celé ploše. Při plochách větších než cca 5 x 5 cm² je splnění tohoto požadavku výrobně náročné, a tím finančně nákladné. Přitom se v průběhu BGA montáže může vzájemná poloha komponent mírně změnit. Je tedy obtížné dodržet dostatečnou přesnost a rovinnost ve všech třech rozměrech zejména při montáži velkého počtu segmentů do souvislé detekční plochy.

BGA montáž v některých případech vyžaduje použití jisté přítlačné síly, která musí být aplikována prostřednictvím senzorového čipu. Některé materiály senzorových čipů a/nebo struktura velmi tenké krycí elektrody na povrchu senzorového čipu u monolitických detektorů jsou však velmi náchylné na mechanické poškození. Aplikace vnější síly je tedy nežádoucí.

Úkolem vynálezu je vytvoření způsobu výroby elektricky vodivých spojů v detektorech ionizujícího záření s tepelně a mechanicky zranitelnými komponentami, který by využíval pro výrobu spoje omezené množství tepla a který by dokázal efektivně odvádět odpadní teplo, aby nedocházelo k degradaci okolních komponent. Rovněž je úkolem vynálezu vytvoření detektoru ionizujícího záření s elektricky vodivými spoji vytvořenými právě tímto způsobem.

Podstata vynálezu

Vynález řeší způsob mechanické montáže a výroby elektricky vodivého spoje mezi komponentami detektoru ionizujícího záření vytvořeného podle níže uvedeného vynálezu.

Výše uvedené nedostatky technologie BGA montáže jednotlivých hybridních zobrazovacích detektorů radiace s využitím technologie TSV odstraňuje následující vynález, a to proto, že BGA technologie je mechanická montáž, tj. přesné umístění a upevnění detektoru a dále tvorba elektrických propojení, realizována jediným výrobním krokem a to pájením, při kterém dochází k zahřátí cele sestavy na teplotu tání použité pájky.

Nový vynález umožňuje provést krok mechanické montáže nezávisle na kroku tvorby elektrických propojení. Toto rozdělení umožňuje výrazně zlepšit kvalitu obou výrobních kroků. Samotný krok tvorby elektrických propojení prostřednictvím pájení navíc nevyžaduje celkový, ale jen velmi rychlý a lokální ohřev s minimem dodané tepelné energie přes desku plošných spojů.

V tomto novém řešení není čtecí čip mechanicky fixován k desce plošných spojů, ale k nezávislému teplovodivému nosiči (např. kovový nebo keramický) například pomocí lepidla. Nosič zajišťuje efektivní přenos tepla, umožňuje dosáhnout vyšší přesnosti umístění detektoru, jeho fixaci a následnou mechanickou stálost. Na společném nosiči může být vedle sebe umístěno

- 3 CZ 310034 B6 více segmentů detektorů. Pro umožnění elektrického propojení je v tomto nosiči vytvořen jeden nebo více otvorů.

Elektrické připojení signálů je zajištěno prostřednictvím prostorově tvarované desky plošných spojů, umístěné pod čtecím čipem v otvorech v teplovodivém nosiči tak, že se těsně přimyká k povrchu zadní strany čtecího čipu, kde je vytvořena sada kontaktních plošek. Stejně rozmístěné kontaktní plošky jsou vytvořeny i na desce plošných spojů. Postup vytvoření elektrického kontaktu mezi oběma částmi je navržen ve třech výhodných provedeních:

Ve výhodném provedení způsobu podle vynálezu se v oblasti každého elektrického kontaktu na desce plošných spojů před přiložením k elektrickému kontaktu čtecího čipu vytvoří otvor, kterým je následně do prostoru mezi příslušnou kontaktní ploškou čtecího čipu a plošného spoje zavedeno elektrovodivé pojivo. Toto pojivo zprostředkovává pouze elektrický kontakt mezi příslušnou ploškou na desce plošných spojů a na čtecím čipu detektoru a neslouží tedy k mechanické fixaci čipu. Pojivo tedy může mít i formu gelu nebo viskózní kapaliny. Pro lepší pokrytí kontaktní plošky čtecího čipu a její spolehlivé propojení s příslušnou ploškou plošného spoje lze s výhodou využít kapilární síly. V tomto případě je výhodné volit materiál kontaktů tak, aby byl pro kapalná pojiva smáčivý a materiál mimo kontakty byl naopak nesmáčivý.

Dále je výhodné provedení způsobu podle vynálezu, při kterém se jako elektrovodivé pojivo použije pájecí pasta, která se zavede do otvoru elektrického kontaktu desky plošných spojů před přiložením k elektrickým kontaktům čtecího čipu. Pájecí pasta drží v otvorech dobře pro umožnění manipulace s deskou plošných spojů. Po přiložení desky plošných spojů k elektrickým kontaktům čtecího čipu je postupně a v každém otvoru pájka v pájecí pastě roztavena. Toto tavení je provedeno krátkodobým lokálním ohřevem skrz příslušný otvor alespoň jedním zdrojem tepla ze skupiny: laserový paprsek, fokusované infračervené světlo, pájecí hrot, ultrazvukový paprsek, řízený proud teplého plynného média. Při roztavení je pájka kapilárními silami vtažena mezi elektrické kontakty, čímž je vytvořen spoj s požadovanou elektrickou vodivostí. Tento proces bodového pájení je aplikován postupně na všechny kontakty. Při tomto bodovém pájení je tepelná energie dodána velmi rychle skrz otvor přímo pájecí pastě, kde slouží pouze pro roztavení malého objemu pájky v otvoru a pro ohřev příslušných kontaktních plošek. Tato tepelná energie je následně rozptýlena do mnohem většího objemu materiálu křemíkového čtecího čipu, kde způsobí jen nepatrné zvýšení teploty. Teplo je dále odvedeno do tepelně vodivého nosiče a nezpůsobí tedy významné zvýšení teploty čipu sensoru umístěného na druhé straně čtecího čipu. Zvýšení teploty sestavy čtecího čipu a sensoru lze vhodným řízením procesu bodového pájení udržet v intervalu 0.1 až 10 °C. Při tomto postupu tedy odpadá hlavní negativní postupový krok technologie BGA, kterým je zahřívání celé sestavy zahrnující desku plošných spojů a detektor na teplotu tání použité pájky, která činí obvykle 120 až 300 °C.

Dalším výhodným provedením způsobu podle vynálezu je takové, ve kterém se jako elektrovodivé pojidlo použije elektrovodivé lepidlo, které se následně vytvrzuje pomocí UV světla procházejícího skrz otvor. Použití elektrovodivého lepidla a UV světla má minimální negativní dopad na komponenty detektoru ionizujícího záření. Lepidlo se nanáší za bezpečné teploty, intenzivní svazek UV světla neohřeje místo dopadu o více než několik stupňů Celsia. Podobně lze použít elektrovodivá lepidla vytvrzovaná teplem. Teplo je dodáno lokálně skrz otvor jedním z postupů uvedených výše (laserový paprsek, pájecí hrot, ..).

Výhody vynálezu spočívají v nové technologii pájení skrz prostorově tvarovanou desku plošných spojů. Ve výhodném provedení může být tato deska navíc flexibilní pro usnadnění formování do požadovaného prostorového tvaru. Toto řešení nevyžaduje celkové zvýšení teploty všech komponent tedy detektoru a desky plošných spojů, ale vystačí s lokálním a velmi rychlým ohřevem tak, že se v průběhu této operace teplota senzorového čipu změní jen nepatrně, typicky o jednotky stupňů Celsia.

- 4 CZ 310034 B6

V neposlední řadě je také výhodné provedení způsobu podle vynálezu, pokud je elektrovodivé pojivo nejdříve naneseno v požadované vrstvě na kontakty ještě před přiložením desky plošných spojů ke čtecímu čipu. Po přiložení elektrických kontaktů k sobě je elektrovodivé pojivo bezkontaktně roztaveno/aktivováno pomocí laserového paprsku procházejícího deskou plošných spojů. Vlnová délka laserového paprsku a materiál desky plošných spojů jsou přitom voleny tak, že absorpce laseru v materiálu desky je mnohem menší, než absorpce paprsku v materiálu kontaktu nebo pojidla. Laser tedy prozáří desku plošných spojů s minimálním účinkem na její materiál a je pohlcen až materiálem kontaktu nebo pojidla. Tímto způsobem dojde k lokálnímu ohřátí pojidla, čímž dojde k jeho natavení/aktivaci. Materiál s nízkou absorpcí světla dané vlnové délky může tvořit celou desku plošných spojů, nebo jen její vybrané oblasti. Tento způsob provedení nevyžaduje vytvoření otvorů v desce plošných spojů v místech jednotlivých kontaktů.

Alternativním výhodným provedením způsobu podle vynálezu je takové, při kterém se elektrické kontakty desky plošných spojů připojí pomocí tenké elektrovodivé dráhy uspořádané na desce plošných spojů k uzemněné elektrovodivé dráze, načež se po přiložení protilehle uspořádaných elektrických kontaktů nechá elektrickými kontakty desky plošných spojů, tenkými vodivými drahami a uzemněnou elektrovodivou dráhou protékat elektrický proud pro odporové roztavení elektrovodivého pojidla, načež se po vytvoření elektricky vodivého spoje tenké vodivé dráhy přepálí elektrickým proudem, nebo se mechanicky odstraní uzemněná elektrovodivá dráha. Zásadní výhoda tohoto provedení způsobu spočívá v tom, že zatímco ostatní způsoby vyžadují přesné navádění prostředku dodávajícího teplo do místa tvořeného elektrického propojení v průběhu pájení (ať už se jedná o světelné paprsky, hroty, či proudy horkého plynného média), tak oproti výše zmíněnému tento způsob vyžaduje pouze přesné nasazení desky plošných spojů na substrát čtecího čipu. Což významně zjednodušuje automatizaci výrobního procesu.

V rámci provádění způsobů podle vynálezu je výhodné, pokud se jeden teplovodivý nosič použije pro dva a více čtecích čipů současně, neboť může sloužit jako nosná konstrukce při skládání detektorů do souvislé detekční plochy výsledného detektoru ionizujícího záření. Dále je výhodné, pokud se použije flexibilní deska plošných spojů o tloušťce v rozmezí od 50 μm do 500 μm. V neposlední řadě je výhodné, pokud se vytvoří v desce plošných spojů otvor o průměru minimálně 50 μm.

Součástí vynálezu je rovněž detektor ionizujícího záření s alespoň jedním elektricky vodivým spojem mezi jeho komponenty vytvořeným podle některého z výše uvedených způsobů. Detektor zahrnuje alespoň jeden senzorový čip pro snímání ionizujícího záření a alespoň jeden čtecí čip pro čtení signálů ze senzorového čipu, který je uspořádaný pod senzorovým čipem. Dále detektor zahrnuje alespoň jednu desku plošných spojů pro připojení detektoru ionizujícího záření k externímu zařízení, která je propojená se čtecím čipem pomocí alespoň jedné dvojice protilehle uspořádaných elektrických kontaktů.

Podstata vynalezeného detektoru spočívá v tom, že elektrický kontakt je vytvořen na straně substrátu čtecího čipu. Umístění elektrického kontaktu na stranu substrátu umožňuje vytvoření souvislé detekční plochy detektoru ve všech směrech 2D prostoru. Dále je podstatné, že strana substrátu čtecího čipu je z části umístěna na teplovodivý nosič, který slouží jako prostředek pro odvedení přebytečného tepla, čímž chrání komponenty detektoru před poškozením, jak při tvorbě elektrovodivých spojů mezi elektrickými kontakty, tak při provozu detektoru. Deska plošných spojů je prostorově tvarovaná tak, aby jedna její část prošla otvorem v teplovodivém nosiči, další část může nést například konektor pro připojení externí elektroniky. Je výhodné použít ohebnou desku plošných spojů, kterou lze tvarovat podle potřeby.

Ve výhodném provedení detektoru podle vynálezu je detektor tvořen polem spárovaných senzorových čipů a čtecích čipů uspořádaných do souvislé detekční plochy, přičemž teplovodivý nosič vymezuje pod každým čtecím čipem senzorového čipu alespoň jeden otvor pro průchod desky plošných spojů k substrátu čtecího čipu. Tento otvor zajišťuje přístup k elektrickým

- 5 CZ 310034 B6 kontaktům čtecího čipu. Teplovodivý nosič také fixuje čipy na svém místě, aby nedošlo k narušení souvislé detekční plochy.

S výhodou je alespoň jeden teplovodivý nosič opatřen vedením chladicího média, nebo je dutý pro vedení chladicího média. Toto médium slouží k odvádění přebytečného tepla z teplovodivého nosiče.

Mezi hlavní výhody vynálezu patří šetrnost vůči tepelně a mechanicky citlivým komponentům detektoru ionizujícího záření. Způsob podle vynálezu šetrně nakládá s teplem pro pájení, případně umožňuje nasazení elektrovodivého lepidla. Polovodičové struktury senzorových čipů jsou vytvořeny z tepelně velice citlivých materiálů a současně jsou tyto struktury náchylné na mechanické poškození v důsledku tepelné roztažnosti požitých materiálů. Tato poškození mohou nastat zejména při větším počtu senzorových čipů sestavených do souvislé detekční plochy již při ohřevu v řádech desítek stupňů Celsia. Navíc vynalezený způsob využívá z pohledu pájení stávající stav techniky, takže není potřeba pro jeho nasazení vytvářet kompletně nové nástroje a materiály. Je možné použít stávající zdroje tepla, stávající pojiva atp. Detektor ionizujícího záření se spoji vytvořenými podle vynálezu může zahrnovat pole detekčních segmentů ze senzorových a čtecích čipů sesazených do souvislé detekční plochy, aniž by docházelo k deformacím (průhybům) při mechanickému upevnění na teplovodivé nosiče, k deformaci vlivem tepelné roztažnosti atp. Vynález navíc umožňuje vést elektrické vodiče v prostoru pod čtecími čipy, a tedy i pod celým detektorem ionizujícího záření.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje dosavadní stav techniky s bočním vyvedením elektrických kontaktů čtecího čipu, obr. 2 znázorňuje dosavadní stav techniky s vyvedením elektrických kontaktů skrz čtecí čip (TSV technologie), obr. 3 znázorňuje detektor podle vynálezu s flexibilní deskou plošných spojů opatřenou otvory pro průchod pojiva, obr. 4 znázorňuje detektor podle vynálezu s flexibilní deskou plošných spojů s natavováním pojiva pomocí prozáření materiálu flexibilní desky plošných spojů, obr. 5 znázorňuje flexibilní desku plošných spojů s tenkými elektrovodivými dráhami a s uzemněnou elektrovodivou dráhou.

Příklad uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.

Na obr. 3 je vyobrazen příčný řez částí detektoru 1 ionizujícího záření, který zahrnuje dva páry tvořené senzorovým čipem 7 a čtecím čipem 4. Senzorový čip 7 je ke čtecímu čipu 4 připojen pomocí pole rozmístěných kuliček pájky, tzv. bump-bonding. Senzorové čipy 7 jsou uspořádány do souvislé detekční plochy a k nim přiřazené čtecí čipy 4 jsou uloženy na teplovodivých

- 6 CZ 310034 B6 nosičích 6. Na straně substrátu čtecích čipů 4 mezi teplovodivými nosiči 6 jsou vytvořeny elektrické kontakty 3 pro elektrické připojení desky 5 plošných spojů.

Deska 5 plošných spojů je tvořena flexibilním materiálem, aby ji bylo možné zohýbat do správného prostorového tvarování tak, aby se vyhnula teplovodivým nosičům 6.

Teplovodivé nosiče 6 jsou tvořeny kovovými nosníky vykazujícími tvarovou stálost, tepelnou a radiační odolnost. Navíc může teplovodivými nosiči 6 v nevyobrazeném uskutečnění vynálezu procházet chladicí médium, ať už přímo, či vedením chladicího média.

Jak je z obr. 3 zjevné, je deska 5 plošných spojů opatřena otvory 8 a elektrickými kontakty 2, které jsou vytvořené v otvorech 8. Elektrické kontakty 2 mají v tomto vyobrazeném příkladu uskutečnění vynálezu tvar dutých špulek, tento tvar je v elektronice označován jako prokovy. Současně jsou otvory 8 ve flexibilní desce 5 plošných spojů vyplněny elektrovodivým pojivem, které je skrz otvor 8 natavováno zdrojem 9 tepla, např. pulsním laserovým paprskem, či pájecím hrotem. Zdroj 9 tepla systematicky postupuje od jednoho otvoru 8 ke druhému, taví elektrovodivé pojivo, které je kapilární silou vtaženo mezi elektrické kontakty 2 a 3, čímž dojde ke vzniku pájeného spoje. Odpadní teplo uniká vedením přes křemíkový čip do teplovodivých nosičů 6.

Elektrovodivým pojivem může být pájka například s cínově-olověným nebo indium-cínovým základem. Či je elektrovodivé pojivo tvořeno elektrovodivým lepidlem, které se vytvrzuje skrz otvor 8 UV světelným paprskem. V jiných příkladech uskutečnění vynálezu může mít elektrovodivé pojivo formu gelu, či viskózní kapaliny.

V příkladu uskutečnění vynálezu na obr. 4 je namísto obecného zdroje 9 tepla použit laserový paprsek 10. Laserový paprsek 10 má vlnovou délku zvolenou tak, aby procházel materiálem plošného spoje a byl pohlcován materiálem kontaktu 2. Flexibilní deska 5 plošných spojů je souvislá bez otvorů 8, přičemž je elektrovodivé pojivo uloženo na elektrickém kontaktu 2 flexibilní desky 5 plošných spojů. Laserový paprsek 10 proniká skrz flexibilní desku 5 plošných spojů s minimální energetickou ztrátou a zahřívá elektrický kontakt 2 desky 5 plošných spojů, od něhož se natavuje elektrovodivé pojivo. Případně, pokud není děravá deska 5 plošných spojů žádoucí, mohou být otvory 8 desky 5 ze světlo pohlcujícího materiálu zaslepeny materiálem s nízkou absorpcí vlnové délky laserového paprsku 10, takže se deska 5 plošných spojů jeví jako souvislá, přičemž obsahuje virtuální otvory pro průchod laserového paprsku 10.

Alternativní uskutečnění vynálezu je znázorněno na obr. 5. Flexibilní deska 5 plošných spojů zahrnuje navíc tenké elektrovodivé dráhy 11 směřující od elektrických kontaktů 2 k uzemněné elektrovodivé dráze 12. Po přiložení elektrických kontaktů 2 k elektrickým kontaktům 3 čtecího čipu 4, se nechá elektrovodivými dráhami 11 a 12 protékat elektrický proud, který zapříčiní nejprve lokální ohřev v oblastech přiložených elektrických kontaktů 2 a 3, poté natavení elektrovodivého pojiva a následné spájení elektrických kontaktů 2 a 3. Posléze se po ztuhnutí pájky nechá protékat krátký impulz zvýšeného proudu, který dříve přepálí tenké elektrovodivé dráhy 11, než se stihne opětovně natavit pájka mezi elektrickými kontakty 2 a 3. Alternativou k vysoko proudovému impulzu je mechanické oddělení uzemněné vodivé dráhy 12, např. odstřižením nebo odlomením v perforaci.

Průmyslová využitelnost

Způsob výroby elektricky vodivého spoje mezi komponenty detektoru ionizujícího záření a detektor s elektricky vodivým spojem podle vynálezu naleznou uplatnění v oblastech techniky využívajících pronikavého ionizujícího záření, zejména v průmyslové defektoskopii, v lékařství, a ve výzkumu.

Claims (12)

1. Způsob výroby elektricky vodivého spoje s 3D uspořádáním mezi komponentami detektoru (1) ionizujícího záření, v rámci kterého se nejprve vytvoří alespoň jedna dvojice protilehle uspořádaných elektrických kontaktů (2, 3) na alespoň jednom čtecím čipu (4) detektoru (1) ionizujícího záření a na alespoň jedné desce (5) plošných spojů detektoru (1) ionizujícího záření pro jeho připojení k externímu zařízení, a následně se dvojice protilehle uspořádaných elektrických kontaktů (2, 3) k sobě přiloží a oba elektrické kontakty (2,3) se spojí elektrovodivým pojivem pro vytvoření elektricky vodivého spoje, vyznačující se tím, že jeden z dvojice protilehle uspořádaných elektrických kontaktů (3) se vytvoří na straně substrátu čtecího čipu (4) a druhý z dvojice protilehle uspořádaných elektrických kontaktů (2) se vytvoří na prostorově tvarované desce (5) plošných spojů, přičemž se před přiložením a spojením elektrovodivým pojivem uspořádá čtecí čip (4) částí plochy substrátu na alespoň jeden teplovodivý nosič (6), a posléze se elektrovodivé pojivo aktivuje lokálně přes prostorově tvarovanou desku (5) plošných spojů.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se v oblasti elektrického kontaktu (2) na desce (5) plošných spojů před přiložením k elektrickému kontaktu (3) čtecího čipu (4) vytvoří otvor (8) pro zavedení elektrovodivého pojiva.

3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že se jako elektrovodivé pojivo použije pájecí pasta a že se zavede do otvoru (8) elektrického kontaktu (2) desky (5) plošných spojů před přiložením k elektrickému kontaktu (3) čtecího čipu (4), načež se po přiložení k elektrickému kontaktu (3) čtecího čipu (4) elektrovodivé pojivo natavuje skrz otvor (8) alespoň jedním zdrojem (9) tepla, ze skupiny pájecí hrot, laserový paprsek, ultrazvukový paprsek, řízený proud teplého plynného média, fokusované infračervené světlo.

4. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že se jako elektrovodivé pojidlo použije elektrovodivé lepidlo, které se následně vytvrzuje pomocí UV světla procházejícího skrz otvor (8) nebo pomocí tepla procházejícího skrz otvor (8).

5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektrovodivé pojivo se na jeden z protilehle uspořádaných elektrických kontaktů (2, 3) aplikuje v netečném stavu, načež se po přiložení elektrických kontaktů (2, 3) k sobě elektrovodivé pojivo bezkontaktně aktivuje pomocí laserového paprsku (10) procházejícího deskou (5) plošných spojů, přičemž se použije vlnová délka laserového paprsku (10), která je blízká hodnotě nejnižší absorpce světla materiálem desky (5) plošných spojů.

6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektrické kontakty (2) desky (5) plošných spojů se pomocí tenké elektrovodivé dráhy (11) uspořádané na desce (5) plošných spojů připojí k uzemněné elektrovodivé dráze (12), načež se po přiložení protilehle uspořádaných elektrických kontaktů (2, 3) nechá elektrickými kontakty (2) desky (5) plošných spojů, tenkými vodivými drahami (11) a uzemněnou elektrovodivou dráhou (12) protékat elektrický proud pro odporové roztavení elektrovodivého pojidla, načež se po vytvoření elektricky vodivého spoje tenké vodivé dráhy (11) přeruší elektrickým proudem, nebo se mechanicky odstraní uzemněná elektrovodivá dráha (12).

7. Způsob podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že jeden teplovodivý nosič (6) se použije nejméně na dvě řady sousedních čtecích čipů (4).

8. Způsob podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že se použije flexibilní deska (5) plošných spojů pro prostorové vytvarování ohybem o tloušťce v rozmezí od 50 μm do 500 μm.

9. Způsob podle některého z nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že se vytvoří v desce (5) plošných spojů otvor (8) o průměru minimálně 50 μm.

- 8 CZ 310034 B6

10. Detektor (1) ionizujícího záření s alespoň jedním elektricky vodivým spojem mezi jeho komponenty vytvořeným podle způsobu z některého z nároků 1 až 9, zahrnující alespoň jeden senzorový čip (7) pro snímání ionizujícího záření, alespoň jeden čtecí čip (4) pro čtení signálů ze senzorového čipu (7) uspořádaný pod senzorovým čipem (7), a alespoň jednu desku (5) plošných 5 spojů pro připojení detektoru (1) ionizujícího záření k externímu zařízení propojenou se čtecím čipem (4) pomocí alespoň jedné dvojice protilehle uspořádaných elektrických kontaktů (2, 3), vyznačující se tím, že elektrický kontakt (3) je vytvořen na straně substrátu čtecího čipu (4), že strana substrátu čtecího čipu (4) je z části uspořádána na teplovodivý nosič (6), a že deska (5) plošných spojů v oblasti půdorysného překrytí desky (5) plošných spojů s teplovodivým nosičem 10 (6) vede mimo teplovodivý nosič (6).

11. Detektor podle nároku 10, vyznačující se tím, že je tvořen polem senzorových čipů (7) uspořádaných do souvislé detekční plochy, přičemž teplovodivý nosič (6) vymezuje pod každým čtecím čipem (4) senzorového čipu (7) alespoň jeden otvor pro průchod desky (5) plošných spojů.

12. Detektor podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že teplovodivý nosič (6) je opatřen 15 vedením chladicího média, nebo je dutý pro vedení chladicího média.