高引脚数植入物器件及其制造方法

高引脚数植入物器件及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了芯片封装和用于组装视网膜假体器件的方法。有利地，使用可光图案化的粘合剂或环氧树脂(例如光致抗蚀剂)作为胶将芯片附接至目标薄膜(例如聚对亚苯基二甲基)衬底，以便芯片作为附接物来防止分层。
【专利说明】高引脚数植入物器件及其制造方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求享有2012年4月30日提交的申请号为61/640, 569的美国专利申请 的优先权，其公开内容基于多种目的在此通过引用被全文并入。
[0003] 受联邦政府赞助的研究和开发所做出的发明的权利声明
[0004] 该发明是在国家科技基金会授予的EEC0310723的政府支持下完成的。该政府对 本发明享有某些权利。

【技术领域】
[0005] 本发明大体涉及生物医学植入物，且尤其涉及使用聚对亚苯基二甲基衬底的生物 医学植入物，所述聚对亚苯基二甲基衬底允许包括半导体芯片或其他预制电部件（例如晶 体管、电阻器、电容器或电感器）的生物医学植入物的总连接和制造。

【背景技术】
[0006] 假体植入物必须克服的最大挑战之一是具有生物器件的集成电路（1C)芯片的可 靠封装以经受住腐蚀性体液。这尤其适用于复杂神经植入物和视网膜植入物，因为可能 需要将数百个或数千个电极连接至所需的1C芯片（参见K. D. Wise等人，International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society on Neural Engineering 2007,第398-401页）。相比之下，起搏器只有一个刺激通道并且耳蜗植入 物仅需要5-6个刺激电极以能够恢复受损的病人的听觉能力（参见K. Najafi等人，IEEE Conference on Nano/Micro Enginnered and Molecular Systems, 2004，第76-97页）。此 夕卜，为了避免可能的感染和医学并发症，期望在受试者体内具有完整的假体器件。这意味着 对于集成，连接和封装高引脚数（high lead count)植入物器件的1C芯片的技术有很高的 需求。如先前所示，聚对亚苯基二甲基-C界面和高密度多通道芯片之间通过导电环氧树脂 刮刷（squeegee)工艺（参见 Jay H. C. Chang, Ray Huang, and Y. C. Tai, Proc. TRANSDUCERS 2011，第378-381页）可对准形成电连接，其中PDMS模具用来容置IC芯片并用作安全刮 刷缓冲区域。然而，太大，以致不能植入人眼球（〈1?2cm 3)(参见M. Humayun等人，Vision Research, 43 (2003)，第2573-2581页）。另外，由于仅依靠小于总连接面积的2%的导电环 氧树脂接触，即使施加很小的力到组装器件，也可容易地发生分层。在手术过程中这种情况 会非常严重。由于下一代眼内视网膜假体需要包括线圈、电极、刺激芯片和其它专用集成电 路（ASIC)将要装入人眼球内的整个器件，就尺寸和手术的复杂性两方面而言必须进一步 对器件进行设计。
[0007] 聚对亚苯基二甲基-c由于其优良性质已成为用于生物MEMS植入物应用的一种 受欢迎的材料（参见 J. H. Chang 等人，Proc. TRANSDUCERS2011,第 390-393 页 J. H. Chang 等人，Proc.NEMS 2011，第1067-1070页）。还将其作为硅晶片结合的中间层（参见 H. Noh 等人，J. Micromech. Microeng. 14 (2004)，625 ;H. Kim 等人，J. Microelectromech. Syst. 14(2005)，1347-1355)。然而，聚对亚苯基二甲基-C和硅之间的结合仍存在问题。
[0008] 存在多种用于封装集成电路（1C)芯片的方法。一些封装技术考虑创建合并多个 电子器件（例如集成电路、无源元件如电感器、电容器、或电阻器）的电子模块到单个封装 中。尽管现有技术有了改进，已经将可植入物器件设计为具有微机电系统（MEMS)技术，但 是仍需要更好的封装技术，特别是用于高引脚数视网膜和神经植入物。本发明提供了这些 和其它需要。
[0009] 发明概述
[0010] 本发明提供衬底、方法和过程来组装1C芯片至用于医用植入物（例如视网膜植入 物）的薄膜衬底，例如聚对亚苯基二甲基衬底。有利地，本发明的封装技术可以用于在小到 36mm2的面积内产生10, 000或更多个连接，36mm2是合理用于视网膜植入物的芯片尺寸。本 发明提供了用于改善封装技术的方法。
[0011] 因此，在一个实施方案中，本发明提供了一种制造用于附接器件的薄膜衬底（例 如聚对亚苯基二甲基衬底）的方法，包括：
[0012] 将第一薄膜层（例如聚对亚苯基二甲基层）沉积在硅晶片上以形成底部薄膜层；
[0013] 将金属沉积至底部聚对亚苯基二甲基层以形成电连接；
[0014] 将第二薄膜层（例如聚对亚苯基二甲基层）沉积至邻接金属处以形成顶部薄膜层 和薄膜-金属-薄膜夹层（例如聚对亚苯基二甲基-金属-聚对亚苯基二甲基夹层）；
[0015] 提供邻接顶部薄膜层的掩模；和
[0016] 将蚀刻束引导到掩模上以制造用于附接器件的薄膜衬底（例如聚对亚苯基二甲 基衬底）。
[0017] 在另一个实施方案中，本发明提供了通过本发明的工艺制成的薄膜衬底（例如聚 对亚苯基二甲基衬底）。该衬底对集成、连接和封装用于高引脚数植入物器件的1C芯片是 有用的。
[0018] 为了证实这种技术，使用研发中设计带有268个连接以模拟真实的1C芯片的芯片 来测量连接率（connection yield)。另外，在刮刷连接和厚聚对亚苯基二甲基C涂层包覆 后，连接好的芯片在高温盐水溶液中进行加速浸泡测试。结果表明，该技术提供了特别高的 连接率。
[0019] 在又一实施方案中，本发明提供了一种将集成电路组装至薄膜衬底（例如聚对亚 苯基二甲基衬底）的方法，包括：
[0020] 旋涂可光图案化的（photo-patternable)粘合剂或环氧树脂至集成电路（1C)以 形成覆盖1C ;
[0021] 掩蔽覆盖1C;和
[0022] 利用光刻法图案化所述覆盖1C，以暴露1C芯片上的多个结合焊盘以形成图案化 的1C，以集成到薄膜衬底（例如聚对亚苯基二甲基衬底）中。
[0023] 在又一实施方案中，本发明提供了用于附接器件的生物相容性薄膜（例如聚对亚 苯基二甲基）衬底，包括：
[0024] 第一层薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）层；
[0025] 金属，其邻接第一薄膜层；
[0026] 第二薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）层，其邻接所述金属，以形成薄膜-金属-薄 膜夹层（例如聚对亚苯基二甲基-金属-聚对亚苯基二甲基夹层），其中所述第二薄膜层具 有开口，所述开口具有设置在其内表面上的至少一个电触点，所述开口被配置成接纳至少 一个电路器件和在所述至少一个电触点和所述至少一个电路器件之间提供电连通，所述生 物相容性薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）衬底被配置为在接纳所述至少一个电路器件后被 植入活体内。
[0027] 在某些方面中，具有至少一个电路的所述器件是集成电路（1C)芯片。此外，在一 个方面，本器件例如1C芯片通过导电环氧树脂刮刷电连接被集成到衬底中。优选地，该器 件通过用作机械胶(mechanical glue)的可光图案化的粘合剂或光致抗蚀剂被集成到衬底 中。
[0028] 当阅读随后的详细说明和附图时，这些和其他方面、目的和实施方案将会变得更 加清楚。
[0029] 附图简述
[0030] 图1A-图1E示出了根据本发明的一个实施方案的柔性聚对亚苯基二甲基-C连接 衬底的制造方法。
[0031] 图2A-图2E示出了图2A中的所制造的与芯片和分立元件连接的柔性聚对亚苯基 二甲基-C衬底的示意图。图2B示出了分立元件区域的背面。图2C示出了芯片集成的局 部放大图；图2D示出了视网膜钉；图2E示出了眼睛和与芯片连接的制造的柔性聚对亚苯 基-甲基 _C衬底集成的不意图。
[0032] 图3A-图3B示出了用于芯片组装技术的定制支架。
[0033] 图4A-图4C示出了图4A中的用于组装成品率（assembly yield)试验的空白芯 片；图4B-图4C示出了还用作对准标记的焊盘。
[0034] 图5A-图?示出了图5A中的未烘烤的AZ4620 ;图5B示出了在真空烘箱中在 140°C下烘烤30分钟的AZ4620 ;图5C和图?示出了通过回流形成的斜坡有利于导电环氧 树脂供给通过。
[0035] 图6A-图6B示出如在图6A所示的约为2%的胶接面积；图6B示出了通过作为胶 使用的额外光致抗蚀剂增加到约94% (2%+92%)的胶接面积。
[0036] 图7示出了测试样本上作为结合工具的夹具的示意图。
[0037] 图8A-图8B示出了图8A中的结合的横截面SEM图像（2MPa、130°C );图8B示出 了聚对亚苯基二甲基剥离后的粘合剂界面。
[0038] 图9A-图9C示出了图9A中测量剥离力的测力计装置。图9B示出了结合后的实 际测试样品；图9C示出了测试样品的示意图。
[0039] 图10示出了剥离力对各种可光图案化的粘合剂的结合温度。
[0040] 图11示出了各种可光图案化的粘合剂的剥离力对结合压力。
[0041] 图12A-图12B示出了图12A中的不同可光图案化的粘合剂的最大剥离力；图12B 示出了不同可光图案化的粘合剂的剥离力对结合时间。
[0042] 图13A-图13C示出了图13A中的与硅芯片和分立元件连接的手术用聚对亚苯基 二甲基-C器件；图13B和图13C示出了暴露的金属焊盘，而其他区域被粘合剂覆盖。
[0043] 图14示出了测量装置，其中探测电极阵列的输出（置于斑点上的电极端）以检查 连接。
[0044] 图15示出了在四种不同条件下的连接率；刮刷连接后进行可靠性测试，利用聚对 亚苯基二甲基-C涂层包覆，并在90°C盐水中加速浸泡。
[0045] 图16A-图16D示出了图16A中具有40 μ m*40 μ m焊盘大小和40 μ m间距的空白 芯片；图16B示出了聚对亚苯基二甲基衬底和空白芯片之间的连接；图16C示出了成品率 与焊盘间距的关系；图16D示出了成品率和焊盘边长的关系。
[0046] 发明详述
[0047] I.实施方案
[0048] 本发明涉及生物医学植入物，尤其涉及使用薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）衬底 的生物医学植入物，所述聚对亚苯基二甲基衬底允许包括半导体芯片和/或其他预制电部 件的生物医学植入物的总连接和制造。在一个实施方案中，本发明提供了一种制造用于附 接器件的薄膜衬底（例如聚对亚苯基二甲基衬底）的方法，包括：
[0049] 将第一薄膜层（例如第一聚对亚苯基二甲基层）沉积在硅晶片上以形成底部薄膜 层；
[0050] 将金属沉积至底部薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）层，以形成电连接；
[0051] 将第二薄膜层（例如第二聚对亚苯基二甲基层）沉积至邻接金属处以形成顶部薄 膜层和薄膜-金属-薄膜夹层（例如聚对亚苯基二甲基-金属-聚对亚苯基二甲基夹层）；
[0052] 提供邻接顶部薄膜层的掩模；和
[0053] 将蚀刻束引导到掩模上以制造用于附接器件的薄膜衬底（例如聚对亚苯基二甲 基衬底）。第一薄膜层可以与第二薄膜层相同或不同。虽然优选聚对亚苯基二甲基衬底， 但是本领域技术人员将会理解，可以使用其他薄膜聚合物材料，例如聚酰亚胺、Teflon、 Kapton、或印刷电路板（PCB)等。本申请的其余部分将使用聚对亚苯基二甲基作为所示实 施例。也可使用其它薄膜。
[0054] 在某些方面，本发明提供一种制造聚对亚苯基二甲基-衬底（例如柔性聚对亚 苯基二甲基-C衬底）的方法100。在一个示例性实施方案中，图1A示出了沉积在硅衬底 110 (例如HMDS处理的硅晶片）上的5μπι第一聚对亚苯基二甲基-C层（底层）120,这有 助于器件分离，如在蒸馏水或去离子水中被释放，优选去离子水。
[0055] 接下来，如图1Β所示，邻接第一聚对亚苯基二甲基120 (聚对亚苯基二甲基底层） 为金属130,例如用于金属剥离的钛/金（Ti/Au)合金。该金属提供电连接。第二聚对亚苯 基二甲基层150 (顶层）例如较厚聚对亚苯基二甲基C (约40 μ m)层进行沉积以完成如图 1C所示的聚对亚苯基二甲基-金属-聚对亚苯基二甲基夹层结构。所述方法包括提供如金 属掩模（例如铝）的如图1D所示的掩模160作为聚对亚苯基二甲基-C蚀刻掩模沉积以蚀 刻通过厚聚对亚苯基二甲基C层。最后，电极位点170U75和器件轮廓180是由反应性离 子蚀刻（如图1E所示，例如步骤2中0 2等离子体蚀刻）或可使用深反应离子蚀刻形成。
[0056] 尽管上述例子使用聚对亚苯基二甲基-C，但是本器件的方法和实施方案不限于 此。可使用其它聚对亚苯基二甲基，如聚对亚苯基二甲基_队(：、0、!11\41，4或其组合。聚 对亚苯基二甲基-C为优选的聚对亚苯基二甲基。虽然聚对亚苯基二甲基为优选衬底，本领 域技术人员将会理解，可以使用其他薄膜聚合物材料，如聚酰亚胺、Teflon、Kapton、或印刷 电路板（PCB)等。
[0057] 其它材料可用于衬底和/或载体的设计，包括但不限于硅、玻璃、钢、G10-FR4,或 者任何其它FR4类环氧树脂等等。在某些实施方案中，硅衬底仅用作制造过程中的载体并 且在封装完成之前相应地除去。在另一个实施方案中，载体保留了封装主要部分。
[0058] 在某些方面，该方法中使用的硅晶片是用1，1，1，3, 3, 3-六甲基二硅氮烷（HMDS) 处理。本领域技术人员可理解可使用其它处理从硅晶片释放所述聚对亚苯基二甲基结构。
[0059] 在某些方面，将第一聚对亚苯基二甲基层120和第二聚对亚苯基二甲基层150通 过化学气相沉积（CVD)沉积在硅衬底。所述第一层的厚度约为0. 1 μ m-100 μ m，例如10、 20、30、40、50、60、70、80、90、或10(^111。优选地，第一聚对亚苯基二甲基的厚度（底层）约 为 1 μ m-10 μ m，例如约为 1、2、3、4、5、6、7、8、9、*10μηι。
[0060] 典型地，第二聚对亚苯基二甲基层（顶层）150的厚度大于该第一聚对亚苯基二 甲基120。在一个实例中，第二聚对亚苯基二甲基层的厚度为10μπι-200μπι，例如10、20、 30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190 或 200 或更厚。优 选地，第二聚对亚苯基二甲基层的厚度为20 μ m-60 μ m，例如约为20、21、22、23、24、25、26、 27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、 52、53、54、55、56、57、58、59 或 60 μ m。
[0061] 在某些方面中，用于剥离的金属130为钛/金（Ti/Au)合金。然而，其它合适的金 属和合金包括，但不限于，Cr/Au、Ni/Au、Ti/Au、Al/Ti、Ag/Ti、Cr/Au/Ti/Ni/Au、Ni/Pd/Au、 Ti/Ni/Au或其组合。本领域的技术人员将理解其它金属也可用于本发明。
[0062] 本方法包括提供如金属掩模的掩模作为聚对亚苯基二甲基-C沉积蚀刻掩模以 刻蚀通过所述第二聚对亚苯基二甲基-C层。通常，蚀刻是通过金属掩模对反应离子蚀刻 (RIE)进行掩模。另外，可以使用深层反应蚀刻（DRIE)。其它合适的掩模材料也是有用的。 该RIE可为氧气等离子体蚀刻。
[0063] 本领域技术人员可以理解，本文所述的聚对亚苯基二甲基器件的聚对亚苯基二甲 基层不限于两个聚对亚苯基二甲基层。此外，聚对亚苯基二甲基的金属器件不限于单一金 属。聚对亚苯基二甲基器件的结构是基于一种夹层结构。只要金属被夹在顶部和底部聚对 亚苯基二甲基层之间，就可以有许多层堆叠在衬底上。此外，可以有多个掩模以开启所述电 极并限定器件的轮廓。
[0064] 在某些情况下，所述方法用于产生载体（例如硅晶片）上的多个聚对亚苯基二甲 基-金属-聚对亚苯基二甲基夹层，例如多个夹层，包括2、3、4、5、6、7、8、9、10个或更多个 聚对亚苯基二甲基-金属-聚对亚苯基二甲基的夹层。尽管刚才描述的方法中产生1个夹 层，但是本领域技术人员将会理解，该方法可重复进行以制造任何数量的夹层。
[0065] 在其它方面，本发明包括通过本文中的方法制备的聚对亚苯基二甲基衬底。如下 文将更详细地描述，本发明提供将器件附接至所述对二甲苯衬底这样的器件，例如此类器 件包括，集成电路和其它分立元件。
[0066] 在某些方面，本发明的薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）衬底容纳诸如专用集成电 路（ASIC)之类的电子组件，其通过金属化迹线相互连接，例如大约3. 7 μ m宽的金属化迹 线。在一个实施方案中，所制造的柔性聚对亚苯基二甲基-C衬底连接有1C芯片和其它分 立兀件。在某些其它方面中，本发明的衬底或微型组件含有各种成分，包括但不限于，一个 或多个集成电路、ASIC、互连层、散热器、导电通孔、无源器件、MEMS器件、传感器、预制造电 子元件、晶体管、电阻器、电容器、电感器、微泵以及过滤器。以各种不同的方法将该组件排 列和堆叠在模块内。可以使用各种常规的晶片级处理工艺（例如旋涂、光刻和/或电镀） 来沉积和处理模块的这些层和部件。
[0067] 聚对亚苯基二甲基封装可包括许多除了所示出的其他类型的器件和元件。该封装 件还可以包括几乎任何数量的有源和/或无源器件。这样的有源和/或无源器件的例子包 括电阻、电容、振荡器、磁芯、MEMS器件、传感器、电池、连通设备、集成的薄膜电池结构、以及 电感等。这些器件可放置于和/或堆叠在封装件内的不同位置。该部件可采取预制分立元 件的形式，或者可以原位形成。一个利用基于光刻方法来创建目前封装件的优点是，在封装 件分层形成的过程中，可原位形成这些和其他部件。也就是说，当预制时，分立元件可以放 置在几乎任何封装件内的位置，也可使用任何合适的技术（例如常规的溅射和/或电镀） 将这些部件直接制作到任何光可成像层上面。
[0068] 现在转向图2A，示意图200示出了连接有集成芯片220和分立元件（例如电容器 211和振荡器217)的制造的柔性聚对亚苯基二甲基-C衬底210。在某些方面，具有输出232 的多电极阵列230放置在人眼或另一种哺乳动物眼睛的黄斑上并且可通过视网膜钉235固 定（图2D)。在一个实例中，集成的分立元件放置眼球上或眼球内。图2B是分立元件的背 面区域。图2C示出了芯片集成的近观图。图2E是眼睛的示意图，其示出了电极阵列241、 集成的ASIC245和眼内RF线圈250的定位。
[0069] 如图2A所示，分立元件例如电容器211和振荡器217通过导电环氧树脂安装和连 接以形成电连接。在某些情况下，为器件制作两个切口或缝合孔，并将器件固定在眼球261、 265内（参见图2E)。在一个方面，多电极阵列230放置在黄斑上和通过视网膜钉235将其 固定。图2E还示出了电极阵列241，一个切口 261的内侧和其它切口 265中的专用集成电 路245的集成。也示出了一种眼内RF线圈250。该互连部分的宽度优选约为0. lmm-6mm， 例如约为 〇· 1、〇· 2、0· 3、0· 4、0· 5、0· 6、0· 7、0· 8、0· 9、1、2、3、4、5、6臟。在某些情况下，互连部 分的宽度大约为2mm。互连部分在某些情况下，取决于眼球上的外科手术切口的大小。然 而，在大多数情况下，宽度大约为2或3_。
[0070] 在某些情况下，具有高密度和多通道结合焊盘（例如焊盘尺寸小于约 100 μ mX 100 μ m ;间距小于约200 μ m)的1C芯片可以通过导电环氧树脂刮刷工艺与聚对 亚苯基二甲基衬底连接。其它的分立元件具有更大的结合焊盘，例如盖和振荡器，可以使用 针通过导电环氧树脂与聚对亚苯基二甲基衬底手动连接。电源和具有较大结合焊盘的数据 线圈还可使用针通过导电环氧树脂与聚对亚苯基二甲基衬底手动连接。然后通过视网膜钉 (例如接近电极阵列）将整个集成器件固定在眼球内部。
[0071] 在另一个实施方案中，本发明提供了一种集成柔性聚对亚苯基二甲基衬底与1C 芯片和其它分立元件的方法。该方法包括芯片图案光刻，包括光致抗蚀剂旋涂、烘烤、曝光、 和显影以及将1C芯片集成至所述柔性聚对亚苯基二甲基衬底。如图3A所示，1C芯片的组 装可在定制支架300中完成。
[0072] 在操作中，芯片310、315、320首先固定在支架300中，并且所有芯片图案光刻，包 括光致抗蚀剂旋涂、烘烤、曝光和显影在该支架中顺序完成。在通过导电环氧树脂刮刷连接 具有聚对亚苯基二甲基-C界面的芯片集成后，芯片315可以从模具的背面释放，这有益于 全体器件被植入眼球内部。该芯片可以集成和封装到柔性聚对亚苯基二甲基衬底内。处理 1C芯片以形成图案化的1C芯片通常是在定制芯片图案模具上完成。图3A还示出了模具可 以用作为刮刷工艺的安全缓冲区域。将模具的尺寸和深度设计成适应不同尺寸的芯片。图 3B示出了 1C芯片的放大图。
[0073] 在本发明的刮刷方法的一个例子中，首先将市售导电环氧树脂混合均匀，涂在聚 对亚苯基二甲基衬底边缘的表面上。在某些情况下，聚对亚苯基二甲基衬底具有预先设计 的孔和/或在制造工艺过程中被刻蚀掉的孔。这些孔和/或孔用所述聚对亚苯基二甲基衬 底充分对准并结合1C芯片后用作该方法的筛。然后使用橡胶刮刷以推动该环氧树脂通过 表面，因此使环氧树脂填充聚对亚苯基二甲基衬底中的孔和/或孔，以电连接所述聚对亚 苯基二甲基衬底和1C芯片。
[0074] 在某些情况下，制造具有导电迹线的空白芯片以模拟实际芯片且专用焊盘被预先 连接用于连接率测量。例如图4A示出了用于组装成品率试验的空白芯片。图4B示出了焊 盘也可以用作对准标记。图4C示出了实现5 μ m左右的分辨率暴露的金属焊盘。
[0075] 本发明提供了薄膜（例如聚对亚苯基二甲基如聚对亚苯基二甲基C)和硅之间使 用可光图案化的粘合剂低温结合的方法和工艺。该方法可用于测定焊盘并且也降低封装中 的残余应力。有利地，这个低温结合允许选择性地局部区域结合，不施加高电场。因此，特 别适合于MEMS封装中聚对亚苯基二甲基衬底和微电子的集成。
[0076] 因此，在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于将集成电路组装至薄膜衬底 的方法。虽然优选聚对亚苯基二甲基衬底，本领域技术人员将会理解，可以使用其他薄膜聚 合物材料，例如聚酰亚胺、Teflon、Kapton、或印刷电路板（PCB)等。该方法包括：
[0077] 旋涂可光图案化的粘合剂或环氧树脂至集成电路（1C)以形成覆盖1C ;
[0078] 掩蔽覆盖1C ;和
[0079] 利用光刻法图案化所述覆盖1C，以暴露1C芯片上的多个结合焊盘以形成图案化 的1C，以集成至薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）衬底。
[0080] 在某些情况下，本发明提供了低温结合方法以便于连接和封装用作生物医学植入 物的各种元件。在某些情况中，结合技术可以用来促进聚对亚苯基二甲基-C衬底和1C以 及分立组件之间的连接，衬底具有预金属化的电连接。通过合适的对齐，优选将所述芯片结 合在衬底上，以便使聚对亚苯基二甲基衬底上的金属焊盘和芯片上的金属焊盘对齐。
[0081] 在某些情况下，可以使用市售的可光图案化的材料如可光图案化的粘合剂或环氧 树脂。在某些方面中，可用可光图案化的材料为光致抗蚀剂。合适的光致抗蚀剂包括SU-8、 AZ4620、AZ1518、AZ4400、AZ9260、THB-126N、WPR-5100、BCB、以及聚酰亚胺等。对于结合温 度、压力、时间和表面处理这些加工条件是容易实现的。结果表明，例如环氧基SU-8对高达 6· 3N的剥离力是非常有效的。
[0082] 在某些情况下，方法中使用具有优异的回流性能的AZ4620光致抗蚀剂（P. J. Chen 等人，J. Microelectromech. Syst, 17 (2008)，第 1352-1361 页）。如图 5A-D 所不，该图案化 的AZ4620光致抗蚀剂是在100°C -约180°C烘烤如在140°C烘烤10分钟-80分钟，如在真 空烘箱大约30分钟及其通过回流形成的平滑表面有助于导电环氧树脂再填满。该烘烤前 后的边长几乎是一样的，通过覆盖整个金属焊盘使得回流的光致抗蚀剂确实影响导电性。 在一个具体实施方案中，在没有任何限制的情况下，图5A示出了未烘烤的AZ4620。图5B示 出了 AZ4620真空烘箱中在140°C下烘烤30分钟。如图5C和?所示，通过回流形成的斜坡 有利于导电环氧树脂被供给通过。有利地是，边长烘烤前后均无变化。
[0083] 在先前的应用中，导电环氧树脂被供给通过嵌入聚对亚苯基二甲基-C衬底并依 赖形成电连接和机械连接的腔。如图6A所示，现有技术方法仅使用导电环氧树脂615来连 接聚对亚苯基二甲基衬底和芯片602。金属焊盘如625所示。在本发明的方法中，使用导电 环氧树脂615和可光图案化的粘合剂（例如光致抗蚀剂）610(如AZ4620)。事实上，涂覆 AZ4620 (如胶）至芯片602后，如图6B所示，聚对亚苯基二甲基-C衬底和芯片602之间的 总胶接面积，从2%增加到94%。在某些情况中，也覆盖不需要的焊盘下方以避免在刮刷连 接过程中聚对亚苯基二甲基-C界面发生短缺。
[0084] 再次通过导电环氧树脂刮刷完成该芯片和聚对亚苯基二甲基-C衬底之间的高 密度连接，而刮刷安全缓冲区域提供的定制支架完全地代替PDMS支架功能（参见Jay Η· C. Chang、Ray Huang 以及 Υ· C. Tai, Proc. NEMS2011,第 1110-1113 页）。
[0085] II.聚对亚苯基二甲基_C和娃之间的低温结合
[0086] 在某些情况下，首先将可光图案化的粘合剂旋转涂在洁净硅晶片上，例如使用 HMDS和氧气等离子体处理，随后进行标准光刻法以限定结合焊盘。在某些优选的方面，所述 方法包括烘烤该图案化的1C以形成平滑的表面。在某些其它情况中，聚对亚苯基二甲基衬 底首先用氧气等离子体处理以增强与可光图案化的粘合剂的结合。在其它实施例中，所述 1C芯片通过HMDS和/或氧气等离子体进行处理以增强与可光图案化的粘合剂的结合。 [0087] 关注芯片集成的应用，如可光图案化的粘合剂的一个说明性的例子，选择 SU-8 (13 μ m和28 μ m)，和AZ4620 (10 μ m和19 μ m)作为说明以创建合适纵横比的空腔或开 口。其它光致抗蚀剂包括 AZ1518、AZ4400、AZ9260、THB-126N、WPR-5100、BCB、以及聚酰亚 胺等。
[0088] 如图7所示，干净的30 μ m聚对亚苯基二甲基-C膜730通过氧气等离子体处理随 后用切割好的晶片740对准并将结构夹在两片载玻片715、725中。将具有两个臂710、720 的夹具750作为结合工具以便对测试样品形成良好接触并施加恒定的力。所述加热过程是 将真空烘箱和最大测试温度设置为大约120-180°C (例如大约150°C )以防损伤1C芯片。
[0089] 图8A和图8B示出一个通过可光图案化的粘合剂结合的样本截面SEM图像的示 例。根据所需的厚度很好的限定了所述结合焊盘并且微结构的形状在结合过程中不会发生 变化。此外，柔性中间体粘合剂结合后不会引起残余应力。
[0090] 在一个方面，本方法包括首先将聚对亚苯基二甲基衬底用氧气等离子体处理以增 强结合。这种等离子体处理条件包括，例如约low-约100W(如大约50W) ;100毫托-约 300毫托（如大约200毫托）；以及0. 1分钟-5分钟（如约1分钟持续时间）。
[0091] 在某些情况下，多个结合焊盘中每个结合焊盘的尺寸为Ιμ---ΙΟμπι。在某些 情况下，每个结合焊盘都可以为不同尺寸。该1C芯片上可光图案化的粘合剂的厚度为 10μπι-30μπι，例如 10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29 或30μπι。在某些情况下，使用导电环氧树脂或糊剂将图案化的1C和聚对亚苯基二甲基衬 底进行组装。该方法包括通过高通量的刮刷工艺输送导电环氧树脂以制成高密度多通道1C 芯片连接。在某些情况中，高密度多通道1C芯片是在25mm2芯片面积上大于1000个通道 或甚至在36mm 2芯片面积上大于10, 000个通道或约5-300个通道/每mm2芯片面积。
[0092] 在某些方面，当1C芯片的间距尺寸（pitch size)大于约200 μ m，利用直径小于 100 μ m的针涂覆导电环氧树脂。如上文讨论的，处理1C芯片以形成图案化的1C芯片，是在 定制芯片图案模具上完成。模具可以用作为刮刷工艺的安全缓冲区域。将模具的尺寸和深 度设计成适应芯片的尺寸。
[0093] 如图9A所示，通过测力计装置来测量剥离力以研究结合强度。图9B示出了结合 后的测试样品；图9C示出了测试样品的示意图。
[0094] 每个数据点表示五次测量的平均值。测力计固定在电动平台以10〇ym/s的速度 90度拉动部分剥离的薄膜。图10显示了剥离力随结合温度的变化。
[0095] 图11示出了剥离力随结合压力的变化。分析后，结果表明结合温度和压力越高， 结合牢固。
[0096] 有利地，通过氧气等离子体处理的聚对亚苯基二甲基-C薄膜显著地增强了用于 可光图案化的粘合剂如光致抗蚀剂（例如SU-8)(参见Blanco F J等人，J. Micromech. Microeng. 14(2004),1047-1056)的结合。SU-8微结构甚至在形成最大结合的2MPa结合压 力下也将不会变形。图12A示出了不同可光图案化的粘合剂的最大剥离压力。图12B示出 了不同可光图案化的粘合剂的剥尚力与结合时间的关系。Z4620可以承受:商达0. 5MPa的压 力。在某些方面，当加热样品超过1小时时，结合时间几乎不会对结合强度产生影响。
[0097] 这种技术作为范例应用于集成用于视网膜植入物的聚对亚苯基二甲基-C外科 器件的268-通道传导芯片（图13)。在芯片上将粘合剂形成图案后（参见J. H. Chang等 人，Proc.MEMS 2012,第353-356页），通过SU-8构建的结合焊盘的空间分辨率可以为 5 μ m。结合面积从2%提高到94%和所测量的连接率从92%提高到98%。
[0098] 该低成本且低温结合方法已被证明能够用于密封MEMS结构。
[0099] 在另一个实施方案中，本发明提供了生物相容性薄膜衬底。虽然优选聚对亚苯基 二甲基衬底，但是本领域技术人员将会理解，可以使用其他薄膜聚合物材料，例如聚酰亚 胺、Teflon、Kapton、或印刷电路板（PCB)等。本发明提供一种用于附接器件的薄膜（例如 聚对亚苯基二甲基）衬底，包括：
[0100] 第一薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）层；
[0101] 金属，其邻接第一薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）层；
[0102] 第二薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）层，其邻接所述金属以形成薄膜-金属-薄 膜（例如聚对亚苯基二甲基-金属-聚对亚苯基二甲基）的夹层，其中所述第二层聚对亚 苯基二甲基具有开口或腔体，所述开口具有设置在其内表面上的至少一个电触点，该开口 被配置成接纳至少一个电路器件和在所述至少一个电触点和所述至少一个电路器件之间 提供电连通，所述的生物相容性薄膜（例如聚对亚苯基二甲基）衬底被配置为在接纳所述 至少一个电路器件后被植入活体内。
[0103] 在某些方面中，具有至少一个电路的器件是集成电路（1C)芯片。此外，所述器件 例如1C芯片通过导电环氧树脂刮刷电连接集成在衬底中。优选地，该器件通过可光图案化 的粘合剂作为机械胶，集成至所述衬底。在一个实施方案中，使用聚对亚苯基二甲基-C和 医用等级的环氧树脂（如果需要）保形地涂覆和密封整个结构（例如具有至少一个电路的 器件是集成电路（1C)芯片），以实现生物相容性的总包覆。
[0104] 在某些情况下，一旦器件被植入，植入器件可与外部器件进行连通。既可以使用经 皮连接器又可以使用无线连通方法进行连通。在植入器件与外部器件进行连通的某些种类 的信号包括电力信号和数据信号。电力信号可以包括从外部电源提供电至植入器件的信 号，使得存在于植入器件中的电池可以保持合适的电荷状态，或者使得电池可以从植入器 件中除去。对于一些传统的具有电池的器件，因为它的电池预期达到其使用寿命的终点，所 以外科手术需要更换器件。任何外科手术会对健康造成危险，并且，如果可以，最好避免不 必要的外科手术，特别是在已经有健康问题的人。因此，不需要更换电池的可植入器件是有 优势的。
[0105] 数据信号可以包括从外部检测器到植入器件的数据信号（例如提供与由麦克风 接收的可听信号对应的电信号至耳蜗植入物，用于通过人的神经系统连通至人的大脑）、从 外部检测器至植入器件以提供通过使用这样的信号控制植入器件的能力（例如控制植入 器件的操作状态以满足人们的需要）的控制信号以及从植入器件至外部器件的数据信号 以监测植入器件本身的条件和操作，以监控人的状况（例如脉搏率、心脏信号，或与治疗状 况有关的其它信号）和植入器件附近的状况（如生理信号，例如温度、压力、pH)，或者用来 监测植入器件施加到人身上的信号。在一些实施方案中，数据信号可用于"协调"或"改编 程序"植入器件以利用对人的状况理解和干涉，辅助，或人们应当具有的治疗的改善，或提 供可植入器件植入后而开发的可植入器件的操作和控制程序或操作软件的改进。
[0106] 封装或模块内另外的集成电路可以以多种方式设置和可以位于封装内的其它位 置。作为示例，不同的集成电路可以位于不同的光可成像层和/或在同一层内。在多个实 施方案中，集成电路可以堆叠、并排定位，彼此接近地放置和/或相对于封装的总尺寸相当 大距离的分开。集成电路也可以具有多种不同的形状因素，结构和构造。例如它们可以是 相对裸露的芯片（例如未封装的芯片，倒装芯片等），或部分和/或完全封装的芯片。
[0107] III.器件测试
[0108] 下面的运行试验说明为测试聚对亚苯基二甲基衬底电连接的可靠性试验。
[0109] 图14示出用于试验测量的设置1400。如图所示，对电极阵列输出1410、1415进行 探测以检查电连接。在某些方面，这些电极置于哺乳动物眼睛（例如人的眼睛）的黄斑。
[0110] 该设置1400包括图案化的芯片1428和聚对亚苯基二甲基界面1433。光致抗蚀剂 1420为晶片1428和聚对亚苯基二甲基1430之间的夹层。另外，晶片1428与光致抗蚀剂 1420之间包括金属1425,或者导电环氧树脂1418和晶片之间包括金属1425。导电通孔设 置于电连接元件（例如IC/迹线/触点/无源元件等），它们位于封装的不同层。通孔设置 为延伸通过各个层。作为示例，通孔可用于从两个不同的相互连接层迹线耦合；小片（die) 或其它部件至互连层；接触至迹线、小片或其它部件等。
[0111] 在一个实验中，使用刺激电极1440和1441，通过探测测量紧接刮刷后的连接率。 然后，额外的厚聚对亚苯基二甲基C涂覆在整个器件上（除了输出电极），以隔离并稳固连 接，并保护嵌入聚对亚苯基二甲基-C衬底中的金属免受腐蚀性体液的影响。涂层之后，记 录连接率。最后，该器件在90°c盐溶液浸泡5天，然后再次记录连接率。
[0112] 图15中的结果表明，在四种不同条件下本发明的器件操作的成品率。刮刷连接 后进行了可靠性测试；无包覆浸泡；聚对亚苯基二甲基-C涂层包覆；在90°C盐水中加速浸 泡。结果表明：结合了利用封装用厚聚对亚苯基二甲基C涂层的方法的确提供了高的连接 率。
[0113] 该结果表明新的胶接技术是令人满意的（?98% )，而没有使用新技术的成品率 显著降低（?88%)。此外，对于没有光致抗蚀剂的胶接技术，大部分断开发生在施加分层 力的外周焊盘处。
[0114] 另外，对焊盘尺寸和焊盘之间的间距的限制进行了研究。具有不同的焊盘间距和 尺寸的芯片被设计和制造用于测量。
[0115] 图16A示出了具有40 μ mX 40 μ m焊盘尺寸和40 μ m间距的芯片。图16B示出了聚 对亚苯基二甲基衬底和芯片之间的连接。图16C示出了成品率与焊盘间距的关系。图16D 示出了成品率与焊盘边长的关系。结果表明，小至40 μ mX 40 μ m且焊盘之间40 μ m间距的 焊盘能够获得高的连接率（>90% )。
[0116] 基于这些当前的结果，在6mmX6mm面积内获得了多达10, 000个连接。这对于当 前的视网膜假体应用是令人满意的。
[0117] 应该理解的是本文描述的实施例和实施方案仅是用于说明性目的并且根据它们 的各种修改或轻微改变将是本领域技术人员能够想到的并且包括在本申请的精神和权限 内并且所附权利要求书的范围内。为了所有目的而通过引用在此并入所引用的所有公开、 专利和专利申请。
【权利要求】
1. 一种制造用于附接器件的薄膜衬底的方法，所述方法包括： 将第一薄膜层沉积在娃晶片上，W形成底部薄膜层； 将金属沉积到所述底部薄膜层W形成电连接； 将第二薄膜层沉积到邻接所述金属处W形成顶部薄膜层和薄膜-金属-薄膜夹层； 提供邻接所述第二薄膜层的掩模；和 将蚀刻束引导至所述掩模上W制造用于附接所述器件的薄膜衬底。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层各自独立地 选自由聚对亚苯基二甲基、聚醜亚胺、Teflon?、Kapton? W及印刷电路板（PCB)组成的 组。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层各自为聚对 亚苯基-甲基。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述聚对亚苯基二甲基是选自由聚对亚苯基二 甲基N、C、D、HT、AM、A及其组合组成的组的成员。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述聚对亚苯基二甲基为聚对亚苯基二甲基C。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述娃晶片使用1，1，1，3, 3, 3-六甲基二娃氮焼 (HMD巧处理。
7. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一聚对亚苯基二甲基层通过化学气相沉 积（CVD)进行沉积。
8. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一聚对亚苯基二甲基层的厚度是 0. 1 y m-100 y m。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一聚对亚苯基二甲基层的厚度是 1 y m-10 y m。
10. 根据权利要求I所述的方法，其中，所述金属是选自由化/Au、Ni/Au、Ti/Au、Al/Ti、 Ag/Ti、Cr/Au/Ti/Ni/Au、Ni/Pd/Au、W及 Ti/Ni/Au 组成的组的导体。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属为Ti/Au。
12. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二聚对亚苯基二甲基层通过化学气相沉 积（CVD)进行沉积。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二聚对亚苯基二甲基层的厚度是 10 y m-200 y m。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二聚对亚苯基二甲基层的厚度是 20 y m-60 y m。
15. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述蚀刻是通过金属掩模掩蔽的反应离子蚀刻 巧曲。
16. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述蚀刻是通过金属掩模掩蔽的深反应离子蚀 刻值Rffi)。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述RIE为氧等离子体蚀刻。
18. 根据权利要求3所述的方法，其中，重复所述聚对亚苯基二甲基、金属、聚对亚苯基 二甲基沉积步骤W产生多个聚对亚苯基二甲基-金属-聚对亚苯基二甲基夹层。
19. 薄膜衬底，由权利要求1-18中任一项所述的方法制得。
20. 根据权利要求3所述的方法，还包括将器件附接至所述聚对亚苯基二甲基衬底。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中，所述器件为集成电路。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中，所述器件通过用作机械胶的可光图案化的粘 合剂被集成到所述衬底中。
23. -种将集成电路组装至薄膜衬底的方法，所述方法包括： 将可光图案化的粘合剂或环氧树脂旋涂至集成电路（IC) W形成覆盖IC; 掩蔽所述覆盖IC ;和 利用光刻法图案化所述覆盖1C，W暴露IC上的多个结合焊盘W形成图案化的1C，并且 集成到薄膜衬底中。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中，所述薄膜衬底为聚对亚苯基二甲基。
25. 根据权利要求23所述的方法，还包括烘烤所述图案化的IC W形成平滑的表面。
26. 根据权利要求24所述的方法，其中，所述聚对亚苯基二甲基衬底首先用氧气等离 子体进行处理，W增强与可光图案化的粘合剂的结合。
27. 根据权利要求24所述的方法，其中，所述IC芯片利用HMDS和/或氧气等离子体进 行处理，W增强与可光图案化的粘合剂的结合。
28. 根据权利要求23所述的方法，其中，所述可光图案化的粘合剂或环氧树脂为光致 抗蚀剂。
29. 根据权利要求28所述的方法，其中，所述光致抗蚀剂是选自由SU-8、AZ4620、 AZ1518、AZ4400、AZ9260、T皿-126N、WPR-5100、BCB W及聚醜亚胺组成的组的成员。
30. 根据权利要求24所述的方法，其中，所述聚对亚苯基二甲基衬底首先用氧气等离 子体进行处理W增强结合。
31. 根据权利要求23所述的方法，其中，所述多个结合焊盘中每一个的厚度为 1 y m-10 y m。
32. 根据权利要求23所述的方法，其中，所述IC芯片上的所述可光图案化的粘合剂的 厚度为约IOym-约30 ym。
33. 根据权利要求24所述的方法，其中，使用导电环氧树脂或糊剂对所述图案化的IC 和聚对亚苯基二甲基衬底进行组装。
34. 根据权利要求33所述的方法，其中，输送导电环氧树脂W制备高密度多通道IC芯 片连接的所述方法是通过高通量刮刷工艺。
35. 根据权利要求34所述的方法，其中，所述高密度多通道IC芯片是在25mm2上大于 1000个通道。
36. 根据权利要求33所述的方法，其中，IC芯片具有大于200ym的间距尺寸，利用直 径小于100 U m的针涂覆导电环氧树脂。
37. 根据权利要求33所述的方法，其中，使IC芯片形成图案化的IC芯片的工艺在定制 芯片图案模具上完成。
38. 根据权利要求37所述的方法，其中，所述图案模具为刮刷工艺的安全缓冲区域。
39. 根据权利要求37所述的方法，其中，所述模具的尺寸和深度设计成适应所述芯片 的尺寸。
40. -种用于附接器件的生物相容性薄膜衬底，所述薄膜衬底包括： 第一薄膜层； 金属，其邻接所述第一薄膜层； 第二薄膜层，其邻接所述金属，W形成薄膜-金属-薄膜夹层，其中所述第二薄膜层具 有开口，所述开口具有设置在其内表面上的至少一个电触点，所述开口被配置成接纳至少 一个电路器件和在所述至少一个电触点和所述至少一个电路器件之间提供电连通，所述生 物相容性薄膜衬底被配置为在接纳所述至少一个电路器件后被植入活体内。
41. 根据权利要求40所述的生物相容性衬底，其中，所述具有至少一个电路的器件为 集成电路（IC)芯片。
42. 根据权利要求40所述的生物相容性衬底，其中，所述衬底为聚对亚苯基二甲基衬 底。
43. 根据权利要求42所述的生物相容性衬底，其中，所述第一薄膜层和所述第二薄膜 层各自独立地选自由聚对亚苯基二甲基、聚醜亚胺、TefloruKapton或印刷电路板（PCB)组 成的组。
44. 根据权利要求43所述的生物相容性衬底，其中，所述第一薄膜层和第二薄膜层各 自为聚对亚苯基二甲基。
45. 根据权利要求41所述的生物相容性衬底，其中，所述器件通过导电环氧树脂刮刷 电连接被集成到所述衬底中。
46. 根据权利要求41所述的生物相容性衬底，其中，所述器件通过用作机械胶的可光 图案化的粘合剂被集成到所述衬底中。
47. 根据权利要求46所述的生物相容性衬底，其中，所述可光图案化的粘合剂或环氧 树脂为光致抗蚀剂。
48. 根据权利要求47所述的生物相容性聚对亚苯基二甲基衬底，其中，所述光致抗蚀 剂是选自由 SU-8、AZ4620、AZ1518、AZ4400、AZ9260、T皿-126N、WPR-5100、BCB W及聚醜亚 胺组成的组的成员。
49. 根据权利要求42所述的生物相容性衬底，其中，聚对亚苯基二甲基衬底首先用氧 气等离子体处理W增强结合。
【文档编号】A61F2/02GK104271165SQ201380022588
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月14日 优先权日:2012年4月30日
【发明者】忠南·泰, 韩-杰·常 申请人:加州理工学院