提高X射线成像质量的高速平板探测器技术..docx

如今的微型电子元件以及这些元件到PCB的连接 变得越来越复杂，这主要是由以下几个原因造 成的：较小的元件尺寸，更多的互连，三位堆叠封装等。这些要求反过来向我们提出了开发先进检测技 术的需求。当对不可视的互连，或器件内部结构进行评估时，光学检测将无能为力。尽管X光检查被用在许多此类检 测中，然而传统的X光检测系统还是会由于需求的上升而受到限制。此外，使用多种不同的材料也对X射线探测器，在 对比度和分辨率上都提出了新的要求。这一切导致越来越多地需要使用平板X射线探测器（FPD），结合其先进的操作特性去解决这些问题。图像增强系统多年来，实时X射线成像系统通常借助电视摄像设备接 收X射线到可见光摄像机上——图像增强器（图1）。这些单元都是可靠且易于使用的，而且价格相对低廉，并能提 供良好快速的图像，尤其是在配备了更大动态范围CCD相机。其他性质的图像增强器，效果并不理想。这是由于高 度真空的管体中填充的是球形的荧光粉，它需要承受巨大的外部大气压力。电子束从弧形阴极加速穿过物体后轰击 在平板上的荧光粉表面，结果形成一个变形的图像，这就是通常所说的针形失真（图2）。上述现象导致在较大FOV图像中，图像的边缘部分相对于中心区域有10～15%的距离测量误差。由于静电磁力线与地球磁场的相互影响，会造成短暂的“ S ”型扭曲现象，这在使用计算机重建断层扫描三维图像时会产生问题。由于光线偏离输出荧光粉的接收器，在图像的外圈光线强度损失形成阴影，这使得输出图像的轮廓变得不均匀（图2 ） 。有哪些办法可以突破这些限制呢？其中一项技术就 是上世纪90年代在医疗部门被广泛运用的数字平板检测技术。在这之后，该项技术迅速在非破坏材料检测领域得到 推广。他们随后优化了这项技术，以满足高水平的动态性 能要求。平板探测器：薄膜晶体管阵列目前，一些基于非晶硅薄膜晶体管（TFT）阵列的检测 技术已经得到了发展。这些以非晶硅 (a-Si）薄膜晶体管阵列为代表的技术研究和实际应用出现在20世纪80年代末，主要是在紧凑的笔记本电脑显示屏。到了90年代中期，生产X射线探测器的可行性研究表明，同样的技术可运用于获取二维（平面）投影的X射线图像，以及随后出现的“实时”透视技术（图3）。该技术目前已推广到主流的实际应用中，包括X光透视及萤光透视，并且也用于工业X射线检测系统。最成功和最广泛使用的探测器被称为“间接”探测器。这些探测器是基于非晶硅薄膜晶体管/光电二极管阵列耦合X射线闪烁体的信号。最基本X射线转换原理如图4所示。和标准的荧光透视法一样，在平板成像中最常见的 发光接收器（闪烁体）也是采用钆硫氧化物和铯碘（碘化铯）。间接FPD技术的成功源于一个事实，即非晶硅和发光 接收器技术被充分理解和经过了数十年的研究。对于间接数字X射线成像系统，X射线管发出一束X光穿过被测物，光线打到一层感光材料上并把它转化为可见光光子。这些光子然后击打到光电二极管上发射出电子，电子激活一层非晶硅上的像素。激活的像素形成电子数据，计算机可以依 靠这些数据生成高质量的被测物的图像，然后显示在电脑显示器上（图5）。如今的FPDs能够产生高达每秒30帧的 图像 ，因此非常适合用于实时成像和计算机快速断层扫描 技术上。平面检测器的优势平板探测器最明显的优点在于它们的尺寸和重量。一 个平板探测器只占不到整个体积15～25％，重量不到图像增强器的60％。更为积极的是除产生方形的像素外还防止 了图像的几何失真和阴影。其他优势包括图像有大范围的灰阶层次、更高的分辨率和高信噪比，从而有很好的细节 探测能力；高动态检测范围可以使得每幅图像中的材料厚度允许有较大的跨度；以及在每次检查项目只需要设定一 个X射线参数就足够了。表1是图像增强器和平板检测器之间的性能比较。集成FPD技术的X射线检测系统高性能的成像技术可以为在微距X-RAY检测中探测和 分析稍纵即逝的隐藏细节提供依据。在微距X射线检测中整合和利用平板探测器，开辟了新应用的可能性。由于体积 小和重量轻，以及先进的操作概念，可能使开发者和用户 都能获益。传统的微距X射线系统采用单一的放大轴，靠移动X射 线管或样品来获得放大倍数。这使得X射线管到探测器的距离增加，从而降低X射线到达探测器的强度，因为很多 从X光管发射到样品的电子在运动过程中被空气吸收了。此外，当X光管到探测器距离改变时还需要不断修改X射线的 参数。新的YXLON解决方案配备了2个放大轴。该X射线管和探测器可单独或联合改变放大倍数及强度。当X光管到探 测器距离的固定时，可以在不改变照射强度的情况下增加放大倍数（图6）。这一点很重要，因为这使得操作更加方便，用户无需改变X -射线的参数，即可改变放大倍率。图7比较了在YXLON检测系统中使用的变焦技术和在传统系统中使用的技术在检测电路板、QFP器件及它的两个引