一种光子计数探测器模块的封装方法技术

本发明专利技术公开了一种光子计数探测器模块的封装方法，具体采用锡膏印刷机和钢网在光电转换晶体电极上印刷导电胶，用金丝球焊机在读出芯片上制作金凸点，再通过倒装焊接机将导电胶与金凸点进行对准固化，完成光子计数探测器模块的封装。解决了铟凸点倒装为晶圆级封装方案，流程复杂，设备昂贵，成本高，针对CZT晶体及MPW流片的单个读出芯片不兼容的问题，同时也克服了采用点胶机涂敷的导电胶，在倒装粘接过程中胶水容易坍陷，不能提供CZT晶体和读出芯片的支撑凸点，像素间距必须大于300um，才能避免短路，不适用于像素间距更小的光子计数探测器的封装的问题。封装得到的光子计数探测器模块的导通率可达到95％，具有非常好的应用前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种光子计数探测器模块的封装方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件封装技术，特别是一种光子计数探测器模块的封装方法。

技术介绍

[0002]光子计数探测器模块是组成新一代光子计数能谱CT的核心部件，其性能决定了光子计数能谱CT是否能具备能谱成像，低剂量成像等核心竞争优势。以美国GE医疗、德国Siemens医疗、荷兰Philips医疗为代表的企业，已经在开展光子计数CT的相关研究，但尚未实现产业化
[1]，因此研发出性能可靠，成本可控的光子计数探测器模块对实现光子计数能谱CT国产化具有重要的战略意义。
[0003]光子计数探测器模块由光电转换晶体，专用读出芯片及PCB板级电子学组成。化合物半导体材料碲化镉CdTe和碲锌镉CZT由于其平均原子序数高，禁带宽度大，具有探测效率高，室温下噪声低的优异性能，被广泛用于光子计数探测器模块。CdTe和CZT晶体为面阵结构，其电极阵列通过倒装焊接与读出芯片互连。但由于CdTe和CZT晶体中存在一定量的生长缺陷，无法进行晶圆级别的封装，同时由于高温对晶体性能有影响，其键合温度不能过高，因此与传统的半导体倒装封装工艺不能兼容，需要开发满足CdTe和CZT晶体的倒装工艺，实现高像素密度光子计数探测器的封装。
[0004]倒装焊接工艺最早由IBM提出
[2]，倒装焊接是通过在焊料上放置金属球，经过高温回流形成凸点，金属球形成的凸点起到了支撑作用，避免焊料塌陷造成短路。由于焊接过程需要高温，不适用于CdTe和CZT晶体的倒装。目前国外成熟的技术是用铟凸点代替金属球，因为铟的熔点为156℃，在一定压力控制下可以实现120度的键合工艺，解决了CdTe和CZT晶体的低温键合。铟凸点制作的基本工艺流程首先是在专用读出芯片上制作凸点下金属膜(UBM)。UBM金属膜通常由三层金属薄膜组成，分别起到黏附，阻挡，浸润的作用。黏附层金属保证凸点焊料和读出芯片金属电极之间会牢固连接，阻挡层金属隔离凸点焊料与读出芯片金属电极和芯片衬底材料，使其不会相互扩散，浸润层金属可以帮助凸点焊料回流过程中形成焊球，保证了凸点制作的位置精度。UBM金属膜完成后，继续经过光刻，蒸镀和剥离等工艺完成铟凸点的制作。
[0005]铟凸点的制作经过多次光刻工艺，需要使用金属溅射，反应离子刻蚀，金属蒸发等设备，拥有这些设备的实验室或者封装厂通常为标准工艺产线，加工最小尺寸为4寸硅片，对CZT晶体及MPW(Multi Project Wafer)流片的单个读出芯片不兼容，加工中需要针对单个读出芯片，比如5mm*5mm的尺寸，制作特殊的载板，并且光刻胶在小尺寸读出芯片上的涂敷可能不均匀，对于芯片边缘的凸点很难保证其工艺一致性。同时整个流程耗时长，费用高。因此在研发光子计数探测器模块的过程中，如果采用铟凸点倒装技术，需要为单个读出芯片封装样品付出高额的工艺费用，同时导通率没有保证，不利用光子计数探测器模块的快速研发迭代。
[0006]为了解决铟凸点倒装的技术缺陷，国内的CZT晶体供应商陕西迪泰克新材料有限公司提出了一种碲锌镉像素探测器模块的封装方法CN103560166B，技术方案是利用三维自
动点胶机通过矩阵点胶模式，精确控制胶点的尺寸与相对位置，获得的最小胶点尺寸150μm，有效克服了像素电极的短路问题。由于最小胶点尺寸150μm，并且采用点胶机涂敷的导电胶具有一定流动性，在倒装粘接过程中胶水容易坍陷，不能提供CZT晶体和读出芯片的支撑凸点，像素间距必须大于300um，才能避免短路，不适用于像素间距更小的光子计数探测器的封装。
[0007]应用于光子计数能谱CT的探测器需要达到很高的计数率，而通常读出芯片单通道的计数率在1～10*106counts/s，很难达到CT的计数率要求，需要通过增加单位面积的像素电极数量弥补单通道计数率不足的问题。为了增加单位面积像素电极数量，需要减小像素间距，为了实现200um～300um像素间距的CZT晶体和专用读出芯片的封装，本专利技术提出了一种利用锡膏印刷机和钢网在CZT晶体上印刷导电胶，用金丝球焊机在MPW流片的单个读出芯片上制作金凸点的方法，再通过倒装焊接机将导电胶与金凸点进行对准固化，完成光子计数探测器模块的封装。与铟凸点倒装相比具有工艺简单，快速灵活，低成本的优势，与点胶机点胶的导电胶涂敷方式相比具有高导通率，高密度的优势，对光子计数芯片快速迭代，光子计数探测器模块的快速封装测试有重要意义。
[0008]引用文献：
[0009][1]Martin J.et al.Photon
‑
counting CT:Technical Principles and Clinical Prospects.Radiology 2018；Vol 289,Pages:293
–
312
[0010][2]E.M.Davis et al,"Solid Logic Technology:Versatile,High Performance Microelectronics,"IBM J.Res.Develop.8,102(1964).

技术实现思路

[0011]本专利技术的专利技术目的是为了解决上述存在的问题，提供了一种光子计数探测器模块的封装方法。
[0012]本专利技术的技术方案：通过锡膏印刷机和钢网设计精确控制导电胶在光电转换晶体上的尺寸与相对位置，采用锡膏印刷机和钢网在光电转换晶体电极上印刷导电胶，用金丝球焊机在读出芯片上制作金凸点，再通过倒装焊接机将导电胶与金凸点进行对准固化，光电转换晶体电极和读出芯片电极的一对一连接，完成光子计数探测器模块的封装。
[0013]所述封装方法具体的工艺步骤为：
[0014](1)光电转换晶体电极制作：光电转换晶体电极图案通过光刻工艺转移到晶体表面，进一步通过电极蒸镀，剥离工艺完成电极制作；
[0015](2)光电转换晶体电极上导电胶的涂覆：根据光电转换晶体电极图案及大小设计钢网开孔的图案及大小，光电转换晶体固定在锡膏印刷机上，对准钢网和光电转换晶体电极，导电胶通过钢网开孔印刷在光电转换晶体电极表面，完成光电转换晶体电极上导电胶的涂敷；
[0016](3)在读出芯片上制作金凸点：利用金丝球焊机将金丝成球和读出芯片上被焊接电极表面形成共晶层，键合形成金凸点；
[0017](4)光电转换晶体和读出芯片的互连：利用倒装焊接机完成光电转换晶体电极与读出芯片电极的对准，使导电胶与金凸点接触，压合和固化；光电转换晶体作为基板固定在倒装焊接机的下卡盘上，用倒装焊接机键合臂吸起读出芯片，芯片电极面向下，利用上下显
微镜将光电转换晶体电极与读出芯片电极对准，键合臂下降使读出芯片金凸点和光电转化晶体电极上的导电胶接触，根据导电胶的固化条件设置键合程序，进行导电胶的固化，完成光电转换晶体和读出芯片的互连，完成封装。
[0018]光电转换晶体电极图案设计为单个电极为正方形、长方形或圆形，多个电极阵列排布在光电转换晶体上。
[0019]单个光电转换晶体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光子计数探测器模块的封装方法，其特征在于：采用锡膏印刷机和钢网在光电转换晶体电极上印刷导电胶，用金丝球焊机在读出芯片上制作金凸点，再通过倒装焊接机将导电胶与金凸点进行对准固化，完成光子计数探测器模块的封装。2.按照权利要求1所述的封装方法，其特征在于：所述封装方法具体的工艺步骤为：(1)光电转换晶体电极制作：光电转换晶体电极图案通过光刻工艺转移到晶体表面，进一步通过电极蒸镀，剥离工艺完成电极制作；(2)光电转换晶体电极上导电胶的涂覆：根据光电转换晶体电极图案及大小设计钢网开孔的图案及大小，光电转换晶体固定在锡膏印刷机上，对准钢网和光电转换晶体电极，导电胶通过钢网开孔印刷在光电转换晶体电极表面，完成光电转换晶体电极上导电胶的涂敷；(3)在读出芯片上制作金凸点：利用金丝球焊机将金丝成球与读出芯片上被焊接电极表面形成共晶层，键合形成金凸点；(4)光电转换晶体和读出芯片的互连：利用倒装焊接机完成光电转换晶体电极与读出芯片电极的对准，使导电胶与金凸点接触，压合和固化；光电转换晶体作为基板固定在倒装焊接机的下卡盘上，用倒装焊接机键合臂吸起读出芯片，芯片电极面向下，利用上下显微镜将光电转换晶体电极与读出芯片电极对准，键合臂下降使读出芯片金凸点和光电转化晶体电极上的导电胶接触，根据导电胶的固化条件设置键合程序，进行导电胶的固化，完成光电转换晶体和读出芯片的互连，完成封装。3.按照权利要求1或2所述的封装方法，其特征在于：单个光电转换晶体电极大小设计：在电极构成...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红日，王鑫，吴永乐，杨雨豪，王卫民，徐昊，
申请(专利权)人：宽腾北京医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：