一种紫外光子计数积分成像探测器阳极器件的加工方法

摘要

本发明提出了一种新的紫外光子计数积分成像探测器阳极器件的加工方法，以克服传统机械加工技术难以达到交叉位敏阳极的精度，以及一般光刻技术无法精细的加工出上导电层及绝缘层的技术难题。本发明采用PCB加工技术，主要步骤有：预制光刻掩膜板、刻蚀阳极图案、模块键合、光刻掩膜板精确覆盖、飞秒激光切除绝缘材料、过孔沉铜接口连接。本发明加工精度高，工艺简洁，成品率高，成本低，能够大规模量产。

说明书

技术领域

本发明属于多阳极加工技术领域，具体涉及一种适用于微通道板阳探测器的位敏阳极的加工方法。

背景技术

本发明所要加工制作的阳极器件，是一种交叉位敏阳极，分为上、下两层，上层和下层均包括尺寸相同的多个矩形导电条，上层的各个矩形导电条在同一平面内相互平行，下层的各个矩形导电条在同一平面内相互平行，同一层相邻矩形导电条之间形成直线绝缘沟道；上层与下层的所有矩形导电条整体形成交叉网格，每个矩形导电条独立输出电荷信号。

较之于传统的位敏阳极，该交叉位敏阳极结构复杂，阳极图案精细化程度要求较高，即各导电层的导电条排列精度要求达到微米甚至纳米量级；为了发挥交叉位敏阳极收集与传输电荷信号的优良性能，对导电层的表面平整度要求也非常高，要求表面平整度在100nm范围内。

该交叉位敏阳极的加工工艺的主要难点在于加工绝缘层和上导电层。因为在加工绝缘层和上导电层时，不能覆盖下导电层的各个导电条，必须保证每个导电条全部裸露在外，能够收集到电子云团落在下导电层上的电荷。另外，上、下两导电层间距非常小，且同一导电层各导电条之间间距较小，要确保上下两导电层之间绝对绝缘和防止极间信号串扰，对于传统的机械加工工艺来说，是一个巨大的挑战；如果只加工下导电层，现有的一般微电子光刻技术能够应对，但需要精确地加工出上导电层和绝缘层，并且在保证上下导电条绝缘的同时，要求导电电极宽度保持一致，以确保交叉阳极在光子计数成像探测中电荷中心解码的精度。传统的机械加工技术车，铣，刨，磨工艺远远不能胜任。同时考虑到经济成本，如全部采用微电子领域光刻技术与材料生长工艺，这样会导致工艺复杂，成本高本，成品率低，不利于交叉位敏阳极探测器的大范围推广与使用。

发明内容

本发明提出了一种新的紫外光子计数积分成像探测器阳极器件的加工方法，以克服传统机械加工技术难以达到交叉位敏阳极的精度，以及一般光刻技术无法精细的加工出上导电层及绝缘层的技术难题。

本发明的技术解决方案如下：

一种紫外光子计数积分成像探测器阳极器件的加工方法，包括以下步骤：

第一步：根据所要加工的交叉位敏阳极的上、下层矩形导电条的平面布局，预制光刻掩膜板；该光刻掩膜板的参数：长和宽与所要加工的整个交叉位敏阳极的外形尺寸相当,矩形条纹的宽度与矩形导电条的宽度相等,条纹间距与上层的相邻矩形导电条之间的直线绝缘沟道宽度相等；

第二步：取两块相同的双面覆铜层的PCB板，每块PCB板的上下表面均为铜层所覆盖，铜层厚度为4—10μm，中间为材质是绝缘介质的平板，该绝缘介质平板厚度为200—1000μm；利用第一步加工出的光刻掩膜板，对两块双面覆铜层的PCB板的上表面分别进行光刻处理，露出平行的直线绝缘沟道；然后，对于作为交叉位敏阳极上层的PCB板，对其下表面也进行相同的光刻处理，露出平行的直线绝缘沟道；

第三步：将第二步加工处理后的两块PCB板按照交叉网格的布局垂直放置，在这两块PCB板之间填充具有粘性的绝缘材料，在一定温度和压强下，将两块PCB板键合在一起；然后，对于作为交叉位敏阳极下层的PCB板，设置基底，在该PCB板之间填充具有粘性的绝缘材料，在一定温度和压强下，将PCB板与基底键合在一起；

第四步：再次利用第一步中的光刻掩膜板，精确覆盖在已依次经过第二步和第三步处理后的上层的PCB板的上表面，沿着裸露的直线绝缘沟道，利用飞秒激光切除绝缘材料，确保下层的PCB板的上表面恰好完全露出；

第五步：在上、下层每个矩形电极的末端，利用PCB工艺中的过孔沉铜技术，在基底上过孔，并在基底的底面设置与过孔一一对应的引线和焊盘，引线与对应的过孔连通；将设置的电荷信号输出接口与焊盘一一对应的焊接在一起，实现交叉位敏阳极的电荷信号输出。

基于上述基本解决方案，本发明还做如下优化限定和改进：

上述第一步预制的光刻掩膜板的特征：周期为0.5mm，缝宽为0.1mm，相邻两缝的间距为0.4mm；第二步中，每块PCB板的上表面铜层都通过光刻技术刻蚀成电极宽度为0.4mm、相邻电极的间距为0.1mm的矩形电极阵列。

上述每块PCB板的中间为陶瓷填充的PTFE绝缘材料构成的平板，绝缘系数为10.2，平板厚度为200—1000μm。

上述第三步中，所述具有粘性的绝缘材料采用Bondply材料；具体是在400摄氏度和1700psi环境下，对两块垂直放置的PCB板之间熔解Bondply，形成60um厚的绝缘层，实现两块PCB板的精确键合；在400摄氏度和250psi环境下，把靠近基底的PCB板下表面铜层与基底之间熔解Bondply，形成375μm厚的绝缘层，完成PCB板和基底之间的键合。

上述基底采用氧化铝基底。

上述PCB板采用双面覆铜镀金的陶瓷PCB板。

上述第二步和第四步是在真空环境下进行。

本发明具有以下优点：

综合了较为成熟的PCB工艺和飞秒激光加工技术，可以加工出精度完全满足交叉位敏阳极技术指标的阳极图案，避免了发生极间串扰，克服了传统机械加工方法加工精度低,工艺复杂，成品率低，成本高等缺点。采用PCB加工技术，对双面覆铜PCB板的加工可以达到交叉位敏阳极的精度要求，双面覆铜PCB板也易于后期的飞秒激光加工处理。

在交叉位敏阳极导电条的末端加工出导电过孔，在交叉位敏阳极背面设置输出接口，可以减小阳极尺寸，满足对探测器尺寸有苛刻要求的总体装配需求。

本发明加工精度高，工艺简洁，成品率高，成本低，能够大规模量产。

通过相适配的阳极位置解码器件，能够准确地实现电荷分割，实现光子计数功能，能够广泛应用于空间极微弱紫外、极紫外波段的成像探测，在军事、天文学、高能物理学、化学、量子电子学、超微弱生物发光探测等领域发挥重要的作用。

附图说明

图1是本发明加工交叉位敏阳极结构剖面示意图。

图2是本发明加工交叉位敏阳极立体效果图。

图3是本发明的交叉位敏阳极及信号引线的平面结构示意图。

图4是图3的局部放大图（按1:20比例）。

图5是交叉位敏阳极背面输出接口示意图。

附图标号说明：

1-上面PCB板，2-下面PCB板，3-上导电层，4-上面PCB板绝缘层，5-上面PCB板下表面铜层，6-两PCB板间的Bondply,7-下导电层，8-下面PCB板绝缘层，9-下面PCB板下表面铜层，10-下面PCB板与氧化铝基底之间的Bondply，11-氧化铝基底。

具体实施方式

本发明利用目前已经广泛商业化的PCB工艺和较为成熟的光刻技术，结合交叉位敏阳极的独特设计，对双面覆铜的PCB板进行加工处理，加工出满足精度要求的交叉位敏阳极。如图1、图2所示，具体工艺步骤如下：

第一步：预制光刻掩膜板。光刻掩膜板的参数：长为100mm,宽为100mm,矩形条纹的周期为0.5mm。其条纹宽度为0.4mm,条纹间距为0.1mm,两相邻矩形条纹之间是矩形槽。

第二步：刻蚀阳极图案。选择两块相同的PCB板，该PCB板的特征：上下表面为铜层所覆盖，铜层厚度为4—10μm；中间为陶瓷填充的PTFE绝缘材料构成的平板，平板厚度为200—1000μm，绝缘系数为10.2。设定PCB板上下两个表面铜层中靠近微通道板的一层为上层，远离微通道板的一层为下层。每块板的上表面铜层都利用光刻技术刻蚀成电极宽度为0.4mm,相邻电极的间距为0.1mm的矩形电极阵列。对上层的PCB板的下表面铜层做与上表面铜层相同的加工处理，下表面铜层加工后的图案与上表面铜层加工后的图案在形状上完全相同和位置上一一对应。

第三步：模块键合。键合材料选择Bondply材料，Bondply材料是一种低密度，多孔的由陶瓷和玻璃填充的PTFE材料构成的绝缘材料。在1700psi环境下对Bondply材料加热到400摄氏度，把它变成RT/duroid 6002材料，同时溶解它周边的材料，实现模块的键合。具体有以下两种形式：在400摄氏度和1700psi环境下，对两块已做第二步处理后的两块垂直放置的PCB板之间熔解Bondply，形成60um厚的绝缘层，实现两块PCB板的精确键合。在400摄氏度和250psi环境下，把靠近基底的PCB板下表面铜层与基底之间熔解Bondply，形成375μm厚的绝缘层，完成PCB板和基底之间的键合。

第四步：利用第一步中的光刻掩膜板，精确地覆盖在已依次经过第二步和第三步处理后的PCB板的上表面，光刻掩膜板与印刷电路板的矩形条一一对应，保证电极间绝缘材料全部裸露在外面，再利用飞秒激光切除绝缘材料，确保下导电层的电极能够接受到微通道板投射的电子云团。

第五步：在上下导电层每个电极一端的末端，利用PCB工艺中的过孔沉铜技术，并在基底的底面设置与过孔一一对应的引线和焊盘，把输出接口与焊盘焊接在一起，实现交叉位敏阳极的电荷信号输出。

如图2-图4所示，最终制得的交叉位敏阳极，分为上、下两层，上层和下层均包括尺寸相同的多个矩形导电条，上层的各个矩形导电条经绝缘层搭接在下层的各个矩形导电条上；上层的各个矩形导电条在同一平面内相互平行，下层的各个矩形导电条在同一平面内相互平行；所述绝缘层与上层的各个矩形导电条一一对应，且分别位于对应的矩形导电条的投影范围内，在投影方向上，上层与下层的所有矩形导电条整体形成垂直交叉网格，每个矩形导电条独立输出电荷信号。下表1列出了本发明与传统机械工艺加工的性能比较。

表1

表1说明：传统工艺加工这种多层分立并且非常精细的阳极，限于工艺水平，不仅加工程序复杂，产品精度较低，而且加工成本与本发明工艺相比，也比较昂贵。就同一款8×8的交叉位敏阳极而言，需要加工出权利要求4所述的绝缘层，该绝缘层由8条分立绝缘条组成，每个条纹宽度为0.4mm，相邻条纹的间距为0.1mm，条纹厚度选择200μm。传统机械工艺的加工强度加工出上述绝缘层，加工难度非常大，需要选择加工性能较高的特殊陶瓷材料，不仅材料成本昂贵，对于加工设备要求也比较高，加工程序繁琐，总体成本在6万元以上。并且传统机械工艺的成品率低于10%，加工出的交叉位敏阳极精度也只能达到毫米量级，利用该交叉位敏阳极从事紫外光子计数积分成像探测器的研究实验，其实验性能和实验可靠性也不理想，所测得实验数据与理论计算结果相比较相差一个数量级以上。本发明工艺对于一般的PCB材料就可以胜任，而且价格低，可选材料的种类比较广泛，材料成本一般为传统机械工艺材料成本的百分之一以下，一般的光刻厂商都能保障设备的可行性，加工难度低，加工环节少，总体加工成本为4000元—8000元。同时本发明工艺的成品率在80%以上，该工艺加工的交叉位敏阳极精度可以达到微米甚至亚微米（100nm）量级。利用该交叉位敏阳极从事紫外光子计数积分成像探测器的研究实验，其实验性能和实验可靠性比较理想，所测得实验数据与理论计算结果符合程度较好，偏差在5%以内。