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提高X射线成像质量的高速平板探测器技术




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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器件及它的两个引脚时获得的不同的放大倍数。

总结
随着业界生产向更小,更复杂的元器件和PCB工艺发 展,检测需求面临着更大的挑战。新的平板X射线探测器技术 再加上其先进的操纵系统,可以为客户提供一个清晰的图像 来显示隐藏的器件和缺陷,从而可以应对这些挑战。

参考资料
[1] Seibert AJ (2006) Flat-panel detectors, how much better are they? Pediatr. Radiol. 2006 September; 36(Suppl. 2): pp 173-181.
[2] Flat Panel Imaging, Varian medical systems “Paxscan” Technology & Products information.
[3] Padovani R (2006) Basic Principle of Digital Flat Panels, SENTINEL Workshop, Trier

关于作者
Friedhelm W Maur 是Feinfocus YXLON国际上海办事处的销售经理。Friedhelm拥有超过20年的微距焦X射线检查经验。他的联络方式是:friedhelm.maur@yxlon.com.cn。

 
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