Imaging-Sensoren

Herzstück und Treiber bildgebender Verfahren

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Imaging-Sensoren | Bildgebende Verfahren stellen hohe Ansprüche an die Technologien, denn Konzepte und Komponenten sind die Basis für bessere, leistungsfähigere Bilder. Eine der zentralen Komponenten sind Sensoren. In der Computertomografie bilden sie gruppenweise zusammengefasst so genannte Detektorarrays.

Georg Hegewald
First Sensor, Berlin

Moderne Computertomografen verfügen über hochauflösende Strahlungssensoren, die trotz ihrer hohen Leistungsfähigkeit deutlich schonender für die Patienten sind als ihre Vorgänger. Ihre Wirkung können sie aber nur erzielen, wenn Aufbau und Verbindung der Detektorarrays sehr hohen Anforderungen genügen. Detektorarrays „detektieren“, also suchen und registrieren einzelne Röntgensignale, aus denen sich das letztendliche Schnittbild zusammensetzt. Und da sich in der Computertomografie oft mehr als 1000 Anschlüsse auf einer einzigen Platte befinden, ist dies eine entsprechend anspruchsvolle Aufgabe.

Vor allem beim Aufbau sehr großer Detektorarrays werden die Computertomografiemodule bei First Sensor inzwischen standardmäßig auf einem hochentwickelten Trägermaterial mithilfe der so genannten Flip-Chip-Technologie montiert. Bei anderen medizinischen Anwendungen geschieht dies mittels der Draht-Bond-Technologie.

Detektorarrays mit Flip-Chip-Technologie haben der Computertomografie zahlreiche neue Möglichkeiten eröffnet und kommen bei führenden Medizintechnik-Herstellern zum Einsatz. Ihre Eigenschaften und Potenziale machen sie für viele Anwender zur ersten Wahl. Inzwischen sind auch die Produktionsmethoden bei Anbietern wie First Sensor so weit fortgeschritten, dass hohe Volumina kein Problem mehr darstellen und die Ansprüche der Medizintechnik-Unternehmen erfüllt werden können.

Nicht umsonst sprechen Branchenkenner heute von einer regelrechten Transformation, die durch die Fortschritte bei von High-End-Sensoren für bildgebende Verfahren ausgelöst wurde. Im Zuge der Entwicklung können immer größere Chips in kleineren Ensembles untergebracht, die Eigenschaften besonders empfindlicher neuer Materialien genutzt und diese miteinander verbunden werden. Auch sind extrem große, praxistaugliche Arrays inzwischen weitgehend realisierbar.

Fünf Kriterien für die Sensorentwicklung

Doch ist es nicht nur das Packaging von Sensoren auf Arrays, auch die Weiterentwicklung der Sensoren selbst birgt zahlreiche (technische) Hürden. Insgesamt fünf Kriterien identifiziert ein White Paper von First Sensor – sie entscheiden über Qualität und Art des erreichbaren Fortschritts: Das erste Kriterium ist die präzise, mikrometergenaue Platzierung und Ausrichtung von Sensoren auf einem Array. Die Platziergenauigkeit bei Imager Dies liegt normalerweise zwischen 5 bis 10 µm in beide Richtungen (x und y), wobei technisch sogar eine Platziergenauigkeit von ungefähr 1 µm möglich ist. Bei Endoskopen kann es vorkommen, dass ein Prisma unmittelbar auf dem Imager platziert werden muss – dann aber mit einer Exaktheit, die in Pixelgröße gemessen wird. Die eigentliche Herausforderung für die Hersteller optischen Präzisionsequipments liegt dabei auch und vor allem in der Produktionstechnik und -ausstattung. Hier bemisst sich, wo die Grenzen der Miniaturisierung und präzisen Platzierung liegen, aber auch, in welcher Qualität das Die-Bonding erfolgen kann.

Das zweite zentrale Kriterim ist die Fähigkeit, Arrays so flach wie möglich zu gestalten und zu produzieren. Auch muss das Design die hochgenaue Einstellung der benötigten Neigungswinkel zulassen. Gerade bei großen Chips ist die Aufgabe, eine tatsächliche Flachheit unter 50 µm zu gewährleisten, extrem anspruchsvoll. Kommt es zu größeren Betriebstemperaturschwankungen, braucht es besonders geeignete Materialien und Fertigungstechniken, um die Vorgabe zu erreichen.

Eine Produktion unter Reinraum-Bedingungen ist das dritte Kriterium: Auch bei der Produktion optischer Komponenten darf kein Stäubchen das Produkt trüben. Gerade wenn Chips bestückt oder optische Sensoren platziert werden, ist die Vermeidung jeglicher Verunreinigung allein im Rahmen der Herstellungsprozesse keine leichte Aufgabe. Aber eine alternativlose, denn je kleiner die einzelnen Pixel werden, desto höher ist der Reinheitsbedarf. Heute erfordert die Produktion von Komponenten, die sich in dieser Dimension bewegen, in der Regel bereits Konditionen der Reinraumklasse 100.

Das vierte Kriterium ist der adäquate Umgang mit den für die Produktion benötigten Materialien und Vorprodukten. Die Bestückung von Sensorchips und Halbleiterwafern stellt hohe Ansprüche an das Handling innerhalb der einzelnen Produktionsschritte. Daher empfiehlt es sich, die Kapazitäten zur Verarbeitung unterschiedlicher Materialien und auch für die Testverfahren von Produkten und Lösungen möglichst an einem Ort zu konzentrieren.

Stichwort Materialien: Als fünftes Kriterium gilt es, bei den Materialien eine möglichst große Expertise vorzuhalten – auch und vor allem im Hinblick auf die Kombination mehrerer anspruchsvoller Werkstoffe.

www.first-sensor.com

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