一種柔性軟排線和聚對二甲苯柔性電極的熱壓連接方法與流程

2023-10-22 10:43:22 3

本發明涉及一種生物醫學工程
技術領域：
：使用的柔性生物電極的快速有效的熱壓連接方法，具體地，涉及一種柔性軟排線和聚對二甲苯柔性電極的熱壓連接方法。
背景技術：
：：隨著生物醫學工程、MEMS技術和新型生物相容性材料的發展，神經假體和腦機接口已成為工程研究的熱點領域。神經電極作為外界電路和生物體的接口，主要功能包括記錄來自神經元、感受器或運動纖維的電信號，以及利用電信號激勵或抑制神經元活動，實現功能性電刺激。作為一種新型的神經接口器件，柔性生物電極被用作人工耳蝸，人造視網膜，監測心率等參數的表皮電子器件，腦皮層電信號記錄電極，包裹外周神經的卡夫電極，脊椎損傷後癱瘓恢復用的刺激電極等。而柔性電極焊盤接口的電氣連接，貫穿了電極製備、測試和使用的整個過程，因此，穩定、可靠、簡單、高效的電極焊盤接口連接方式必不可少。目前主要的焊盤接口連接方式包括採用導電銀漿連接到PCB板，高溫焊槍將焊料點在連接器和焊盤之間，貼合加厚加硬襯底塞進零插入力接口(ZIF)，各向異性導電膠(ACF)熱壓連接PCB板或軟排線等。導電銀漿和高溫焊料都需要逐點精細操作，費時費力；直接塞進如FPC連接器這樣的零插入力接口，雖然操作方便，但反覆插拔會對電極焊盤金屬造成損傷；直接通過ACF熱壓，全部焊盤一次性完成連接，且不會因為測試使用中反覆操作焊盤端引起電極損傷，因此是一種高效可靠的連接方式，近幾年來受到廣泛關注和採用。但是，對於Parylene柔性電極而言，如何更好地實現其與柔性軟排線可靠的熱壓連接，在現有文獻和專利中卻未見報導。經對現有技術的檢索發現，RichnerTJ,ThongpangS等人在Journalofneuralengineering撰文「Optogeneticmicro-electrocorticographyformodulatingandlocalizingcerebralcortexactivity」，將Parylene柔性電極的焊盤端貼合加厚加硬襯底，塞進FPC連接器，由於連接器內金屬端子與柔性電極金屬焊盤通過擠壓接觸實現導通，擠壓後的柔性電極金屬焊盤會出現壓痕，反覆插拔多次會造成金屬焊盤的破損，進而導致電極失效。BaekDH,ParkJS等人在IEEETransactionsonBiomedicalEngineering,2011,58(5):1466-1473撰文「Interconnectionofmultichannelpolyimideelectrodesusinganisotropicconductivefilms(ACFs)forbiomedicalapplications」，他們主要對聚醯亞胺(PI)柔性電極和剛性PCB通過ACF進行了熱壓連接，屬於柔性-剛性互連(Flex-on-board)，熱壓方向採用PI柔性電極在上面，PCB在下面，沒有探討柔性-柔性互連(Flex-on-flex)，且並未涉及Parylene柔性電極的熱壓。LedochowitschP,FélusRJ等人在MicroElectroMechanicalSystems(MEMS),IEEE24thInternationalConference,2011:1031-1034撰文「Fabricationandtestingofalargearea,highdensity,paryleneMEMSμECoGarray」，對Parylene電極和PCB板通過ACF進行了熱壓，同樣屬於柔性-剛性互連，另外文中沒有提到具體的熱壓方向和熱壓效果，無法判定這裡採用的熱壓方法是否同樣適用柔性-柔性熱壓互連。LiuJ,FuTM,ChengZ等人在Naturenanotechnology,2015,10(7):629-636撰文「Syringe-injectableelectronics」，採用ACF熱壓連接超薄SU-8膠製備的柔性電極和FFC軟排線，補充材料裡面提到是將ACF貼附到SU-8柔性電極的焊盤端，再將FFC軟排線從上面熱壓，這種熱壓方式雖然過程簡單，但是因為FFC軟排線本身不透明，另外焊盤端增加了補強板，更加不便於觀察是否對準，因此這種方法仍有需要改進之處。綜上所述，目前報導的柔性電極的連接方法多數針對柔性-剛性互連，對於柔性-柔性互連，沒有穩定可靠、簡單實用的熱壓方法。隨著生物醫學工程和神經工程的發展，越來越多基於Parylene這種符合ISO-10993和UDP第六類塑料的生物試驗要求材料的生物電極，將被大量地研發和使用，接口的柔性化連接必然會成為制約電極性能的重要環節，因此有必要通過實驗提出可靠的熱壓方法。技術實現要素：針對現有技術中的缺陷，基於反覆試驗和測試，本發明提出了全新的Parylene柔性電極和柔性扁平軟排線的熱壓方法，保證了電極導通率和一致性，有效避免了Parylene柔性電極焊盤部分金屬破裂，大大提升了電極連接可靠性和長期植入穩定性。為實現以上目的，本發明提供一種柔性軟排線和聚對二甲苯柔性電極的熱壓連接方法，所述方法包括如下步驟：(1)將柔性扁平軟排線(FFC)焊盤面朝上固定在第一載玻片上，FFC一端焊盤上貼附各向異性導電膠帶，並用電烙鐵預壓；(2)聚對二甲苯(Parylene)柔性電極背面貼附在第二載玻片上，翻轉第二載玻片180度，使Parylene柔性電極正面朝下，在顯微鏡下完成Parylene柔性電極焊盤和貼附有各向異性導電膠帶的FFC焊盤的對準，再次用電烙鐵熱壓對準後的焊盤正上方的第二載玻片；(3)抬起貼附Parylene柔性電極的第二載玻片，將FFC翻轉180度，補強板朝上固定在第一載玻片上，在熱壓機上完成終壓。優選地，(1)中，所述各向異性導電膠帶(ACF)根據產品使用要求對應不同的熱壓參數，其中：熱壓參數包括三項：溫度、時間和壓力，通過熱壓機設置和調節熱壓參數，熱壓效果通過光學顯微鏡或掃描式電子顯微鏡觀察；同時在電化學工作站通過循環伏安法，測試熱壓的導通率和一致性。更優選地，所述各向異性導電膠帶寬度為2mm，各向異性導電膠帶的寬度根據實際熱壓區域大小需要更換調整。優選地，(1)中，所述電烙鐵是外熱式電烙鐵，烙鐵頭使用前端貼附有耐高溫熱壓矽膠條的銅質熱壓頭，熱壓頭採用平頭T型結構，以保證熱壓平整度和均勻性。優選地，(2)中，所述Parylene柔性電極焊盤和貼附有各向異性導電膠帶的FFC焊盤對準時，需要將貼附Parylene柔性電極的第二載玻片翻轉180度，並使Parylene柔性電極朝下，這種方式充分利用Parylene柔性電極上方的第二載玻片和Parylene柔性電極的透光性，從而在光學顯微鏡下清晰辨認並對準焊盤。更優選地，所述貼附Parylene柔性電極的第二載玻片翻轉180度時，使FFC貼附ACF的焊盤端靠近第一載玻片的一端，並使FFC在長度方向上絕大部分覆蓋第一載玻片，這樣在第一、第二載玻片接觸熱壓時，避免Parylene柔性電極的電極點和下面的第一載玻片接觸，而導致電極點金屬脫落、破裂或汙染的可能。優選地，(2)中，所述電烙鐵是外熱式電烙鐵，烙鐵頭使用前端貼附有耐高溫熱壓矽膠條的銅質熱壓頭，熱壓頭採用平頭T型結構，以保證熱壓平整度和均勻性。優選地，(3)中，所述補強板上配合覆蓋有耐高溫、表面光滑抗粘的鐵氟龍膠帶；終壓時補強板朝上，以避免Parylene柔性電極焊盤部分發生金屬破裂。更優選地，所述補強板由耐燃PET聚酯薄膜和阻燃飽和聚酯樹脂組成，具有極高的耐壓和耐高溫效果。優選地，(3)中，所述熱壓機上的熱壓頭寬度為1.5毫米或2毫米，所述熱壓頭的寬度根據實際熱壓區域大小需要更換調整。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：本發明的熱壓方法主要用於連接Parylene柔性電極和柔性扁平軟排線。熱壓方法簡單易操作，通過載玻片作為載體，將柔性電極放置在柔性扁平軟排線上方進行手動對準，透明電極在上面，焊盤清晰可見，保證了對準效果；在熱壓機上進行終壓時，補強板朝上，柔性電極沒有與高溫熱壓頭直接接觸，避免了電極受熱變形和焊盤部分金屬破裂，提升了電極連接的可靠性；柔性和柔性的互聯方式對於長期植入體內有重要意義，應用場合更加靈活，可以避免剛性接口帶來與柔軟組織的機械不匹配。附圖說明通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：圖1是本發明實施例的熱壓方法流程示意圖，其中：操作流程分為8步，對應圖中(a)～(h)，(i)、(j)分別是(f)和(g)的局部放大圖；圖2是本發明實施例的熱壓效果圖，其中：(a)、(b)分別為熱壓完成後補強板朝上和朝下的效果示意圖，(c)、(d)分別對應(a)、(b)的實物圖；圖3是本發明實施例的正反面熱壓效果對比圖，其中：(a)是聚對二甲苯柔性電極正面朝上熱壓方式示意圖，(b)和(c)是熱壓方式(a)的熱壓效果示意圖和實物圖；(d)是聚對二甲苯柔性電極反面朝上熱壓方式示意圖，(e)和(f)是熱壓方式(d)的熱壓效果示意圖和實物圖；圖4是本發明實施例的正反面熱壓聚對二甲苯柔性電極的循環伏安法測試結果對比圖，其中：(a)是聚對二甲苯柔性電極正面朝上熱壓得到的4通道電極的CV曲線；(b)是聚對二甲苯柔性電極反面朝上熱壓得到的4通道電極的CV曲線；圖中：載玻片1，柔性扁平軟排線2，各向異性導電膠帶3，聚醯亞胺膠帶4，外熱式電烙鐵5，T型電烙鐵熱壓頭6，載玻片7，聚對二甲苯柔性電極8，補強板9，熱壓平臺10，鐵氟龍膠帶11，熱壓頭12。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。實施例1如圖1所示，一種柔性軟排線和聚對二甲苯柔性電極的熱壓連接方法，所述方法操作流程可細分為8步，具體描述如下：第一步、如圖1中(a)所示，將一根柔性扁平軟排線2焊盤面朝上，用聚醯亞胺膠帶4固定在標準尺寸的載玻片1上，柔性扁平軟排線2一端焊盤儘可能靠近載玻片1的邊緣，即保證載玻片1的長度方向絕大部分被柔性扁平軟排線2覆蓋；在柔性扁平軟排線2焊盤中央位置貼附各向異性導電膠帶3，柔性扁平軟排線2焊盤兩側露出少量各項異性導電膠帶3，用於最後終壓時作為對準參考。作為優選的實施方式，所述柔性扁平軟排線2有四個通道，間距為1mm；其一端露出的鍍錫扁平銅線焊盤長度為4mm。作為優選的實施方式，所述各向異性導電膠帶3採用日立化學生產的型號為AC-2056R-35的ACF膠帶，寬度為2mm。第二步、如圖1中(b)所示，用外熱式電烙鐵5配合前端貼附有耐高溫熱壓矽膠條的銅質T型電烙鐵熱壓頭6，T型電烙鐵熱壓頭6熱壓平面保持水平，中央對準已經貼附好的各向異性導電膠帶3，用一定的力度熱壓約3～5s，保證受熱後粘住柔性扁平軟排線2的焊盤即可，隨後用尖嘴鑷子從各向異性導電膠帶3一側輕輕撕除上面的貼膜。第三步、如圖1中(c)所示，另外準備一片載玻片7，將聚對二甲苯柔性電極8的背面朝下貼附在載玻片7上，並使電極點和焊盤朝上；貼附時使用沾水的棉籤，以保證聚對二甲苯柔性電極8完全展平且不會受損。第四步、如圖1中(d)所示，將載玻片7翻轉180度，使聚對二甲苯柔性電極8正面朝下，在顯微鏡下完成聚對二甲苯柔性電極8的焊盤和貼附有各向異性導電膠帶3的柔性扁平軟排線2的焊盤對準。第五步、如圖1中(e)所示，再次使用帶有T型電烙鐵熱壓頭6的外熱式電烙鐵5，從對準的兩部分焊盤的正上方用一定力度熱壓10～20s，熱量透過載玻片7傳遞到各向異性導電膠帶3，實現聚對二甲苯柔性電極8的焊盤和柔性扁平軟排線2的焊盤的預壓連接。需要說明的是，所使用的壓力和溫度只是為了兩者能夠初步粘黏在一起，並沒有達到使各向異性導電膠帶3中的導電粒子破裂實現單方向導電所需的熱壓參數值。第六步、如圖1中(f)所示，將載玻片7輕輕揭開，注意揭開過程中避免由於和聚對二甲苯柔性電極8之間的吸附力造成電極損傷，可以在第三步貼附聚對二甲苯柔性電極8時，用塑料鑷子輕輕挑起聚對二甲苯柔性電極8的電極點和導線所在部分，避免與載玻片7完全貼緊。第七步、如圖1中(g)所示，撕開固定柔性扁平軟排線2的聚醯亞胺膠帶4，將柔性扁平軟排線2翻轉180度，補強板9向上用聚醯亞胺膠帶4固定在載玻片1，同時保證聚對二甲苯柔性電極8完整地貼附在載玻片1上，避免操作過程中由於不慎，使聚對二甲苯柔性電極8被載玻片1邊緣劃傷。第八步、如圖1中(h)所示，將載玻片1放在熱壓機的熱壓臺10上，熱壓頭12通過各向異性導電膠帶3兩側露出的部分實現對準，固定載玻片1，補強板6上覆蓋鐵氟龍膠帶11，脈衝熱壓機參數設置為溫度240℃、壓力0.18MPa、時間18s。如圖1中(i)和(j)所示，分別為第六步和第七步中熱壓處的局部放大圖，表明了聚對二甲苯柔性電極8在上、補強板9在下，和翻轉180度後聚對二甲苯柔性電極8在下、補強板9在上的兩種狀態。如圖2所示為熱壓效果圖，其中：(a)是熱壓完成後補強板9朝上的效果示意圖，同時聚對二甲苯柔性電極8正面也朝上，(c)是對應的實物圖；(b)是熱壓完成後補強板9朝下的效果示意圖，同時聚對二甲苯柔性電極8正面也朝下，(d)是對應的實物圖。熱壓完成後，可以裁剪掉各向異性導電膠帶3兩側露出的部分。實際使用中，可以對熱壓好的聚對二甲苯柔性電極8的接口進行封裝，避免漏電和信號幹擾。實施例2本實施例提供電烙鐵預壓連接聚對二甲苯(Parylene)柔性電極8和柔性扁平軟排線2後，翻轉180度和不翻轉180度這兩種終壓方式的效果對比，以證明翻轉熱壓的必要性。如圖3所示為正反面熱壓效果對比圖，其中：圖3中(a)是聚對二甲苯柔性電極8正面朝上熱壓方式示意圖，即補強板9朝上，圖3中(b)、(c)是(a)的熱壓效果示意圖和實物圖，可以看出，通過實施例1所描述的這種熱壓方式，可以保證聚對二甲苯柔性電極8焊盤的完整性；圖3中(d)是聚對二甲苯柔性電極8反面朝上熱壓方式示意圖，即補強板9朝下，圖3中(e)、(f)是(d)的熱壓效果示意圖和實物圖，說明如果在圖1中(f)這一步不進行翻轉180度，聚對二甲苯柔性電極8保持在柔性扁平軟排線2上面，直接熱壓，則會造成聚對二甲苯柔性電極8金屬焊盤發生破裂，碎成羽片狀。如圖4所示，為正反面熱壓聚對二甲苯柔性電極的循環伏安法測試結果對比圖，其中：圖4中(a)是聚對二甲苯柔性電極8正面朝上熱壓，對應圖3中(a)，可以看出：聚對二甲苯柔性電極8四路通道的循環伏安曲線相近，說明熱壓效果一致性和導通率良好；圖4中(b)是聚對二甲苯柔性電極8反面朝上熱壓，對應圖3中(d)，可以看出：聚對二甲苯柔性電極8四路通道中有兩個通道完全沒有導通、另外兩個通道對應的曲線差異較大，且幅值相比於圖4中(a)明顯要小，說明聚對二甲苯柔性電極8焊盤破裂導致電極導通率和一致性非常差。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp