BR102021012291A2 - Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento e integração de sensores e biosensores, processo e usos - Google Patents

Abstract

Esta invenção é relacionada a uma plataforma e tecnologia universal para suporte, montagem e encapsulamento de sensores (SME), utilizando a técnica de montagem em pastilha invertida, ou flipchip, e a técnica de montagem flipchip com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA). Esta plataforma e tecnologia universal permitem que contatos, eletrodos e outros elementos ativos ou passivos importantes para o funcionamento do sensor sejam integrados no suporte e no encapsulamento. Esta plataforma e tecnologia universal se aplicam a quaisquer sensores, tais como, sensores de pressão, umidade, acelerômetros, giroscópios, etc., mas com destaque ao uso em biosensores. Tal invenção está direcionada à área de encapsulamento e montagem de semicondutores.

Description

PLATAFORMA PARA SUPORTE, MONTAGEM, ENCAPSULAMENTO E INTEGRAÇÃO DE SENSORES E BIOSENSORES, PROCESSO E USOS

[01] Esta invenção é relacionada a uma plataforma e tecnologia universal para suporte, montagem e encapsulamento de sensores (SME), utilizando a técnica de montagem em pastilha invertida, ou flipchip, e a técnica de montagem flipchip com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA). Esta plataforma e tecnologia universal permitem que contatos, eletrodos e outros elementos ativos ou passivos importantes para o funcionamento do sensor sejam integrados no suporte e no encapsulamento. Esta plataforma e tecnologia universal se aplicam a quaisquer sensores, tais como, sensores de pressão, umidade, acelerômetros, giroscópios, etc., mas com destaque ao uso em biosensores. Tal invenção está direcionada à área de encapsulamento e montagem de semicondutores.

[02] Atualmente, há uma grande variedade de sensores que, independentemente da tecnologia empregada, dependem de um esquema de suporte, montagem e encapsulamento (SME) que permita que a superfície sensível, ou região ativa, do sensor seja exposta aos agentes, elementos, moléculas, analitos, etc. que se deseja detectar. Sem um esquema de SME os sensores dificilmente podem ser empregados em sistemas compactos, portáteis e utilizáveis no ponto de atendimento, ou point of care testing (PoC).

[03] Os agentes, elementos, moléculas etc., alvos e objetos da detecção, podem estar em forma sólida, pastosa, líquida ou gasosa. Os alvos podem se apresentar tanto na forma pura, como contidos em soluções e dispersões, compósitos pastosos ou sólidos, rígidos ou flexíveis/deformáveis e/ou misturas gasosas, líquidas, pastosas, sólidas ou em géis. Todas essas formas de apresentação podem ser simples ou complexas, contendo outras fases e constituintes. Esses alvos, agentes, elementos, moléculas, etc., descritos anteriormente, que constituem, ou que contém o que se deseja detectar, são chamados aqui, indistintamente, de analito, analitos, alvo ou alvos de análise ou de detecção.

[04] Apenas a título de exemplo na área de biosensores, mas sem se limitar a esses casos, os alvos de detecção (analitos) podem ser o ar exalado por um indivíduo ou animal após a respiração, sangue, saliva, suor, lágrima, plasma sanguíneo, muco, secreções, fezes ou quaisquer tecidos. Assim os analitos podem ser gasosos, líquidos, pastosos, em gel ou sólidos moles, flexíveis ou rígidos.

[05] O grande desafio para se estabelecer um esquema de SME para sensores é que os elementos sensíveis e de controle compartilham, totalmente ou em parte, a mesma face dos contatos elétricos e trilhas condutoras que serão utilizados para fazer as interconexões. A Figura 1 mostra, de forma esquemática, uma pastilha ou substrato (1), sobre o qual estão todas as estruturas essenciais de um sensor, conjunto aqui denominado, indistintamente, de dispositivo sensor.

[06] O dispositivo sensor, figura 1, contém, especialmente, as regiões sensíveis ou ativas (3), mas pode, eventualmente, conter, também, outros elementos necessários à sua operação. A título de exemplo, mas não se restringindo a esses tipos de sensores, a região ativa pode ser formada por um transistor de efeito de campo ou pelos eletrodos de trabalho e referência de um sensor eletroquímico. A região de interface elétrica (4) contém contatos (4A) e trilhas ou vias (4B), para a interconexão elétrica/eletrõnica direta do dispositivo sensor à plataforma SME. A região dos contatos (4A) é a região mais especificamente designada para realizar a conexão elétrica direta do dispositivo sensor à plataforma SME. Adotamos aqui, por simplificação e clareza, o nome em inglês, pads de contato, que são a fronteira da interconexão elétrica do dispositivo. Há pads de contato elétrico tanto nos dispositivos sensores quanto nas plataformas SME nas quais são montados. A região de transição (2) entre a pastilha (1) e a região sensível ou ativa (3) contém elementos e estruturas que permitem conectar os elementos ativos, passivos contidos na região sensível ou ativa (3), à região de interface elétrica direta (4). Na região de transição (2) pode haver, por exemplo, esquemas para casamento de impedância, guias de onda, pré-amplificadores ou elementos passivos que, por necessidade ou conveniência, sejam integrados na própria pastilha do dispositivo sensor.

[07] Há, portanto, alguns desafios para montar ou encapsular o dispositivo sensor:

• a) O processo de incorporação do dispositivo sensor à plataforma SME não pode comprometer, danificar, degradar ou contaminar os elementos sensíveis contidos na região sensível ou ativa (3);
• b) Os elementos sensíveis, contidos na região sensível ou ativa (3), devem ficar expostos e acessíveis aos analitos;
• c) A região de interface elétrica (4) não deve ficar exposta ou acessível aos analitos;
• d) A região de transição (2) pode, ou não, estar exposta ou acessível aos analitos, dependendo do tipo ou arquitetura do sensor, mas o SME deve permitir que a região de transição (2) seja isolada dos analitos, se assim for necessário, desejado ou conveniente.

[08] De forma mais específica, o esquema de SME deve permitir que a exposição da parte sensível ou ativa (3) dos sensores aos analitos ocorra de forma eficaz, sem comprometer a integridade dessa região, nem a integridade de outros elementos importantes para o processo de detecção, como as portas (sólidas, líquidas, em gel etc.) em transistores de efeito de campo, eletrodos de trabalho e de referência em sensores eletroquímicos, eventualmente localizados na região sensível ou ativa (3).

[09] O esquema de SME deve permitir que a região sensível ou ativa (3) do sensor possa ser exposta de forma seletiva, ou seja, sem, concomitantemente, expor ou comprometer outras partes do dispositivo sensor, como por exemplo, as interfaces, contatos e interconexões elétricas que não possam ter contato com os analitos, representadas pela região de interface elétrica (4) e, eventualmente, pela região de transição (2).

[010] O esquema SME deve permitir que, além da região sensível ou ativa (3), outros elementos importantes para o processo de detecção, controle ou otimização do processo de detecção possam ser incorporados ao SME. Nesse caso, tanto a região sensível ou ativa (3) como os outros elementos importantes para o processo de detecção, incorporados diretamente no próprio SME, devem ser expostas seletivamente aos analitos, sem expor a região de transição (2) e a região de interface elétrica (4).

[011] Se o dispositivo sensor é utilizado apenas em laboratórios com sofisticados equipamentos e estações de medição dedicadas, o acesso aos contatos elétricos deixa de ser um problema, pois este acesso pode ser feito diretamente usando-se estações com pontas de prova, por exemplo. Em aplicações miniaturizadas, visando soluções industrializadas e destinadas ao uso comercial, como laboratórios em um chip (labs on a chip), sistemas integrados de análise total, ou tipo PoC, existem algumas alternativas que podem ser adotadas, mas que geram custos mais altos e maior complexidade de encapsulamento.

[012] Uma das alternativas é utilizar a técnica tradicional de wire bonding, como mostrado de forma esquemática na figura 2. A conexão elétrica entre os pads de contato (8), presentes em um substrato, suporte ou ponta-dispositivo (feito de materiais de vidro, PET, poliamida, poliimida, PCB, papel, entre outros) e os pads de contato do dispositivo sensor (4A) são realizados através de um fio condutor (9).

[013] Nesse tipo de montagem a região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5) fica exposta aos analitos. No entanto, os fios condutores (9), os pads de contato da plataforma SME (8), bem como a região de transição (2), interface imediata da região sensível ou ativa (3) e a região de interface elétrica (4), também estão sujeitas à exposição aos analitos. Essa exposição indesejável exige que seja feito um encapsulamento adicional para proteção dessas regiões com algum material inerte e isolante de forma que as regiões e os elementos que não podem, ou não devem, ser expostos sejam protegidos.

[014] A Figura 3 mostra uma das formas de isolar as partes do sistema que não devem estar sujeitas à exposição ao(s) analito(s). Podem-se utilizar isolantes (10), tais como, resina, polímero, adesivo, borracha etc., para cobrir as partes a serem isoladas, deixando um compartimento (11) onde será depositado o fluido de interesse. Essa abordagem é utilizada, por exemplo, na patente US9618476B2, intitulada “SYSTEM AND METHOD FOR ELECTRONIC BIOLOGICAL SAMPLE ANALYSIS”. Nesse esquema apenas a região sensível ou ativa (3) e sua vizinhança imediata ficam expostos aos analitos, ficando os contatos para a conexão com os sistemas e plataformas de medição e controle preservados. Portanto, a deposição do fluido de interesse no compartimento (11) não pode ser realizada com extrema precisão. Além disso, há a possibilidade de que os fios condutores (9) se rompam ou se descolem dos contatos durante o processo de aplicação do isolante (10).

[015] Outra alternativa, mostrada na figura 4, é fazer vias ou conexões elétricas passantes (12), que atravessam o substrato do dispositivo sensor (13) até alcançar os pads de contato do dispositivo sensor (4A), localizados na face superior desse dispositivo. As conexões elétricas passantes (12) ligam os pads de contatos do dispositivo sensor (4A) aos pads de contato da plataforma SME (8), conforme o pedido de patente US20080247908A1, intitulada “SENSORCHIP FOR A BIOSENSOR”. O inconveniente é que essa etapa de fabricação das vias, conexões elétricas passantes (12), encarece a fabricação do dispositivo sensor, já que aumenta consideravelmente as horas de máquina para corrosão do substrato e posterior metalização da via. Esses procedimentos adicionais podem introduzir, também, limitações no tipo de substrato que pode ser usado para fabricação do dispositivo. Mais ainda, podem expor a região sensível ou ativa (3) a desgaste, degradação ou contaminação ou exigirem proteção da região sensível ou ativa (3) durante o processo de fabricação das vias e mesmo durante o processo de montagem.

[016] Há outras propostas envolvendo montagem flipchip em que, após a montagem convencional, os espaços vazios são preenchidos com algum material de vedação ou se aplica um filme de selagem formado por um material plástico, polimérico ou resina sobre o sensor. Esse filme promove a vedação durante o processo de aquecimento para refluxo da solda, necessário para promover efetivamente o contato elétrico. No primeiro caso é preciso garantir o preenchimento preciso de todos os espaços e não há garantia de que os contatos, eletrodos e trilhas fiquem perfeitamente isolados. Além disso é um processo a mais a ser realizado. No segundo caso há necessidade de remoção do filme residual que fica sobre o sensor o que torna difícil evitar contaminação em superfícies sensíveis, como a do grafeno, por exemplo. Mesmo assim, no segundo caso, em que se usa o filme para selagem, ocorre a mistura inevitável do material do filme o com a pasta de solda que faz o contato elétrico. Há, também, aquecimento a altas temperaturas, de até 250o C, para que o contato elétrico seja estabelecido pelo refluxo da pasta de solda.

[017] A tecnologia proposta no presente pedido de patente utiliza adesivo condutivo anisotrópico (ACA), tal qual o adesivo revelado na patente US6827880B2, cuja data de prioridade é 15/12/2000, sob o título “ANISOTROPIC CONDUCTIVE ADHESIVE”, para fazer a conexão elétrica entre os pads de contato do dispositivo sensor (4A) com os pads de contato da plataforma SME (8) e, concomitantemente, fixar o dispositivo sensor (5) e isolar as regiões que não podem ser expostas aos analitos, conforme representado na figura 5. A principal característica do ACA é ser condutor na direção perpendicular ao plano de aplicação do adesivo, ou plano de montagem, e isolante elétrico na direção paralela ao plano de aplicação do adesivo. Isso permite que o dispositivo sensor (5), ou pastilha, seja invertido (flipchip), ou seja, tenha a face superior, que contém a região sensível ou ativa (3), voltada diretamente para a face superior da plataforma SME (17), onde estão as conexões elétricas. O acesso à região sensível ou ativa (3) é promovido por um orifício (16) na plataforma SME (17), onde o dispositivo sensor (5) é fixado. A ligação entre os pads de contato do dispositivo sensor (4A) e os pads de contato da plataforma SME (8) é executada sem provocar condução paralela entre os diferentes pads de contato e trilhas condutoras (7) ao longo do plano de montagem.

[018] Para que a tecnologia de montagem por ACA seja implementada na plataforma SME (17) de sensores, é necessário associar a ela uma plataforma de montagem com as características adequadas, que também faz parte da solução tecnológica proposta. No caso da tecnologia de SME para sensores, alvo de proteção nesse pedido de patente, o ACA é utilizado para, juntamente com a tecnologia de flipchip, permitir a montagem do dispositivo sensor (5) em qualquer substrato, suporte, placa, sistema de microfluídica, entre outros.

[019] Assim, esta solução apresenta grande vantagem competitiva em relação a qualquer outra tecnologia de SME para sensores, em especial se comparado às soluções que utilizam as conexões elétricas passantes (12), figura 4, ou às soluções que utilizam wire bonding, figura 2, para fazer conexões elétricas.

[020] Em comparação com as tecnologias que utilizam wire bonding, a tecnologia fiipchip e ACA elimina a necessidade de se realizar a conexão elétrica uma a uma através de pequenos fios condutores (9). Assim, elimina-se também a tendência ou possibilidade de que os fios condutores (9) se rompam ou se descolem dos contatos durante o processo de aplicação do isolante (10) nas regiões que não podem ser expostas ao analito. Na solução aqui proposta, ao invés de se ter que conectar os pads de contato um a um, todos os pads de contato são conectados, em uma só etapa, entre as partes desejadas, e ao mesmo tempo ficam eletricamente isolados uns dos outros no mesmo plano sem a necessidade de uma proteção externa para as conexões, como o isolante (10).

[021] Em comparação com a tecnologia de vias de contato com conexões elétricas passantes (12), o sistema aqui proposto apresenta menos etapas de processamento para a fabricação do dispositivo e, consequentemente, redução na utilização de horas de máquina e redução de insumos para a conclusão da fabricação, sendo também muito mais flexível. As conexões elétricas passantes (12) se tornam irrelevantes, pois, essas foram introduzidas exatamente para permitir a montagem de forma a evitar que o dispositivo sensor (5) seja invertido, realizando as conexões elétricas na direção perpendicular ao plano de montagem e impedindo a condução elétrica entre os contatos ao longo do plano de montagem. Todos esses requerimentos são contemplados pela nova tecnologia de SME utilizando flipchip e ACA com muito mais flexibilidade, praticidade, menor custo e mais produtividade na fabricação. O uso de flipchip e ACA é consagrado para fabricação em larga escala.

[022] Com relação a propostas que usam a montagem flipchip convencional em associação com filmes de selagem previamente aplicados, a vantagem do uso do ACA é muito clara, pois é um processo de baixa temperatura, de no máximo 120° C, que usa apenas materiais intrinsecamente compatíveis entre si, não necessita de qualquer processo posterior de limpeza, promove uma selagem limpa, precisa e com alta resistência e compatibilidade química, além de não precisar usar material de preenchimento para proteção dos contatos e de isolamento da região sensível ou ativa após fazer o flipchip, como é prática comum nesse tipo de montagem.

[023] A patente US7799606B2, intitulada “SEMICONDUCTOR SENSOR HAVING A FRONT-SIDE CONTACT ZONE”, cuja data de prioridade é 20/10/2002, utiliza o adesivo condutor anisotrópico para a montagem do sensor, porém não inclui uma solução completa como a do presente pedido de patente, onde o uso de flipchip, ACA e um desenho adequado da plataforma SME contribuem de forma sinérgica para formar uma solução completa e única para montagem de qualquer tipo de sensor. A patente US7799606B2 não especifica como o adesivo seria aplicado ou a forma como, utilizando-se as vantagens do ACA, pode-se chegar a uma solução universal para montagem de sensores e dá a entender que o adesivo é formado por uma folha ou película com um orifício, o que não é necessário conforme descrito no presente pedido de patente. Da forma como proposto e explorado neste pedido “PLATAFORMA PARA SUPORTE, MONTAGEM, ENCAPSULAMENTO E INTEGRAÇÃO DE SENSORES E BIOSSENSORES COM MONTAGEM EM FLIPCHIP’ todas as vantagens do ACA são devidamente utilizadas para formar a solução tecnológica para montagem de sensores, o que não restringe ou delimita seu uso a determinados tipos de sensores como na patente US7799606B2, não impõe nenhum limite sobre o tamanho das pastinhas ou sobre o tamanho ou formato dos pads de contato, e não requer que o filme de ACA tenho um orifício já que ele é aplicado exclusivamente e seletivamente sobre as regiões de interesse.

[024] Esta invenção tem como objetivo disponibilizar uma plataforma e tecnologia universal para suporte, montagem e encapsulamento de sensores, utilizando a técnica de montagem em pastilha invertida, ou flipchip, e a técnica montagem flipchip com adesivos condutores anisotrópicos, associados a uma plataforma de SME para ser usada em escala de produção industrial, com redução de etapas de processamento, redução da utilização de horas máquinas e redução de insumos para a fabricação de dispositivos sensores.

[025] A solução proposta permite a miniaturização do dispositivo sensor (5), diminuindo o tamanho dos pads de contato do dispositivo sensor (4A) e da região sensível ou ativa (3), enquanto a plataforma SME (17) pode conter pads tão grandes quanto necessários para as outras estruturas que podem ser incorporados à plataforma SME (17), sem impactar no tamanho do dispositivo sensor (5).

[026] A plataforma pode ser utilizada para a montagem de quaisquer sensores, tais como, biosensores, sensores de pressão, umidade, acelerõmetros, giroscópios, etc., não se limitando a esses.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[027] A figura 1 apresenta um esquema geral de um dispositivo sensor: pastilha ao substrato (1), região de transição (2), região sensível ou ativa (3) e região de interface elétrica (4) constituída pads de contato (4A) e trilhas ou vias (4B).

[028] A figura 2 representa a técnica de montagem utilizando wire bonding, na figura há a indicação dos elementos: a região sensível ou ativa (3), o contato do dispositivo sensor (4A), o dispositivo sensor (5), os contatos da plataforma SME (8) e os fios condutores (9).

[029] A figura 3 representa a técnica de montagem utilizando wire bonding com encapsulamento epóxi, a figura apresenta a região sensível ou ativa (3), o compartimento (11) e o isolante (10).

[030] A figura 4 representa a técnica de montagem utilizando conexões elétricas passantes, a figura inclui a região sensível ou ativa (3), o contato do dispositivo sensor (4A), os contatos da plataforma SME (8), as conexões elétricas passantes (12) e substrato do dispositivo sensor (13).

[031] A figura 5 demonstra a arquitetura e topologia genérica da plataforma SME para tecnologia flipchip com ACA, na figura tem-se a região sensível ou ativa (3), os contatos da plataforma SME (8), uma agulha de seringa (14), o ACA na região (15) e a face superior da plataforma SME (17).

[032] A figura 6 demonstra a solução e aplicação ACA por método de estampagem. A figura mostra um orifício (16), a face superior da plataforma SME (17), uma ferramenta de estampagem (18) e o adesivo ACA (19).

[033] A figura 7 é um desenho esquemático, ampliado e em seção transversal, do resultado após a fixação do dispositivo sensor na plataforma SME que compreende uma a plataforma SME (17) para suporte e para interface microfluídica; um sensor (5) contendo uma pastilha ao substrato (1), região de transição (2), região sensível ou ativa (3) e região de interface elétrica (4) constituída de contato (4A) e trilhas ou vias (4B): um preenchimento de ACA (19) para o selamento da região entre (5) e (17) e para conexão elétrica entre os pads de contato do dispositivo sensor (4A) com os pads de contato da plataforma SME (8) e para fixação do dispositivo sensor (5) e isolamento para as regiões que não podem ser expostas aos analitos; a face superior da plataforma SME (17) inclui o orifício (16), as estruturas (20), os quais são ligados aos eletrodos (22) na face inferior da plataforma SME (17) por trilhas e vias internas (21) condutoras verticais e horizontais enterradas nas camadas intermediárias da plataforma SME (17).

[034] A figura 8 demonstra a vista da face traseira da plataforma SME com o dispositivo sensor já incorporado pelo processo de fllipchip com ACA. Na figura estão indicados o dispositivo sensor (5), os contatos da plataforma SME (8), a face superior da plataforma SME (17) e o adesivo ACA (19).

[035] A figura 9 demonstra a vista esquemática da face frontal da plataforma SME com o dispositivo sensor já incorporado, onde é visível a região sensível ou ativa (3), o contato das interfaces elétricas de medida (6), as trilhas condutoras da plataforma SME (7), a face superior da plataforma SME (17), os eletrodos (22), região (23) observada através do orifício (16).

[036] A figura 10 demonstra a vista frontal da plataforma SME em um arranjo simples para permitir a exposição do dispositivo sensor ao analito. Na figura estão indicados o contato das interfaces elétricas de medida (6), as trilhas condutoras da plataforma SME (7), a face superior da plataforma SME (17) e o anel circular (24).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA TECNOLOGIA

[037] Essa invenção é relacionada a uma plataforma e tecnologia universal para suporte, montagem e encapsulamento (SME) de sensores, utilizando a técnica de montagem em pastilha invertida, ou flipchip, e a técnica de montagem flipchip com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA).

[038] A plataforma para suporte, montagem, encapsulamento e integração (SME ) de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA) compreende uma plataforma SME (17) para suporte e para interface microfluídica; um sensor (5) contendo uma pastilha substrato (1), região de transição (2), região sensível ou ativa (3) e região de interface elétrica (4) constituída de pads de contato do dispositivo sensor (4A) e trilhas ou vias (4B); um preenchimento de ACA (19) para o selamento da região entre (5) e (17) e para conexão elétrica entre os pads de contato do dispositivo sensor (4A) com os pads de contato da plataforma SME (8) e para fixação do dispositivo sensor (5) e isolamento das regiões que não podem ser expostas aos analitos; a face superior da plataforma SME (17) inclui o orifício (16) que fornece acesso à região sensível ou ativa (3).

[039] Opcionalmente, a Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA) compreender um anel circular (24) ou um cartão microfluídico montados e integrados no substrato da plataforma SME (17).

[040] O substrato da plataforma SME (17) pode conter um orifício (16) vazado que é coincidente com a região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5), permitindo que o elemento sensível possa ser exposto de forma seletiva aos analitos (gasosos, líquidos, pastosos, em gel ou sólidos moles, flexíveis ou rígidos).

[041] O anel circular (24) pode conter elementos miniaturizados de filtros, misturadores e diluidores, possibilitando a lavagem, filtragem, mistura e separação. A Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA) pode integrar estruturas como eletrodos de referência, eletrodos de controle para sensores eletroquímicos e eletrodos para aplicação de tensão de porta em transistores de efeito de campo na plataforma SME (17).

[042] A face inferior ou superior do substrato da plataforma SME (17) pode compreender os contatos das estruturas (20, 22) mencionadas eletrodos de referência, eletrodos de controle para sensores eletroquímicos e eletrodos para aplicação de tensão de porta em transistores de efeito de campo.

[043] A Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA) pode aplicar-se a sensores como biosensores, sensores de pressão, umidade, acelerômetros, giroscópios, etc., não se limitando a esses.

[044] A Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA) permite a montagem do dispositivo sensor (5) em substratos, como placas de circuito impresso de uma ou várias camadas, sejam elas rígidas ou flexíveis e de sistemas de microfluídica.

[045] O substrato da plataforma SME (17) pode conter trilhas e vias internas (21) ligando as diversas camadas e interconectando os contatos, tanto na face inferior quanto na face superior da plataforma SME (17).

[046] A Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA) pode compreender pads de contato das interfaces elétricas de medida (6) e trilhas condutoras da plataforma SME (7) localizados na face inferior ou superior do substrato da plataforma SME (17).

[047] O Processo de montagem e encapsulamento da plataforma de integração de sensores e biosensores compreende as seguintes etapas:

• a) Aplicar o adesivo ACA (19) sobre a plataforma SME (17) na região de fixação entre a face superior da plataforma SME (17) e a face a ser fixada do dispositivo (5) delimitando as regiões (2) e (3) em que o adesivo ACA (19) deve estar ausente;
• b) Inverter e alinhar o dispositivo sensor (5) para que sua face superior seja coincidente com a face superior da plataforma SME (17), de tal forma que a região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5) seja coincidente com o orifício (16) e que os contatos do dispositivo sensor (4A) sejam coincidentes com os contatos da plataforma SME (8);
• c) Após alinhamento, aproximar as faces dos elementos (5) e (17) para realizar a fixação entre a face superior da plataforma SME (17) e a face a ser fixada do dispositivo (5) para promover a conexão elétrica entre os contatos do dispositivo sensor (4A) e os contatos da plataforma SME (8) e realizar a proteção e selagem do dispositivo.

[048] O ACA (19) pode ser aplicado utilizando uma seringa (14) ou uma ferramenta de estampagem (18).

[049] Opcionalmente, o ACA (19) pode ser aplicado utilizando uma ferramenta de estampagem (18), desenhada de acordo com a geometria dos contatos da plataforma SME (8) e da plataforma SME (17), sendo esta ferramenta de estampagem (18) mergulhada, ou molhada, no adesivo condutor anisotrópico e estampada acima dos contatos da plataforma SME (8).

[050] A tecnologia proposta pode ser mais bem compreendida pelos exemplos que se seguem, não limitantes da mesma.

EXEMPLO 1 - FORMAS DE CONCRETIZAÇÃO DA TECNOLOGIA

[051] A tecnologia proposta, conforme representada na figura 5, utiliza Adesivo Condutor Anisotrópico (ACA) para fazer a conexão elétrica dos pads de contato do dispositivo sensor (4A) aos pads de contato da plataforma SME (8), sem provocar condução paralela entre os diferentes contatos ao longo do plano de montagem.

[052] O acesso à região sensível ou ativa (3) é promovido por um orifício (16) na placa ou substrato onde o dispositivo sensor (5) é fixado.

[053] A região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5) deve estar exposta aos analitos. A Figura 5 mostra uma plataforma SME adequada para o processo flipchip. O substrato base da plataforma SME (17) pode ser de diversos materiais, como vidro, PCB, fenolite, Kapton, acrílico, PDMS, PET, FR4, Silício etc., de acordo com a conveniência e necessidade do dispositivo sensor ou aplicação.

[054] O orifício (16) presente no substrato da plataforma SME (17) pode ter qualquer geometria e tamanho, adequando-se à área da região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5) que deve ser exposta aos analitos. O orifício (16) pode ser desenhado e projetado de acordo com as necessidades específicas de qualquer projeto de aplicação. O substrato da plataforma SME (17) contém também os pads de contato das interfaces elétricas de medida (6) com os equipamentos ou plataformas de medida, e os pads de contato da plataforma SME (8), que deverão ser ligados e conectados aos pads de contato do dispositivo sensor (4A). No substrato há, também, as trilhas condutoras da plataforma SME (7) que ligam os pads de contato da plataforma SME (8), através de vias internas (21), aos pads de contato das interfaces elétricas de medida (6) com os equipamentos ou plataformas de medida, como pode ser visto nas figuras 7 e 9. Tanto os pads de contato das interfaces elétricas de medida (6) quanto as trilhas condutoras da plataforma SME (7) podem estar localizados na face inferior ou superior do substrato da plataforma SME (17).

[055] O padrão, geometria, materiais, estrutura e espessura dos pads de contato da plataforma SME (8) podem ser escolhidos e determinados de acordo com os requerimentos do projeto e das demandas das aplicações e tipo de sensor. Em geral o padrão dos pads de contato da plataforma SME (8) será coincidente com o padrão dos pads de contato do dispositivo sensor (4A).

[056] Na Figura 5, uma agulha de seringa (14), ou outro dispositivo, será utilizada para aplicar o ACA em (15) nos pads de contato da plataforma SME (8).

[057] A Figura 6 mostra outro método de aplicação do ACA por estampagem. Uma ferramenta de estampagem (18) desenhada de acordo com a geometria dos pads de contato da plataforma SME (8) é usada para aplicar o ACA na quantidade e espessura adequadas (19) sem obstruir o orifício (16). A ferramenta de estampagem (18) é mergulhada, ou molhada, no adesivo condutor anisotrópico e estampado acima dos pads contato da plataforma SME (8).

[058] Após a preparação da plataforma SME (17) com a aplicação do ACA, o dispositivo sensor (5) é fixado com o resultado final mostrado, em detalhe ampliado e em seção transversal, na Figura 7. O dispositivo sensor (5) é invertido e alinhado para que sua face superior seja coincidente com a face superior da plataforma SME (17), de tal forma que a região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5) seja coincidente com o orifício (16) e que os pads de contato do dispositivo sensor (4A) sejam coincidentes com os pads de contato da plataforma SME (8). O ACA aplicado faz a fixação do dispositivo sensor (5) à plataforma SME (17), promove a conexão elétrica entre os pads de contato do dispositivo sensor (4A) e os pads de contato da plataforma SME (8) e faz a completa proteção e selagem física, química, biológica etc. Os analitos que entram pelo orifício (16) atingem seletivamente a região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5) e/ou eletrodos (20) que podem estar incorporadas na face inferior ou superior da plataforma SME (17), figura 7.

[059] Exemplos de eletrodos (20) que podem ser incorporadas à plataforma SME (17) são eletrodos de referência e eletrodos de controle para sensores eletroquímicos. Outro exemplo são eletrodos para aplicação de tensão de porta em transistores de efeito de campo (FET), cuja porta é polarizada através de eletrólitos ou através do próprio analito que preenche a cavidade formada pelo orifício (16), selado adequadamente pelo ACA (19). O substrato da plataforma SME (17) pode ser utilizado em diversas tecnologias, como por exemplo, tecnologias de placas de circuitos impresso de uma ou várias camadas, sejam elas rígidas ou flexíveis, podendo conter trilhas e vias internas (21) ligando as diversas camadas.

[060] A figura 7 mostra uma arquitetura, na qual são adicionados na face superior da plataforma SME (17), próximo à borda do orifício (16), eletrodos ou outras estruturas (20), os quais são ligados aos eletrodos (22) na face inferior da plataforma SME (17) por trilhas e vias internas (21) condutoras verticais e horizontais enterradas nas camadas intermediárias da plataforma SME (17). As vias internas (21) podem ser utilizadas para realizar a interconexão com estruturas e contatos tanto na face inferior quanto na face superior do substrato da plataforma SME (17).

[061] A Figura 8 apresenta a vista da face traseira da plataforma SME (17) com o dispositivo sensor (5) já incorporado pelo processo de fllipchip e ACA. A face frontal da plataforma SME (17) é mostrada esquematicamente na Figura 9, em uma vista com o dispositivo sensor (5) já incorporado. Uma região do dispositivo sensor (5) indicada por (23) na figura 9, é vista através do orifício (16), bem como a região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5). A região (23) está desenhada por uma questão de dar generalidade à representação, já que alguma região do dispositivo sensor (5), além da região sensível ou ativa (3), pode estar exposta através do orifício (16). Se o orifício (16) for exatamente coincidente com a região sensível ou ativa (3), apenas esta região seria observada através do orifício (16). Na borda do orifício (16) está colocado um eletrodo (22), diretamente na face inferior da plataforma SME (17), que se liga aos contatos das interfaces elétricas de medida (6) através das trilhas elétricas no substrato da plataforma SME (7), que podem estar na face inferior ou superior da plataforma SME (17), ou por trilhas e vias internas (21) da plataforma SME (17). Como já mencionado, a plataforma SME (17) pode ser utilizada em diversas tecnologias, como placas de circuito impresso multicamada, rígidas ou flexíveis, ou Co-Fired Ceramics, mas não se restringindo a essas.

[062] O eletrodo (22) poder ser, por exemplo, um eletrodo de trabalho ou de referência, funcionalizado ou não, operando juntamente com outros eletrodos e elementos ativos e passivos contidos na região sensível ou ativa (3) e na região de transição (2) do dispositivo sensor (5) ou outros elementos integrados ao próprio dispositivo sensor (5). O eletrodo (22) pode ser contínuo, bipartido etc., ter outras geometrias, outros eletrodos integrados ou outros elementos podem ser adicionados nas faces da plataforma SME (17).

[063] Adicionalmente, na solução proposta, o eletrodo (22) pode ser usado como eletrodo de porta em dispositivos tipo transistor de efeito de campo onde a porta é aplicada através do próprio analito.

[064] A Figura 10 apresenta um arranjo simples para expor o sensor aos analitos líquidos. Um anel circular (24) é alinhado com a abertura do orifício (16) presente na plataforma SME (17). O analito é adicionado na cavidade formada pelo anel circular (24) de forma controlada. O eletrodo (22) pode ser usado tanto como eletrodo de trabalho ou referência ou como eletrodo de porta, atuando através do analito em dispositivos do tipo transistor de efeito de campo, como mencionado anteriormente. O anel circular (24) pode ser substituído por um sistema, dispositivo ou cartão microfluídico de complexidade variada.

Claims (13)

1. Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA) caracterizada por compreender uma plataforma SME (17) para suporte e para interface microfluídica; um sensor (5) contendo uma pastilha substrato (1), região de transição (2), região sensível ou ativa (3) e região de interface elétrica (4) constituída de pads de contato do dispositivo sensor (4A) e trilhas ou vias (4B); um preenchimento de ACA (19) para o selamento da região entre (5) e (17) e para conexão elétrica entre os pads de contato do dispositivo sensor (4A) com os pads de contato da plataforma SME (8) e para fixação do dispositivo sensor (5) e isolamento das regiões que não podem ser expostas aos analitos; a face superior da plataforma SME (17) inclui o orifício (16) que fornece acesso à região sensível ou ativa (3).
2. Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender um anel circular (24) ou um cartão microfluídico montados e integrados no substrato (1) da plataforma SME (17).
3. Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo substrato (1) da plataforma SME (17) ter um orifício (16) vazado que é coincidente com a região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5) permitindo que o elemento sensível possa ser exposto de forma seletiva aos analitos (gasosos, líquidos, pastosos, em gel ou sólidos moles, flexíveis ou rígidos).
4. Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo anel circular (24) conter elementos miniaturizados de filtros, misturadores e diluidores, possibilitando a lavagem, filtragem, mistura e separação aplicadas ao analito.
5. Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por integrar estruturas como eletrodos de referência, eletrodos de controle para sensores eletroquímicos e eletrodos para aplicação de tensão de porta em transistores de efeito de campo na plataforma SME (17).
6. Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela face inferior ou superior do substrato (1) da plataforma SME (17) compreender os contatos das estruturas (20, 22).
7. Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo substrato (1) da plataforma SME (17) conter trilhas (7) e vias internas (21) ligando as diversas camadas e interconectando os contatos, tanto na face inferior quanto na face superior da plataforma SME (17).
8. Plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender pads de contato das interfaces elétricas de medida (6) e trilhas condutoras da plataforma SME (7) localizados na face inferior ou superior do substrato da plataforma SME (17).
9. Processo de montagem e encapsulamento da plataforma de integração de sensores e biosensores caracterizado por compreender as seguintes etapas:

   • a) Aplicar o adesivo ACA (19) sobre a plataforma SME (17) na região de fixação entre a face superior da plataforma SME (17) e a face a ser fixada do dispositivo (5) delimitando as regiões (2) e (3) em que o adesivo ACA (19) deve estar ausente;
   • b) Inverter e alinhar o dispositivo sensor (5) para que sua face superior seja coincidente com a face superior da plataforma SME (17), de tal forma que a região sensível ou ativa (3) do dispositivo sensor (5) seja coincidente com o orifício (16) e que os contatos do dispositivo sensor (4A) sejam coincidentes com os contatos da plataforma SME (8);
   • c) Após alinhamento, aproximar as faces dos elementos (5) e (17) para realizar a fixação entre a face superior da plataforma SME (17) e a face a ser fixada do dispositivo (5) para promover a conexão elétrica entre os contatos do dispositivo sensor (4A) e os contatos da plataforma SME (8) e realizar a proteção e selagem do dispositivo.
10. Processo de montagem e encapsulamento da plataforma de integração de sensores e biosensores, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo ACA (19) ser aplicado utilizando uma seringa (14) ou uma ferramenta de estampagem (18).
11. Processo de montagem e encapsulamento da plataforma de integração de sensores e biosensores, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo ACA (19) ser aplicado utilizando uma ferramenta de estampagem (18), desenhada de acordo com a geometria dos contatos da plataforma SME (8) e da plataforma SME (17), sendo esta ferramenta de estampagem (18) mergulhada, ou molhada, no adesivo condutor anisotrópico e estampada acima dos contatos da plataforma SME (8).
12. Uso da plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA) caracterizada por aplicar-se a sensores como biosensores, sensores de pressão, umidade, acelerômetros, giroscópios, etc, não se limitando a esses.
13. Uso da plataforma para suporte, montagem, encapsulamento (SME) e integração de sensores e biosensores com montagem em flipchip e com Adesivos Condutores Anisotrópicos (ACA) caracterizada por ser para a montagem do dispositivo sensor (5) em substratos, como placas de circuito impresso de uma ou várias camadas, sejam elas rígidas ou flexíveis e de sistemas de microfluídica.

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