专利名称：带有电子和流体功能的生物医学设备的互连和封装方法
带有电子和流体功能的生物医学设备的互连和封装方法本发明涉及医学诊断领域中的电子系统，尤其涉及在电子、机械 和射流组合模块中连接各种功能的集成互连和封装系统。在医学诊断领域中的新发展是芯片上实验室(LOC)和微全分析 系统0iTAS)。这些电子系统被用于诸如DNA和蛋白质的特定生物分 子的检测和分析。这些类型的微系统包括射流的、电气的和机械的功 能，诸如微泵、阔、混合器、过滤器、加热器、冷却器、生物传感器 等，并且该微系统必须以可靠和成本有效的方式被连接和封装，以便 保护精密的组件不受环境影响。集成和封装是一项具有挑战性的任务。例如，集成微流控传感器 需要将各种功能组合在单一模板上，并且将其他功能组合在分离的功 能性衬底(fbnctional substrate)上，即硅上，这需要由微流控通道系统 来装配。在通过使引脚尺寸(footprint)最小来保持低成本的同时，通 道几何结构小，则在衬底和通道板之间的界面集成更加困难，这是由 于它们需要紧凑、精确和可再生。此外，在需要电界面的电子组件中， 湿界面的分离是关键的。而且，键合技术必须与生物化学反应物和在 功能性衬底上的表面处理相符。由于功能性衬底的引脚尺寸远远小于 微流控通道系统的引脚尺寸，并且功能层和材料的应用技术不符合微 流控通道板装配要求，装配包含生物功能性和电界面的闭合通道系统 是困难的。本发明的封装系统针对上述的现有技术的缺点，用于容纳集成在 电子/机械/射流组合模块中的各种集成电路。本发明提供了一种通用的互连和封装方案，用于连接在电子/机 械/射流组合模块中的不同功能。本发明的一方面是在最终的步骤中， 将诸如传感器和致动器的功能性元件附着至预装配的射流和电气互连系统中。根据本发明的另 一方面，该模块包括射流部件和包含电气互连电 路的板。带有互连电路的板被精确地与射流部件对准，并且然后被键 合到或者层压到射流部件上。这样，用电气和射流基本结构获得了底 部模块。所需要的功能，诸如生物传感器，加热器，阀，泵等通过倒 装芯片技术使用超声键合或激光焊接被附着到该模块上。在芯片上预 先定义的高分子环充当密封体。在芯片的键合工艺中，芯片上的密封 圈与衬底紧密接触，并且由此密封射流通道而不受外部条件的影响。再一个方面是本发明可以以简单、可靠且便宜的实施方式来实现。又一个方面是本发明可以应用在诸如P TAS和LOC，分子诊断， 食物和环境传感器的生物医学应用中。除了生物分子的分析之外，本 发明也可以在化学或生物化合物的合成中使用。借助于以下附图，可以描述在此公开的本发明的细节，其中
图1根据本发明描述了包括流体和电气系统的装置；图2是根据本发明在单一模块上集成的各种功能的示意图；图3a示出了根据本发明在单一模块上集成各种功能的制造步骤；图3b是示出根据本发明的制造步骤的另一示图；图4是根据本发明在单一模块上集成各种功能的过程的流程图；图5示出了根据本发明另一实施例的替换实施例；图6示出了根据本发明另一实施例在单一模块上集成的电路。现在详细参考附图，其中，相似的参考标记在几幅视图中识别相 似或相同的元件，首先参考图l，示出了根据本发明的电子装置100 的示例性结构的总体结构。参考图1，本发明的装置10的代表性组件包括射流部件12和包 含电气互连电路16的板14。该板14和互连电路16被精密的对准， 并且然后被键合或层压到射流部件12上。各种功能，例如生物传感器18可以使用低温超声键合或激光焊接技术利用倒装芯片技术被耦 合到该模块。在包含该板和互连电路16的层和功能18之间的提供了 预先定义的高分子环20，以使其紧密接触，该高分子环20充当用于 与环境隔开的密封体。图2示出了根据本发明集成到单一模块上的各种电子电路的示 意性视图。可以集成到电气互连电路16上的不同电路包括生物传感 器芯片22，加热器芯片24，双阀芯片28，混合室28，样品入口 30， 反应物入口 32，和废物出口34。应该理解的是，尽管为了说明的目 的，图2中示出的不同电路的数量比较少，原则上，本发明可以包含 更多数量的其他电路。参考图3a和3b，进一步描述解释了在单一模块上集成各种电子 元件的制造步骤。该制造步骤将参考生物传感器芯片18来解释，但 是在单一模块上的其他电子元件的构造与上述参考图3a和3b描述的 基本相同。因此，省略在前述段落中描述的关于其他组件的讨论，以 避免冗长。参考图3a，射流部件12可以是带有通过光刻和/或湿式或干式蚀 刻获得的通道和腔12a的硅片或玻璃板。它也可以是通过注射成型 (PMMA, COP)或铸造(PDMS)制造的高分子部件。在成型或铸造的情 况下，通过光刻和电镀(LIGA)，显微机械加工和/或蚀刻获得所需要 的精密插入物(靠銜master》。包含互连电路16的片可以是玻璃，柔性箔片(flexfoil)，或PCB 材料，并且通过溅射、光刻和电镀工艺提供，并且其优选是铬/铜/镍/ 金层的组合物。在该片上的通孔通过光刻和蚀刻，激光切除，机械冲 孔(Flexfoil， PCB)，或者蚀刻(玻璃)来获得。包含互连电路16的片与 射流部件12精密对准，并且然后在升高的温度下被键合(玻璃对玻璃， 聚合物对聚合物)或者使用粘合剂被粘合(聚合物对玻璃)。在此，优选 通过滚轴涂敷或软布印刷(tampon printing)将薄的粘合剂层施加在射 流部件12上，使得凹下的区域(通道和腔12a)不接触粘合剂。或者， 可以使用可光定义的(photodefinable)粘合剂层或压力敏感的粘合剂 (PSA)。参考图4,示出了根据本发明在单一模块上集成各种电路的过程。 首先，在步骤100，提供晶圆。使用IC和MEMS处理技术在SI或玻 璃晶圆上制造诸如生物传感器，阀和加热器元件的不同集成电路。注 意，以阵列形式在晶圆上制造的集成电路，即电子组件对于本领域技 术人员来说是公知的。在步骤102，在晶圆水平上，提供比金突块 (bump)稍厚的高分子密封圈。可以使用商业上可得到的密封圈，如 Dow Coming的可光定义的硅WL5150或MRT的SU-8聚合物。晶圆 的背侧表面被附着于诸如Nitto蓝胶带(Ni加blue tape)的胶带。接下 来，在步骤104，通过切割将每个晶圆分为各个芯片。然后用去离子 水彻底冲洗晶圆，以移除锯切产生的任何残留物或污染物，并且然后 干燥。现在，在步骤106，在处理阶段例如通过先进的喷墨打印技术 可以提供带有必需的固定生物分子探针(测定点位(spotting))的生物传 感器芯片。这些芯片仍然以晶圆形式靠近在一起的事实便于测定点位 操作。在用探针分子测定点位后，或者不存在这种测定点位，使用专 用工具可以从蓝胶带移除各个芯片。之后，在步骤108，通过超声键 合将芯片直接附着到底部模块上。在步骤70，提供具有流体通道的 底板以形成底部模块，并且在步骤80，提供具有互连电路和孔的盖 板，然后在步骤90，将底板和盖板耦合在一起。在步骤108中的超 声键合在室温下执行，其阻止了生物分子的破坏。在芯片上的软环将 生物传感器表面密封以与外部脱离。可以使用激光焊接代替超声键 合。使用热或UV固化粘合剂来附着芯片也是可行的。在该情况下， 在放置之前，密封圈被浸入胶粘物薄层(l-5微米)中。在芯片键合之 后，在步骤110，可以应用聚合物底填料(underfill)来增加粘合强度和 密封。在替换实施例中，可以省略与硅衬底的密封圈，而在成型的通道 板中使用打印技术或集成技术。这种替换手段在材料选择方面提供了 更多的自由度，并且比在晶圆上执行光刻更加节约。此外，密封圈的高度确定了传感器所在位置处的通道高度。因此， 在键合工艺之后，该高度必须易于改变并且不受突块高度的约束。为 此，如图5中所示，可以移除通道12a之间的弯曲(flex)并且还可以调整射流板的高度和几何形状。参考图6，将解释根据另一实施例在单一模块上提供集成电路。 该实施例的构造和操作与参考图1描述的基本相同，除了密封圈被集 成在额外的弹性中间层40，诸如PMDS中之外。该层用于确定通道 或腔42的大小。如图6所示，该层附着在包含多个通道的刚性塑料 板42(例如PMMA)上。由于已经参考图1和3进行了描述，省略了 在前述段落中描述的对相似组件的讨论，以避免冗长。虽然如应用到其优选实施例那样示出、描述和说明了本发明的基 本新颖特征，应该理解，在不脱离本发明精神的情况下，本领域技术 人员可以对所说明的设备的形式和细节进行各种省略、替换和变化。 例如，以基本相同的方式执行基本相同的功能从而达到基本相同的结 果的这些元件和/或方法步骤的所有组合都意欲包含在本发明的范围 内。而且，应该认识到，可以在任何其他公开的或描述的或建议的形 式或实施例中合并键合任何公开的形式或本发明的实施例示出的和/ 或描述的结构和/或元件和/或方法步骤，作为设计选择的一般性内容。 因此，本发明仅受所附权利要求所指示的范围限制。
权利要求
1.一种在电子、机械和射流的组合模块中容纳多个集成电路的方法，包括提供其上用于安置所述多个集成电路的衬底，所述衬底具有带有至少一个用于提供流体路径的通道的板；在所述衬底的下表面上形成密封圈；将所述衬底划分为多个芯片；以及使用倒装芯片工艺将所述多个芯片耦合到所述模块上。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述倒装芯片工艺在室温下 执行。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述模块包括具有多个通道 的预装配射流和电气互连设备。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，所述电气互连设备包括络/ 铜/镍/金层的组合。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，所述集成电路包括生物传感 器、阀、泵、混合器、冷却器和加热器中的一个。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，所述生物传感器设置有固定 生物分子探针。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，所述提供密封圈的步骤还包 括在所述衬底的下表面上提供金突块的步骤。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述密封圈基本上比所述金 突块厚。
9. 如权利要求1所述的方法，其中，所述倒装芯片工艺包括超声 键合或激光焊接。
10. 如权利要求1所述的方法，还包括在将所述多个芯片耦合在 所述模块上之后，应用底填料的步骤。
11. 如权利要求1所述的方法， 间层中。
12. 如权利要求11所述的方法， 有多个腔的刚性塑料板。
13. 如权利要求1所述的方法, 将所述密封圈浸入粘合剂薄层。其中，所述密封圈集成在弹性中 其中，所述弹性中间层耦合到具 其中，在所述倒装芯片工艺之前
14. 一种用于容纳多个集成电路的封装系统，包括衬底，用于在其上安置所述多个集成电路，再者，我们想要求更宽的保护；耦合到所述衬底的密封圈； 具有多个通道的预装配射流；以及耦合在所述密封圈和所述预装配射流之间的电气互连设备。
15. 如权利要求14所述的封装系统，其中，所述电气互连设备包 括铬/铜/镍/金层的组合。
16. 如权利要求14所述的封装系统，其中，所述集成电路包括生 物传感器、阀、泵、混合器、冷却器和加热器中的一个。
17. 如权利要求14所述的封装系统，还包括在所述衬底的下表面上的金突块。
18.如权利要求17所述的封装系统，其中，所述密封圈基本上比 所述金突块厚。
19.一种用于容纳多个集成电路的装置，包括 衬底，用于在其上安置所述多个集成电路； 耦合到所述衬底的密封圈；以及 电子、机械和射流组合模块，所述模块包括 具有多个通道的预装配射流；以及耦合在所述密封圈和所述预装配射流之间的电气互连设备。
20. 如权利要求19所述的装置，其中，所述电气互连设备包括铬 /铜/镍/金层的组合。
21. 如权利要求19所述的装置，其中，所述集成电路包括生物传 感器、阀、泵、混合器、冷却器和加热器中的一个。
22. 如权利要求19所述的装置，还包括在所述衬底的下表面上的 金突块。
23. 如权利要求19所述的装置，其中，所述密封圈基本上比所述 金突块厚。
全文摘要
提供一中用于制造芯片上实验室(LOC)和微全分析系统的互连和封装方法。通过倒装芯片技术使用超声键合工艺，将诸如生物传感器、加热器、冷却器、阀和泵的不同功能组合在电子/机械/射流模块中。在芯片上预先定义的高分子环充当密封体。
文档编号H01L21/50GK101228620SQ200680027091
公开日2008年7月23日 申请日期2006年7月12日 优先权日2005年7月25日
发明者R·温贝格尔-弗里德尔, T·奈里森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司