CN1947660A - 用于多管芯背光照明二极管的模块组件 - Google Patents

Abstract

一种用计算机处理的断层摄影成像扫描器(10)模块，包括多个闪烁体(156)，与闪烁体(156)光学耦合的多个背光照明光电二极管，具有多个基底导电体的多层基底(204)，光电二极管与该多个基底导电体电耦合，其中多个基底导体中的每一个连接到一个不同的背光照明光电二极管上，以及具有多个挠性导电体的挠性电缆(308)，该基底与该多个挠性导电体电耦合，其中多个挠性导电体中的每一个连接到多层基底的不同输出端。

Description

用于多管芯背光照明二极管的模块组件

技术领域

本发明通常涉及医学成像系统，更具体地涉及计算机断层摄影术(CT)。虽然该应用主题主要应用于X射线系统，本发明还可用于其它成像设备中。

背景技术

现代CT扫描器典型地采用数千个X射线探测器将X射线能量转换成电信号。典型的探测器可包括附着到半导体光电二极管阵列上的闪烁体阵列，半导体光电二极管探测其前表面上的光或其它电离辐射。有些仪器具有可配置的探测器，其中可合并来自多个独立光电二极管的信号电流以在单个放大器通道中进一步处理。这种设置允许使用外部控制电开关(场效应管或FET)改变各像素的探测面积。用于电连接到 FET上的焊盘典型位于光电二极管的一端或两端，且全部像素阵列必需从阵列中心引导到FET近旁的一边或两边。

随着阵列内元件数目的增加，引线和焊盘的密度在光电二极管阵列边缘附近增加到难以达到的高水平。这对使用顶面触点可制成的引线和焊盘的数目与尺寸有某些物理限制。采用现有的引线连接和硅处理技术，只可实现每0.625mm像素不超过40-50个切片(在CT台架等中心处测量)。

在此描述的方法和设备可至少部分解决上述问题。

发明内容

在一个方面，提供一种计算机断层摄影成像扫描器模块，其包括多个闪烁体，与闪烁体光学耦合的多个背光照明光电二极管，具有多个基底导电体的多层基底，光电二极管与多个基底导电体电耦合，其中多个基底导体中的每一个连接到不同的一个背光照明光电二极管上，以及具有多个挠性导电体的挠性电缆，基底与该多个挠性导电体电耦合，其中多个挠性导电体中的每一个连接到多层基底的不同输出端上。

在另一方面，提供一种成像系统，其包括X射线源和定位成接收该X射线源发射的X射线的X射线探测器模块。该探测器模块包括面对X射线源的多个闪烁体，与闪烁体光学耦合的多个背光照明光电二极管，与多个背光照明光电二极管电耦合的多层基底，以及与多层基底电耦合的挠性电缆。

在又一方面，提供一种方法。该方法包括从闪烁体接收光子，将光子转换成电信号，通过多层基底传输该电信号，以及通过多层挠性电路传输该电信号。

还在另一方面，提供一种用于将背光照明二极管附着到多层基底的方法，该方法包括将立柱块通过引线焊接到背光照明二极管的表面，将粘合剂放置到多层基底的表面上，将带有立柱块的表面相对于多层基底上带有粘合剂的表面对准，将背光照明二极管和基底加热到粘合剂固化温度，以及向背光照明二极管和基底之间形成的间隙进行底层填料(underfilling)。

在另一方面，提供一种用于将挠性电路附着到基底上的方法。该方法包括将焊料块放置到多层基底的表面上，将软熔(reflow)封装剂放置到挠性电路表面上，使多层基底表面与焊料块表面对准，将挠性电路和基底加热到焊料软熔温度。

附图说明

图1是CT成像系统实施例的示意图。

图2是图1所示系统的示意框图。

图3示出已知探测器模块阵列。

图4示出图3所示的已知探测器模块。

图5示出将背光照明二极管阵列放置在基底上的情形。

图6示出基底和背光照明二极阵列之间的键合连接。

图7示出基底和挠性电路之间的键合连接。

图8示出挠性电路上牺牲垫(Sacrificial pads)的平面图。

图9示出附着到基底上的挠性电路，带有由牺牲垫的位置限定的挠曲的弯曲线。

具体实施方式

在此提供用于成像系统(例如但不限于计算机断层摄影(CT)系统)的射线探测方法和设备。参照附图说明该设备和方法，其中在全部附图中类似的标号指示相同的元件。这样的附图是用来解释说明的而非起限制作用的，因此，所包含的附图便于解释本发明的设备和方法的示范性实施例。

在某些已知的CT成像系统结构中，放射源投射出扇形射线束，其经过准直以后位于笛卡尔坐标系统的X-Y平面内，通常被称为“成像平面”。放射束穿过被成像物体，如患者。该射线束被物体衰减后撞击到射线探测器阵列上。探测器阵列接收的衰减的射线束的强度取决于物体对放射束的衰减。阵列的每个探测器元件生成单独的电信号，该电信号是在该探测器位置处的射线束衰减的量度。分别获取来自全部探测器的衰减的量度以生成透射分布。

在第三代CT系统中，放射源和探测器阵列与台架一起在成像平面内绕被成像物体转动，从而放射束与物体相交形成的角度恒定地改变。在一个台架角度来自探测器阵列一组放射衰减量度(即投影数据)被称用“视图”。物体的“扫描”包括在放射源和探测器旋转一周期间在不同台架角度或观察角度获得的一组视图。

在轴向扫描中，处理投影数据以重建对应于穿过物体拍摄的二维切片的图像。用于从一组投影数据重建图像的方法在现有技术中被称为滤波反投影技术。该处理将来自扫描的衰减测量转换成被称为“CT数”或“亨斯菲尔德单位(Hounsfield units)”的整数，其用于控制显示设备上对应像素的亮度。

为减少总扫描时间，可进行“螺旋”扫描。为进行“螺旋”扫描，在获取规定数目的切片的数据期间，移动患者。这种系统从扇形射线束螺旋扫描产生单螺旋线。该由扇形射线束绘制的螺旋线产生投影数据，从该投影数据可重建每个规定切片中的图像。

如在此所使用的，以单数形式和以词语“一”陈述的元件或步骤应当理解为不排除复数个所述元件或步骤，除非明确地陈述了这种排除。此外，参考本发明的“一个实施例”意思不是被解释为排除其它实施例的存在，这些其它实施例也并入了所述的特征。

同样，如在此所使用的，短语“重建图像”意思不是排除本发明的实施例，其中生成表示图像的数据但不生成可观看的图像。因此，在此所采用的术语“图像”泛指可观看图像和表示可观看的图像的数据。然而，许多实施例生成(或配置成生成)至少一个可观看图像。

图1是CT成像系统10的示意图。图2是图1所示系统10的示意框图。在该示范性实施例中，计算机断层摄影(CT)成像系统10示出为包括代表“第三代”CT成像系统的台架12。台架12具有放射源14，放射源14向台架12对侧的探测器阵列18投射锥形X射线束16。

探测器阵列18由包括多个探测器元件20的多个探测器行(图1和2中未示出)形成，探测器元件20共同检测穿过物体(如内科患者22)的投射的X射线束。每个探测元件20产生表示撞击射线束强度并因此表示射线束穿过物体或患者22时的衰减的电信号。具有多切片探测器18的成像系统10能够提供表示物体22体积的多个图像。多个图像中的每个图像对应于体积的单独的“切片”。切片的“厚度”或孔径取决于探测器行的厚度。

在获得放射投影数据的扫描期间，台架12和安装在其上的部件绕旋转中心24旋转。图2只示出单行探测器元件20(即，探测器行)。然而，多切片探测器阵列18包括多个平行的探测器元件20的探测器行，以使在扫描期间可同时获得对应于多个准平行或平行切片的投影数据。

由CT系统10的控制机构26支配台架12的旋转和放射源14的操作。控制机构26包括给放射源14提供电源和定时信号的放射控制器28，以及控制台架12旋转速度和位置的台架电机控制器30。控制机构26中的数据采集系统(DAS)32从探测器元件20采样模拟数据并将该数据转换成数字信号以供后续处理。图像重建器34从DAS 32接收采样的和数字化的放射数据并进行高速图像重建。重建的图像作为输入被施加到计算机36，计算机36将该图像存储在大容量存储装置38中。

计算机36还通过具有键盘的控制台40接收来自操作者的命令和扫描参数。连带的阴极射线管显示器42允许操作者从计算机36观察重建的图像和其它数据。计算机36使用操作者所提供的命令和参数向DAS 32、放射控制器28和台架电机控制器30提供控制信号和信息。另外，计算机36操作控制电动台46的台电机控制器44以将患者22定位到台架12中。特别地，台46只将患者22的一部分移过台架开口48。

在一个实施例中，计算机36包括装置50，例如软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁性光盘(MOD)装置、或者用于从计算机可读介质52读取指令和/或数据的包括如以太网装置的网络连接装置的任何其它数字装置计算机可读介质52诸如软盘、CD-ROM、DVD、或者如网络或因特网的其它数字源，以及还待开发的数字部件。在另一个实施例中，计算机36执行存储在固件(未示出)中指令。通常，在图2所示的DAS32、重建器34和计算机36中的至少一个的处理器被编程以执行以下描述的过程。当然，该方法不限于在CT系统10中实施，而是可与许多其它类型和变型的成像系统连同使用。在一个实施例中，计算机36被编程以执行在此所描述的功能，因此，如此处所使用的术语“计算机”不仅仅限于现有技术中称为计算机的那些集成电路，而是泛指计算机、处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路和其它可编程电路。虽然此处描述的方法是在医学环境中描述的，企图是非医学成像系统也能从本发明获得益处，如那些在工业环境中或运输环境中典型地采用的系统，例如但不限于用于机场或其它运输中心的行李扫描CT系统。

如图3和4所示，已知的探测器阵列118包括多个探测器模块组件150(也称为探测器模块)，每个模块包括探测器元件120阵列。每个探测器模块150包括高密度光电传感器阵列152和位于光电传感器阵列152上并接近光电传感器阵列152的多维闪烁体阵列154。具体地，闪烁体阵列154包括多个闪烁体156，而光电传感器阵列152包括光电二极管158、开关设备160和解码器162。在闪烁体元件之间的狭小空间中填充诸如充有二氧化钛的环氧树脂的材料。光电二极管158为单个的光电二极管，或者光电二极管158为多维二极管阵列。在硅基底上扩散、沉积或形成光电二极管158。如在现有技术所公知的，闪烁体阵列154被定位在光电二极管158上面或接近光电二极管158。光电二极管158光耦合到闪烁体阵列154，并具有用于传输信号的电输出线，该信号代表由闪烁体阵列154输出的光。每个光电二极管158产生独立的低电平模拟输出信号，该信号为闪烁体阵列154的特定闪烁体的射线束衰减的量度。例如，光电二极管输出线(在图3或4中未示出)可物理地位于模块120一侧或模块120的多侧。如图4所示，光电二极管的输出位于光电二极管阵列的对侧。

如图3所示，探测器阵列118包括57个探测器模块150。每个探测器模块150包括光电传感器阵列152和典型的匹配闪烁体阵列154。因此，阵列118被分割成16行和912列(16×57个模块)，在目前的技术中，其允许随着台架12的每次旋转沿Z轴同时收集直到例如N＝16个切片的数据，其中Z轴是台架的旋转轴。

开关设备160为多维半导体开关阵列。开关设备160被耦合在光电传感器阵列152和DAS 32之间。在一个实施例中，开关设备160包括两个半导体开关阵列164和166。开关阵列164和166各包括多个布置成多维阵列的场效应管(FET)(未示出)。每个FET包括电连接到各发光二极管输出线之一的输入端、输出端和控制端(未示出)。FET输出端和控制端连接到通过挠性电缆168电连接到DAS 32的线路上。具体地，约半数光电二极管输出线电连接到开关164的每个FET输入线上，而另一半光电二极管的输出线电连接到开关166的FET输入线上。挠性电缆168从而电耦合到光电传感器阵列152，例如通过从皮线168到开关设备160，以及从开关设备160和解码器162到光电二极管158的导线连接。

解码器162控制开关设备160的操作以依据预期的切片数和每个切片的切片分辨率使能、禁止或组合光电二极管158的输出。在一个实施例中，解码器162是现有技术中已知的FET控制器。解码器162包括多个耦合到开关设备160和DAS 32的输出和控制线。具体地，解码器输出端电耦合到开关设备控制线以使开关设备160能够从开关设备输入端到开关设备输出端传输固有数据。利用解码器162，有选择地使能、禁止或组合开关设备160内的特定FET，以使特定光电二极管158的输出端电连接到CT系统的DAS 32。解码器162使能开关设备160，以使光电传感器阵列152的选定的行数连接到DAS 32，导致选定数目切片的数据电连接到DAS 32供行处理。

如图3和4所示，探测器模块150被装配到探测器阵列118中并通过轨道170和172紧固到位。图3示出，在模块150的基底174、挠性电缆168和安装支架176上，轨道172已紧固到位，而轨道170将要被紧固在电缆168上。然后，将螺钉(图3和4中未示出)穿过孔178和180并拧入轨道170的螺纹孔182内以将模块150紧固到位。通过对着轨道170和172加压(或通过粘结，在一个实施例中)而将安装支架176的凸缘184保持在适当位置上，并防止探测器模块150“摆动”。安装支架176还将挠性电缆168夹在基底174上，或在一个实施例中，挠性电缆168还被粘附地结合到基底174上。

然而，按常规，轨迹(trace)或电路径可仅从光电二极管阵列的任一端部引入，这对利用顶面触点形成的轨迹和焊盘的数目和尺寸产生一定物理限制。对轨迹和焊盘的数目和尺寸上的物理限制可通过反转二极管和将表面触点设置在光电二极管阵列的背面来消除。这种技术在例如美国专利US6,707,046(即，背面照明或“背光照明”二极管)中进行了描述。背光照明二极管阵列的每个像素直接电连接到由陶瓷或印刷线路板(PWB)等制成的基底上。基底为多层以穿过多层基底向基底的对面运送来自光电二极管阵列的电信号。在基底的每个表面上设有可电结合的焊盘以便于相互电连接。背面连接设计无需将轨迹引入二极阵列的两边而且能够无限制地在CT扫描器的Z和X维数内铺设(tiling)装置。

图5和6示出通过将背光照明二极管阵列202放置到多层基底204上而组装成的二极管-基底组件200。在使背光照明二极管阵列202对准并附着到基低204上之前，将导电环氧树脂阵列206涂覆、遮蔽或施加到基底204上。将多个立柱块208热声键合(thermosonically bonded)到背光照明二极管阵列214的形成金属化图案的表面上，并基本放置在阵列202的每个像素的中心内。立柱块208为金属，且在一个实施例中为金。导电粘合剂206在基底204的表面上形成与立柱块阵列206上的图案216相配且相对的相同图案。使用拾取和放置倒装片技术(pick and place flip chip technology)来使二极管阵列202与基底204精确对准，并用于将立柱块208压到底部直到焊盘阵列216。使导电粘合剂按制造者的规定以所需要的时间和温度固化。立柱块208有利于控制背光照明二极管阵列202均匀高度，并提供用于底层填充材料210的间隙212。立柱块208接触贯穿接触区域的阵列的基底204的表面且是基本等高，使得二极管阵列基本上符合基底204的相同的表面平直度。立柱块还形成间隙212，底层填充材料210通过毛细管作用引入其中。底层填料210用于加强背光照明二极管阵列202和基底204之间连接。底层填料210还用于防止离子和其它污染物进入阵列附着区域，给连接增加低信号耐用度。

图7示出附着到基底204的与背光照明二极管阵列202(未示出)相对的面上的挠性电路308。多个易熔焊料球302以与基底204的多个电输出盘304相仿的图案定位在基底204上。而后使用无流动(no-flow)处理填充间隙310，首先，通过使用拾取和放置设备将封装剂312放置到挠性电路308上，将挠性电路308连接到基底204上，而后通过将组件加热到焊料所需的规定温度而使焊料球302流动。随着部分焊料流加热，封装材料被固化。挠性电路308相应地具有电接触盘306的图案，电接触盘306的图案与基底204上的相对的图案304匹配。无流动处理指在连接两个表面之前将封装剂放置在挠性电路308上，而后加热至焊料熔化温度。

图8示出配置有阵列图案306的挠性电路308，其还配置有牺牲垫330，其缝合成在缝合部(stich)之间形成轴向间隙332。在基底(未示出)上还以与接触盘304的图案类似的方式定位类似的金属化牺牲缝合部。当挠性电路308与基底204连接时，相对的缝合部图案提供相对的金属化表面，其提供到少三个功能。图9示出牺牲垫330，当进行后续粘合处理时其为待粘附的封装剂提供强化粘合表面。牺牲垫330还用于阻止溢出牺牲垫330外的封装剂312流。封装剂312由凹槽334限制在其流动区域内，位置和尺寸设置成使毛细管作用在凹槽区域334内停止。在如此限制的流中，牺牲垫330还用于限定挠性电路308的弯曲线336。轴向间隙332使在焊料块304的加热处理期间形成的气体能够释放。

在此描述的方法和设备的一个技术效果是，其提供多层基底上的背光照明二极管和附着在基底下面的挠性电路。另一个技术效果是，在此描述的方法和设备使用多层陶瓷或印刷线路板作为基底材料。另一个技术效果是，在此描述的方法和设备使用焊料和回流封装剂供进行挠性附着和弯曲线控制。另一个技术效果是，在此描述方法和设备使用牺牲垫控制底层填充材料且增强CT探测器模块的可靠性。

已参照优选的实施例描述了本发明。在阅读和理解前述详细描述的基础上，本领域的其他技术人员可进行更改和改变。本发明应解释为包括全部这些更改和改变，只要它们落入所附的权利要求书或其等同物的范围内。

部件列表

CT系统.................................................10

台架...................................................12

放射源.................................................14

锥形射线束.............................................16

探测器阵列.............................................18

探测器元件.............................................20

物体...................................................22

旋转中心...............................................24

控制机构...............................................26

放射控制器.............................................28

台架电机控制器.........................................30

DAS....................................................32

图像重建器.............................................34

计算机.................................................36

存储装置...............................................38

控制台.................................................40

显示器.................................................42

台电机控制器...........................................44

台.....................................................46

台架开口...............................................48

装置...................................................50

计算机可读介质.........................................52

已知探测器阵列........................................118

模块..................................................120

探测器模块............................................150

光电传感器阵列........................................152

闪烁体阵列............................................154

多个闪烁体............................................156

光电二极管............................................158

开关设备..............................................160

解码器................................................162

开关..................................................164

挠性电缆..............................................168

轨道..................................................170

轨道..................................................172

基底..................................................174

安装支架..............................................176

孔....................................................178

孔....................................................180

孔....................................................182

凸缘..................................................184

二极管-基底组件.......................................200

背光照明二极管阵列....................................202

多层基底..............................................204

粘合剂................................................206

立柱块................................................208

底层填料..............................................210

间隙..................................................212

背光照明二极管阵列....................................214

阵列..................................................216

焊料球................................................302

接触盘................................................304

阵列图案............................................306

接触盘..............................................306

挠性电路............................................308

间隙................................................310

封装剂..............................................312

牺牲垫..............................................330

轴向间隙............................................332

凹槽................................................334

弯曲线..............................................336

Claims (10)

1、一种计算机断层摄影成像扫描器(10)模块包括：

多个闪烁体(156)；

与所述闪烁体(156)光学耦合的多个背光照明光电二极管(202)；

具有多个基底导电体的多层基底(204)，所述光电二极管(202)与该多个基底导电体电耦合，其中所述多个基底导体中的每一个连接到一个不同的所述背光照明光电二极管(202)上；和

具有多个挠性导电体的挠性电缆(308)，所述基底与该多个挠性导电体电耦合，其中所述多个挠性导电体中的每一个连接到所述多层基底(204)的不同输出端上。

2、根据权利要求1所述的模块，其中所述多个闪烁体(156)包括二维阵列(154)。

3、根据权利要求2所述的模块，其中所述多个背光照明二极管(202)包括与所述多个闪烁体(156)阵列对准的二维阵列(214)。

4、根据权利要求3所述的模块，其中所述多个基底导体包括与所述背光照明二极管(202)阵列对准的二维阵列。

5、根据权利要求1所述的模块，其中所述多个背光照明二极管(202)中的每一个包括立柱块。

6、根据权利要求5所述的模块，其中每个所述立柱块包括金。

7、一种成像系统(10)包括：

X射线源(14)；和

定位成接收从所述源发射的X射线的X射线探测器模块(18)，所述探测器模块包括：

面对所述X射线源的多个闪烁体(156)；

与所述闪烁体(156)光学耦合的多个背光照明光电二极管(202)；

与所述多个背光照明光电二极管电耦合的多层基底(204)；和

与所述多层基底(204)电耦合的挠性电缆(308)。

8、一种方法包括：

从闪烁体(156)接收光子；

将所述光子转换成电信号；

通过多层基底(204)传输所述电信号；和

通过多层挠性电路(308)传输所述电信号。

9、一种用于将背光照明二极管(202)附着到多层基底(204)的方法，所述方法包括：

将立柱块(208)通过引线焊接到所述背光照明二极管的表面；

将粘合剂(206)放置到所述多层基底的表面；

将带有所述立柱块的表面相对于所述多层基底上带有粘合剂的表面对准；

将所述背光照明二极管和所述基底加热到粘合剂固化温度；和

向所述背光照明二极管和所述基底之间形成的间隙(310)进行底层填料。

10、一种用于将挠性电路(308)附着到多层基底(204)上的方法，包括：

将焊料块(302)放置到所述多层基底的表面；

将软熔封装剂(312)放置到所述挠性电路的表面；

使所述多层基底的表面与所述焊料块表面对准；

将所述挠性电路和所述基底加热到焊料软熔温度。

Images