帶有電子和流體功能的生物醫學設備的互連和封裝方法

2023-04-28 06:54:46

專利名稱：帶有電子和流體功能的生物醫學設備的互連和封裝方法
帶有電子和流體功能的生物醫學設備的互連和封裝方法本發明涉及醫學診斷領域中的電子系統，尤其涉及在電子、機械 和射流組合模塊中連接各種功能的集成互連和封裝系統。在醫學診斷領域中的新發展是晶片上實驗室(LOC)和微全分析 系統0iTAS)。這些電子系統被用於諸如DNA和蛋白質的特定生物分 子的檢測和分析。這些類型的微系統包括射流的、電氣的和機械的功 能，諸如微泵、闊、混合器、過濾器、加熱器、冷卻器、生物傳感器 等，並且該微系統必須以可靠和成本有效的方式被連接和封裝，以便 保護精密的組件不受環境影響。集成和封裝是一項具有挑戰性的任務。例如，集成微流控傳感器 需要將各種功能組合在單一模板上，並且將其他功能組合在分離的功 能性襯底(fbnctional substrate)上，即矽上，這需要由微流控通道系統 來裝配。在通過使引腳尺寸(footprint)最小來保持低成本的同時，通 道幾何結構小，則在襯底和通道板之間的界面集成更加困難，這是由 於它們需要緊湊、精確和可再生。此外，在需要電界面的電子組件中， 溼界面的分離是關鍵的。而且，鍵合技術必須與生物化學反應物和在 功能性襯底上的表面處理相符。由於功能性襯底的引腳尺寸遠遠小於 微流控通道系統的引腳尺寸，並且功能層和材料的應用技術不符合微 流控通道板裝配要求，裝配包含生物功能性和電界面的閉合通道系統 是困難的。本發明的封裝系統針對上述的現有技術的缺點，用於容納集成在 電子/機械/射流組合模塊中的各種集成電路。本發明提供了一種通用的互連和封裝方案，用於連接在電子/機 械/射流組合模塊中的不同功能。本發明的一方面是在最終的步驟中， 將諸如傳感器和致動器的功能性元件附著至預裝配的射流和電氣互連繫統中。根據本發明的另 一方面，該模塊包括射流部件和包含電氣互連電 路的板。帶有互連電路的板被精確地與射流部件對準，並且然後被鍵 合到或者層壓到射流部件上。這樣，用電氣和射流基本結構獲得了底 部模塊。所需要的功能，諸如生物傳感器，加熱器，閥，泵等通過倒 裝晶片技術使用超聲鍵合或雷射焊接被附著到該模塊上。在晶片上預 先定義的高分子環充當密封體。在晶片的鍵合工藝中，晶片上的密封 圈與襯底緊密接觸，並且由此密封射流通道而不受外部條件的影響。再一個方面是本發明可以以簡單、可靠且便宜的實施方式來實現。又一個方面是本發明可以應用在諸如P TAS和LOC，分子診斷， 食物和環境傳感器的生物醫學應用中。除了生物分子的分析之外，本 發明也可以在化學或生物化合物的合成中使用。藉助於以下附圖，可以描述在此公開的本發明的細節，其中

圖1根據本發明描述了包括流體和電氣系統的裝置；圖2是根據本發明在單一模塊上集成的各種功能的示意圖；圖3a示出了根據本發明在單一模塊上集成各種功能的製造步驟；圖3b是示出根據本發明的製造步驟的另一示圖；圖4是根據本發明在單一模塊上集成各種功能的過程的流程圖；圖5示出了根據本發明另一實施例的替換實施例；圖6示出了根據本發明另一實施例在單一模塊上集成的電路。現在詳細參考附圖，其中，相似的參考標記在幾幅視圖中識別相 似或相同的元件，首先參考圖l，示出了根據本發明的電子裝置100 的示例性結構的總體結構。參考圖1，本發明的裝置10的代表性組件包括射流部件12和包 含電氣互連電路16的板14。該板14和互連電路16被精密的對準， 並且然後被鍵合或層壓到射流部件12上。各種功能，例如生物傳感器18可以使用低溫超聲鍵合或雷射焊接技術利用倒裝晶片技術被耦 合到該模塊。在包含該板和互連電路16的層和功能18之間的提供了 預先定義的高分子環20，以使其緊密接觸，該高分子環20充當用於 與環境隔開的密封體。圖2示出了根據本發明集成到單一模塊上的各種電子電路的示 意性視圖。可以集成到電氣互連電路16上的不同電路包括生物傳感 器晶片22，加熱器晶片24，雙閥晶片28，混合室28，樣品入口 30， 反應物入口 32，和廢物出口34。應該理解的是，儘管為了說明的目 的，圖2中示出的不同電路的數量比較少，原則上，本發明可以包含 更多數量的其他電路。參考圖3a和3b，進一步描述解釋了在單一模塊上集成各種電子 元件的製造步驟。該製造步驟將參考生物傳感器晶片18來解釋，但 是在單一模塊上的其他電子元件的構造與上述參考圖3a和3b描述的 基本相同。因此，省略在前述段落中描述的關於其他組件的討論，以 避免冗長。參考圖3a，射流部件12可以是帶有通過光刻和/或溼式或乾式蝕 刻獲得的通道和腔12a的矽片或玻璃板。它也可以是通過注射成型 (PMMA, COP)或鑄造(PDMS)製造的高分子部件。在成型或鑄造的情 況下，通過光刻和電鍍(LIGA)，顯微機械加工和/或蝕刻獲得所需要 的精密插入物(靠銜master》。包含互連電路16的片可以是玻璃，柔性箔片(flexfoil)，或PCB 材料，並且通過濺射、光刻和電鍍工藝提供，並且其優選是鉻/銅/鎳/ 金層的組合物。在該片上的通孔通過光刻和蝕刻，雷射切除，機械衝 孔(Flexfoil， PCB)，或者蝕刻(玻璃)來獲得。包含互連電路16的片與 射流部件12精密對準，並且然後在升高的溫度下被鍵合(玻璃對玻璃， 聚合物對聚合物)或者使用粘合劑被粘合(聚合物對玻璃)。在此，優選 通過滾軸塗敷或軟布印刷(tampon printing)將薄的粘合劑層施加在射 流部件12上，使得凹下的區域(通道和腔12a)不接觸粘合劑。或者， 可以使用可光定義的(photodefinable)粘合劑層或壓力敏感的粘合劑 (PSA)。參考圖4,示出了根據本發明在單一模塊上集成各種電路的過程。 首先，在步驟100，提供晶圓。使用IC和MEMS處理技術在SI或玻 璃晶圓上製造諸如生物傳感器，閥和加熱器元件的不同集成電路。注 意，以陣列形式在晶圓上製造的集成電路，即電子組件對於本領域技 術人員來說是公知的。在步驟102，在晶圓水平上，提供比金突塊 (bump)稍厚的高分子密封圈。可以使用商業上可得到的密封圈，如 Dow Coming的可光定義的矽WL5150或MRT的SU-8聚合物。晶圓 的背側表面被附著於諸如Nitto藍膠帶(Ni加blue tape)的膠帶。接下 來，在步驟104，通過切割將每個晶圓分為各個晶片。然後用去離子 水徹底衝洗晶圓，以移除鋸切產生的任何殘留物或汙染物，並且然後 乾燥。現在，在步驟106，在處理階段例如通過先進的噴墨列印技術 可以提供帶有必需的固定生物分子探針(測定點位(spotting))的生物傳 感器晶片。這些晶片仍然以晶圓形式靠近在一起的事實便於測定點位 操作。在用探針分子測定點位後，或者不存在這種測定點位，使用專 用工具可以從藍膠帶移除各個晶片。之後，在步驟108，通過超聲鍵 合將晶片直接附著到底部模塊上。在步驟70，提供具有流體通道的 底板以形成底部模塊，並且在步驟80，提供具有互連電路和孔的蓋 板，然後在步驟90，將底板和蓋板耦合在一起。在步驟108中的超 聲鍵合在室溫下執行，其阻止了生物分子的破壞。在晶片上的軟環將 生物傳感器表面密封以與外部脫離。可以使用雷射焊接代替超聲鍵 合。使用熱或UV固化粘合劑來附著晶片也是可行的。在該情況下， 在放置之前，密封圈被浸入膠粘物薄層(l-5微米)中。在晶片鍵合之 後，在步驟110，可以應用聚合物底填料(underfill)來增加粘合強度和 密封。在替換實施例中，可以省略與矽襯底的密封圈，而在成型的通道 板中使用列印技術或集成技術。這種替換手段在材料選擇方面提供了 更多的自由度，並且比在晶圓上執行光刻更加節約。此外，密封圈的高度確定了傳感器所在位置處的通道高度。因此， 在鍵合工藝之後，該高度必須易於改變並且不受突塊高度的約束。為 此，如圖5中所示，可以移除通道12a之間的彎曲(flex)並且還可以調整射流板的高度和幾何形狀。參考圖6，將解釋根據另一實施例在單一模塊上提供集成電路。 該實施例的構造和操作與參考圖1描述的基本相同，除了密封圈被集 成在額外的彈性中間層40，諸如PMDS中之外。該層用於確定通道 或腔42的大小。如圖6所示，該層附著在包含多個通道的剛性塑料 板42(例如PMMA)上。由於已經參考圖1和3進行了描述，省略了 在前述段落中描述的對相似組件的討論，以避免冗長。雖然如應用到其優選實施例那樣示出、描述和說明了本發明的基 本新穎特徵，應該理解，在不脫離本發明精神的情況下，本領域技術 人員可以對所說明的設備的形式和細節進行各種省略、替換和變化。 例如，以基本相同的方式執行基本相同的功能從而達到基本相同的結 果的這些元件和/或方法步驟的所有組合都意欲包含在本發明的範圍 內。而且，應該認識到，可以在任何其他公開的或描述的或建議的形 式或實施例中合併鍵合任何公開的形式或本發明的實施例示出的和/ 或描述的結構和/或元件和/或方法步驟，作為設計選擇的一般性內容。 因此，本發明僅受所附權利要求所指示的範圍限制。
權利要求
1.一種在電子、機械和射流的組合模塊中容納多個集成電路的方法，包括提供其上用於安置所述多個集成電路的襯底，所述襯底具有帶有至少一個用於提供流體路徑的通道的板；在所述襯底的下表面上形成密封圈；將所述襯底劃分為多個晶片；以及使用倒裝晶片工藝將所述多個晶片耦合到所述模塊上。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，所述倒裝晶片工藝在室溫下 執行。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，所述模塊包括具有多個通道 的預裝配射流和電氣互連設備。
4. 如權利要求3所述的方法，其中，所述電氣互連設備包括絡/ 銅/鎳/金層的組合。
5. 如權利要求1所述的方法，其中，所述集成電路包括生物傳感 器、閥、泵、混合器、冷卻器和加熱器中的一個。
6. 如權利要求5所述的方法，其中，所述生物傳感器設置有固定 生物分子探針。
7. 如權利要求1所述的方法，其中，所述提供密封圈的步驟還包 括在所述襯底的下表面上提供金突塊的步驟。
8. 如權利要求7所述的方法，其中，所述密封圈基本上比所述金 突塊厚。
9. 如權利要求1所述的方法，其中，所述倒裝晶片工藝包括超聲 鍵合或雷射焊接。
10. 如權利要求1所述的方法，還包括在將所述多個晶片耦合在 所述模塊上之後，應用底填料的步驟。
11. 如權利要求1所述的方法， 間層中。
12. 如權利要求11所述的方法， 有多個腔的剛性塑料板。
13. 如權利要求1所述的方法, 將所述密封圈浸入粘合劑薄層。其中，所述密封圈集成在彈性中 其中，所述彈性中間層耦合到具 其中，在所述倒裝晶片工藝之前
14. 一種用於容納多個集成電路的封裝系統，包括襯底，用於在其上安置所述多個集成電路，再者，我們想要求更寬的保護；耦合到所述襯底的密封圈； 具有多個通道的預裝配射流；以及耦合在所述密封圈和所述預裝配射流之間的電氣互連設備。
15. 如權利要求14所述的封裝系統，其中，所述電氣互連設備包 括鉻/銅/鎳/金層的組合。
16. 如權利要求14所述的封裝系統，其中，所述集成電路包括生 物傳感器、閥、泵、混合器、冷卻器和加熱器中的一個。
17. 如權利要求14所述的封裝系統，還包括在所述襯底的下表面上的金突塊。
18.如權利要求17所述的封裝系統，其中，所述密封圈基本上比 所述金突塊厚。
19.一種用於容納多個集成電路的裝置，包括 襯底，用於在其上安置所述多個集成電路； 耦合到所述襯底的密封圈；以及 電子、機械和射流組合模塊，所述模塊包括 具有多個通道的預裝配射流；以及耦合在所述密封圈和所述預裝配射流之間的電氣互連設備。
20. 如權利要求19所述的裝置，其中，所述電氣互連設備包括鉻 /銅/鎳/金層的組合。
21. 如權利要求19所述的裝置，其中，所述集成電路包括生物傳 感器、閥、泵、混合器、冷卻器和加熱器中的一個。
22. 如權利要求19所述的裝置，還包括在所述襯底的下表面上的 金突塊。
23. 如權利要求19所述的裝置，其中，所述密封圈基本上比所述 金突塊厚。
全文摘要
提供一中用於製造晶片上實驗室(LOC)和微全分析系統的互連和封裝方法。通過倒裝晶片技術使用超聲鍵合工藝，將諸如生物傳感器、加熱器、冷卻器、閥和泵的不同功能組合在電子/機械/射流模塊中。在晶片上預先定義的高分子環充當密封體。
文檔編號H01L21/50GK101228620SQ200680027091
公開日2008年7月23日 申請日期2006年7月12日 優先權日2005年7月25日
發明者R·溫貝格爾-弗裡德爾, T·奈裡森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司