СОСТАВНОЕ ФОТОСЧИТЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С КОМПОЗИТНЫМИ ДИСТАНЦИОНЕРАМИ ДЛЯ РЕНТГЕНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к рентгеновской технике, в частности к рентгеночувствительным панелям непрямого преобразования, на основе которых строятся рентгеновские детекторы.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Основными компонентами рентгеночувствительных панелей, выполняющих преобразование рентгеновского сигнала в цифровое изображение в составе рентгеновских детекторов непрямого преобразования, являются сцинтилляторы и фотосчитывающие устройства (фотоприемные матрицы). Сцинтилляторы выполняют преобразование энергии рентгеновских квантов в излучение видимого диапазона, а фотосчитывающие устройства воспринимают его и преобразуют в электрический сигнал, пригодный для дальнейшей обработки. При этом существует известная техническая проблема, связанная с получением крупноформатных фотосчитывающих устройств, пригодных для использования в некоторых областях, а именно в медицинской рентгеновской диагностике (включая маммографию), а также в рентгеновском неразрушающем контроле в промышленности и общественной безопасности. Одной из основных задач при этом является обеспечение высокой плоскостности лицевой поверхности фотосчитывающего устройства, воспринимающей видимое излучение, для исключения геометрических искажений при получении рентгеновского изображения.
Известна фотоприемная матрица большого размера, содержащая матричные фотоприемники (SU 1519470, Новосибирский государственный университет им. Ленинского комсомола, Институт физики полупроводников СО АН СССР (RU), опубл. 20.09.1995, МПК H01L 27/14). Указанное устройство имеет недостаток, связанный с необходимостью сборки матрицы на общем прозрачном основании (чувствительными областями фотоприемников вниз) для обеспечения плоскостности. Механические требования к прочности такого основания обуславливают значительную его толщину, что создает условия для ухудшения качества получаемого изображения при получении рентгеновского изображения.
Другой пример рентгеночувствительной панели и способа ее изготовления, опубликованный в международной заявке (US 20130306875 А1, GENERAL ELECTRIC COMPANY (US), опубл. 21.11.2013, МПК G01T 1/20; H01L 31/18), предусматривает совмещение отдельных фотоприемников, не имеющих индивидуальных подложек, лицевой стороной вниз с последующей фиксацией фотоприемников на общей подложке при помощи эпоксидной смолы (в том числе влагоустойчивой эпоксидной смолы), нанесенной в виде швов вдоль стыков фотоприемников (а также, возможно, по их краям), а также нанесение кольцеобразного шва из эпоксидной смолы на лицевую поверхность полученного фотосчитывающего устройства, нанесение сцинтилляционного материала на лицевую поверхность и закрытие его графитовой или алюминиевой плитой до полного контакта плиты с кольцеобразным швом, что обеспечивает надежную влагозащиту сцинтиллятора. Данное устройство имеет недостаточную стабильность плоскостности лицевой поверхности получаемого фотосчитывающего устройства при больших размерах используемых фотоприемников. Во-первых, фотоприемники без индивидуальных подложек имеют недостаточную жесткость, и клеевых швов вдоль стыков фотоприемников, а также по их краям, может оказаться недостаточно для противодействия изгибным нагрузкам при больших размерах фотоприемников. Во-вторых, эпоксидные смолы обладают высокой адгезией как к кремниевым фотоприемникам, так и к подложкам из любых конструкционных материалов, в то же время их коэффициент теплового расширения существенно отличается от такового для указанных материалов, что будет приводить к появлению некомпенсируемых напряжений в конструкции. Оба этих обстоятельства, в частности, могут сделать невозможным процесс сборки и надежное функционирование рентгеночувствительной панели в целом, если на поверхность фотосчитывающего устройства вместо нанесения сцинтиллирующего материала будет установлена волоконно-оптическая плита.
Наиболее близким к предлагаемому является радиационный детектор и способ его изготовления (US 7019303 В2, HAMAMATSU PHOTONICS К.К. (JP), опубл. 28.03.2006, МПК G01J 5/28; G01T 1/20; G01T 1/29; H01L 31/02), предусматривающий совмещение отдельных фотоприемников и их приклеивание к керамической подложке при помощи смол с последующим покрытием фоточувствительной поверхности прозрачной пленкой и формированием на его поверхности сцинтиллирующего слоя. Указанное устройство имеет достаточно высокую плоскостность и стабильность фоточувствительной поверхности, обеспечиваемую применением хорошо обработанной керамической подложки и множественных точек крепления фотоприемников к ней, однако при больших размерах фотоприемников керамическая подложка также получается большой, из-за чего сильно вырастает ее стоимость, обуславливаемая необходимостью обеспечения высокой плоскостности при глубокой механической обработке (общая подложка фотоприемников обычно также является несущей плитой для элементов электроники, что требует наличия вырезов и точек крепления). Кроме того, многоточечное крепление фотоприемников к подложке при помощи смолы создаст сложности при установке волоконно-оптической плиты вместо нанесения сцинтиллирующего слоя, так как возникнут условия для формирования значительных напряжений во всей конструкции, обусловленных разностью коэффициентов теплового расширения различных материалов (в том числе самих смол, имеющих коэффициент расширения на порядок больший, чем у керамики и металлов).
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей, которую решает полезная модель, является улучшение технологических, эксплуатационных и экономических характеристик составных фотосчитывающих устройств путем:
- снижения требований к плоскостности общей подложки фотосчитывающего устройства без ухудшения его характеристик. В предлагаемом устройстве может использоваться общая подложка, изготовленная из практически любого конструкционного материала и имеющая ограниченную точность изготовления, что позволяет снизить затраты на изготовление общей подложки и оснащение соответствующего производства;
- повышения температурной и механической стабильности фотосчитывающего устройства, в частности при установке волоконно-оптической плиты на лицевую поверхность фотосчитывающего устройства, что обычно создает дополнительные сложности с точки зрения напряженности конструкции.
Технический результат - улучшение технологических, эксплуатационных и экономических характеристик составных фотосчитывающих устройств путем снижения требований к плоскостности общей подложки фотосчитывающего устройства и повышения температурной и механической стабильности фотосчитывающего устройства, в том числе при установке волоконно-оптической плиты на лицевую поверхность фотосчитывающего устройства.
Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются тем, что новое составное фотосчитывающее устройство с композитными дистанционерами для рентгеночувствительных панелей содержит отдельные фотоприемники, совмещенные определенным образом с фиксацией на общей подложке с целью получения общей для всех фотоприемников плоскости регистрации (фокальной плоскости), где каждый из фотоприемников представляет собой индивидуальную подложку (2), на одной из сторон которой закреплены кремниевый чип (1) и печатная плата (5), снабженные соединяющими их между собой проводниками (4), а на другой стороне имеются карманы (6), образующие с карманами (6) соседних подложек (2) полости, в которые вмонтированы композитные дистанционеры (8), при этом общая подложка (9) имеет сквозные окна (10), непосредственно возле которых в толще общей подложки (9) имеются карманы (11), примыкающие к тыльной поверхности индивидуальных подложек (2) фотоприемников с образованием полостей, в которые вмонтированы композитные дистанционеры (12), при этом общая подложка (9) зафиксирована на индивидуальных подложках (2) при помощи клея, а композитные дистанционеры (8, 12) изготовлены из многофазной химической композиции, основным компонентом которой является твердый безусадочный наполнитель с коэффициентом теплового расширения, аналогичным таковому у материала индивидуальных подложек (2) фотоприемников, а дополнительные компоненты обеспечивают связывание основного компонента и контролируемое отверждение. Индивидуальные подложки (2) фотоприемников изготовлены из материала, позволяющего обеспечить высокую плоскостность получаемых деталей за счет использования процессов спекания, абразивной обработки и последующей шлифовки, например, из стекла, керамики или металлокерамики. Отдельные фотоприемники совмещены между собой на задающей плоской плите лицевой поверхностью вниз с возможностью обеспечения высокой плоскостности лицевой поверхности фотосчитывающего устройства. Кроме того, на стыке индивидуальной подложки (2) и общей подложки (9) нанесен клеевой шов (13), выполненный из силиконовой композиции или любого другого клея, сохраняющего упругость после отверждения и обладающего хорошей адгезией к обеим поверхностям.
Существенная особенность предлагаемой полезной модели заключается в том, что отдельные фотоприемники, входящие в состав фотосчитывающего устройства и совмещенные определенным образом с целью получения общей для всех фотоприемников плоскости регистрации (фокальной плоскости), имеют индивидуальные малогабаритные подложки с высокой плоскостностью, между которыми смонтированы композитные дистанционеры таким образом, чтобы исключить нарушение геометрии взаимного расположения фотоприемников в плоскости регистрации (фокальной плоскости), при этом между индивидуальными подложками и общей подложкой фотосчитывающего устройства также монтируются композитные дистанционеры таким образом, чтобы исключить нарушение плоскостности лицевой поверхности фотосчитывающего устройства, а окончательная фиксация общей подложки на индивидуальных подложках производится при помощи клея. Композитные дистанционеры изготавливаются из многофазной химической композиции, основным компонентом которой является твердый безусадочный наполнитель с коэффициентом теплового расширения, аналогичным таковому у материала индивидуальных подложек фотоприемников, а дополнительные компоненты обеспечивают связывание основного компонента и контролируемое отверждение (например, при помощи ультрафиолетового облучения).
Предпочтительно, индивидуальные подложки фотоприемников изготовлены из материала, позволяющего обеспечить высокую плоскостность получаемых деталей за счет использования процессов спекания, абразивной обработки и последующей шлифовки, например, из стекла, керамики или металлокерамики.
Предпочтительно, для обеспечения высокой плоскостности лицевой поверхности фотосчитывающего устройства совмещение отдельных фотоприемников между собой производится при их размещении лицевой поверхностью вниз на эталонной (задающей) плоской плите. Эталонная (задающая) плоская плита - плита с высокой плоскостностью, например стеклянная или керамическая (с высококачественной шлифовкой поверхности), которая служит задатчиком (эталоном) общей для всех фотоприемников плоскости регистрации (фокальной плоскости).
Предпочтительно, для исключения напряженного состояния конструкции при установке волоконно-оптической плиты клей, окончательно фиксирующий общую подложку на индивидуальных подложках, должен наноситься в ограниченном количестве зон, сохранять упругость после окончательного отверждения и при этом иметь высокую адгезию к склеиваемым поверхностям, например, это может быть силиконовая композиция.
В указанном исполнении устройства, благодаря наличию достаточно жестких индивидуальных подложек, способных сопротивляться изгибным нагрузкам, снимается ограничение на минимальное количество точек крепления отдельных фотоприемников к общей подложке, что упрощает задачу снижения напряженности конструкции. Одновременно за счет использования композитных дистанционеров удается исключить нарушение геометрии плоскости регистрации (фокальной плоскости) при температурных и механических нагрузках, кроме того, благодаря их наличию неплоскостность общей подложки не оказывает существенного влияния на качество получаемой плоскости регистрации (фокальной плоскости), вследствие чего общая подложка может быть изготовлена более дешевым способом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 показан вид сбоку на один фотоприемник с индивидуальной подложкой (2).
На Фиг. 2 показан вид сбоку-снизу на один фотоприемник с индивидуальной подложкой (2), с указанием расположения карманов (6) для композитных дистанционеров (8).
На Фиг. 3 показан вид сверху на четыре фотоприемника, совмещенные между собой, а также композитные дистанционеры между ними (8).
На Фиг. 4 показан вид сверху на общую подложку (9) с указанием расположения окон (10) в общей подложке и карманов (11) для композитных дистанционеров.
На Фиг. 5 показан вид сверху-сбоку на общую подложку (9), с указанием расположения карманов (11) для композитных дистанционеров (12).
На Фиг. 6 показан вид сверху-сбоку на общую подложку (9), уложенную на четыре совмещенных фотоприемника, с указанием расположения карманов (11) для композитных дистанционеров (12).
На Фиг. 7 показан увеличенный вид сверху-сбоку на правую верхнюю часть общей подложки, уложенной на четыре совмещенных фотоприемника, с указанием расположения карманов для композитных дистанционеров.
На Фиг. 8 показан увеличенный вид сверху-сбоку на правую верхнюю часть общей подложки, уложенной на четыре совмещенных фотоприемника, а также композитные дистанционеры между ними.
На Фиг. 9 показан увеличенный вид сверху-сбоку на правую верхнюю часть общей подложки (9), уложенной на четыре совмещенных фотоприемника, с нанесенным клеевым швом (13).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Одним из важных условий осуществления предлагаемого устройства является специальная конструкция входящих в его состав фотоприемников большого размера, показанная на Фиг. 1 и Фиг. 2 (вид сбоку и сбоку-снизу соответственно). Фотоприемник состоит из кремниевого чипа 1, выполняющего основную (фотоприемную) функцию, индивидуальной подложки с высокой плоскостностью 2 и тонкого клеевого слоя 3 между ними. Индивидуальная подложка 2 изготавливается из стекла, керамики или металлокерамики, а также других материалов, позволяющих с низкими издержками обеспечить высокую плоскостность небольших подложек за счет использования технологических процессов спекания, абразивной обработки и шлифовки. Кроме того, жесткость, присущая этим материалам, обеспечивает сопротивление изгибным нагрузкам значительно большим, чем способен выдержать кремниевый чип 1, имеющий малую толщину (обусловленную технологическим процессом его производства). Электрические сигналы с фотоприемника 1 при помощи проводников 4 передаются на электронную печатную плату 5, также закрепленную на индивидуальной подложке 2 и предназначенную для обработки входных и выходных сигналов фотоприемника и осуществления связи с внешней электроникой. Также на Фиг. 1 и Фиг. 2 показаны карманы 6 для композитных дистанционеров в количестве шести штук по трем сторонам индивидуальной подложки 2. Хотя количество и расположение карманов 6 может быть иным, предпочтительно использование предложенного количества и расположения, так как оно является оптимальным с точки зрения существующей практики.
Карманы 6 представляют собой углубления в толще индивидуальной подложки 2, имеющие форму половины плоского цилиндра. Следует отметить, что указанная форма может быть иной. Форма половины плоского цилиндра выбрана предпочтительной, исходя из ее функциональной достаточности и простоты заполнения композитом. После совмещения между собой, например, четырех фотоприемников, как показано на Фиг. 3, карманы 6 соседствующих фотоприемников оказываются друг напротив друга и ввиду малости зазоров 7 между фотоприемниками образуют цилиндрические полости, в которые монтируются композитные дистанционеры 8. Это позволяет предотвратить нарушение геометрии взаимного расположения фотоприемников в плоскости регистрации (фокальной плоскости) при температурных и механических воздействиях, поскольку композитные дистанционеры 8 ввиду места установки и за счет своей твердости будут препятствовать сближению фотоприемников. Композитные дистанционеры 8 изготавливаются из многофазной химической композиции, основным компонентом которой является твердый безусадочный наполнитель с коэффициентом теплового расширения, аналогичным таковому у материала индивидуальных подложек фотоприемников. Например, для подложек, изготовленных из сплава 30%Al+70%Si, в качестве наполнителя композиции используется кварцевый песок. Композиция в целом имеет малую усадку при отверждении, надежно связывает наполнитель и обеспечивает контролируемое отверждение, например, при помощи ультрафиолетового облучения. Контроль отверждения важен потому, что композитные дистанционеры 8 монтируются в карманы 6 путем нагнетания композиции из шприца или шнека с последующей формовкой таким образом, чтобы композиция заполнила весь объем двух соседствующих карманов 6, и только после этого должен начаться процесс отверждения.
В состав предлагаемого устройства также входит общая подложка 9, показанная на Фиг. 4, выполненная из алюминия или любого другого недорогого конструкционного материала, удобного с точки зрения выполнения в нем отверстий, в том числе резьбовых, а также различных выемок и окон сложной конфигурации, например, для размещения электронных модулей (на чертежах не показано). В общей подложке 9 выполнены четыре сквозных окна 10, необходимых для приклеивания общей подложки 9 к фотоприемникам. Число окон должно соответствовать числу фотоприемников и может быть иным в зависимости от числа фотоприемников соответственно. При этом в толще общей подложки 9 непосредственно возле сквозных окон 10 выполнены карманы 11 для композитных дистанционеров 12, по четыре кармана на каждое окно 10 (расположение карманов 11 во всех окнах 10 одинаковое, поэтому показано их расположение только в одном из окон). Хотя количество и расположение карманов 11 может быть иным, предпочтительно использование предложенного количества и расположения, так как оно является оптимальным с точки зрения существующей практики. Карманы 11, как показано на Фиг. 5, представляют собой углубления в толще общей подложки 9, имеющие форму половины плоского цилиндра. Следует отметить, что указанная форма может быть иной. Форма половины плоского цилиндра выбрана предпочтительной, исходя из ее функциональной достаточности и простоты заполнения композитом.
После укладки общей подложки 9 на фотоприемники, как показано на Фиг. 6 и (с увеличением) на Фиг. 7, карманы 11 примыкают к тыльной поверхности индивидуальных подложек 2 фотоприемников и образуют вместе с ними полости. В эти полости, как показано на Фиг. 8, монтируются композитные дистанционеры 12. Для этого используется та же многофазная химическая композиция, что и для композитных дистанционеров 8 на Фиг. 3. Она нагнетается из шприца или шнека в полость, образованную карманом 11 и индивидуальной подложкой 2, с последующей формовкой таким образом, чтобы композиция заполнила весь объем полости, после чего происходит контролируемое отверждение композиции. Это позволяет предотвратить нарушение плоскостности лицевой поверхности фотосчитывающего устройства при температурных и механических воздействиях, поскольку композитные дистанционеры 12 ввиду места установки и за счет своей твердости будут препятствовать сближению фотоприемников и общей подложки. При этом специальная обработка поверхности индивидуальных подложек 2 в зоне непосредственного их контакта с композитными дистанционерами 12 позволяет снизить адгезию между ними и, как следствие, избыточные тянущие напряжения в конструкции.
Впоследствии, как показано на Фиг. 9 на стык индивидуальной подложки 2 и общей подложки 9 наносится клеевой шов 13, выполненный из силиконовой композиции или любого другого клея, сохраняющего упругость после отверждения и обладающего хорошей адгезией к обеим поверхностям. Клеевой шов 13 притягивает индивидуальные подложки 2 к общей подложке 9, чем обеспечивается фиксация совмещенных фотоприемников на общем основании. Именно клеевые швы (13) в контексте данного описания понимаются под ʺограниченным количеством зонʺ. Согласно одному из аспектов предлагаемого изобретения клей должен быть нанесен не на всю поверхность подложек (в виде сплошного слоя или массива точек), а в ограниченном количестве зон, например, в виде швов (13), которые достаточны для удержания поверхностей, но при этом не создают перенапряжений.
Предложенная конструкция фотосчитывающего устройства с композитными дистанционерами позволяет получать рентгеночувствительные панели большой площади с высокой плоскостностью лицевой поверхности, что критически важно для построения рентгеновских детекторов. При этом обеспечивается высокая устойчивость конструкции к температурным и механическим воздействиям, что облегчает задачу установки волоконно-оптической плиты на лицевую поверхность фотосчитывающего устройства, которая необходима в ряде применений. При этом требования к материалу и точности изготовления общей подложки фотоприемников, выступающей также в качестве носителя для электроники, оказываются снижены без ухудшения основных характеристик устройства, что позволяет снизить издержки производства.
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящей полезной модели возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что настоящая полезная модель охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема полезной модели, раскрытого в прилагаемой формуле полезной модели.