CN105324101A - 用于保护植入式电子装置的长期封装 - Google Patents

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Abstract

本发明提供微组装装置，包括：用于固定装置的基板；固定至该基板的腐蚀屏障；任选的至少一个馈通部，其布置在该基板中以允许至少一根输入线和/或至少一根输出线进入所述微组装装置中；和配置成封装微组装装置的封装材料层。

Description

用于保护植入式电子装置的长期封装
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年12月27日提交的美国专利申请第14/142,180号和2013年8月5日提交的美国专利申请第61/862,180号的优先权，该两个美国专利申请为了所有的目的据此通过引用并入。
对在联邦政府资助的研究和发展下取得的发明权利的声明
本发明使用政府支持根据由美国国家科学基金会授予的EEC-0310723而完成。政府在本发明中具有一定的权利。
发明背景
生物相容性硅酮几十年来已经被作为封装层使用，但已知的是，由于硅酮的多孔结构，大多数硅酮往往具有相当大的水蒸汽穿透率(WVTR)。据报道降低WVTR的一种途径是在硅酮上添加另一种聚对二甲苯-C涂层以密封该硅酮层且聚对二甲苯-C涂层对硅酮具有良好的黏附性(见S.Sawano等人，DigestTech.PapersMEMS’08Conference,Tucson,USA,2008年1月13-17日,pp.419-422)。然而，涂在生物相容性硅酮上的聚对二甲苯-C往往较厚且可能会丧失其灵活的柔性。
另一方面，聚对二甲苯-C作为结构材料或适形的和生物相容性涂层已广泛地用于生物医学装置和接触面中(见，J.H.Chang,R.Huang,Y.C.Tai，DigestTech.PapersTransducers‘11Conference,Peking,2011年6月5-9日,pp.378-381)。由于聚对二甲苯-C的许多有利的性质，其也已经成为封装材料(见，J.H.Chang,D.Kang,Y.C.Tai，DigestTech.PapersMEMS‘12Conference,Paris,2012年1月29日-2月2日,pp.353-356)。聚对二甲苯-C的透水性和化学稳定性也已经被研究(见，Y.Hu等人，应用聚合物科学杂志，vol.81,pp.1624-1633,2000；W.Li等人,ECSTransactions,vol.11,pp.1-6,2008)，且结果显示聚对二甲苯-C是非常良好的生物惰性绝缘体，并且通过在每侧上以9.2μm聚对二甲苯-C把金属加在中间，聚对二甲苯-C保护的电极可以存在足够长的时间。
假体植入物必须克服的最大的挑战中的一个是集成电路(IC)芯片的可靠的封装，使得生物装置可以承受腐蚀性体液。本领域所需要的是具有高密度多通道IC芯片，分立部件(电容，电感器，和振荡器)，和使用高密度刺激电极阵列封装的线圈(功率线圈和数据线圈)的完全无线的视网膜植入物。也需要在哺乳类动物体内的视网膜植入物的适当的封装以达到较长寿命。本发明满足了这些需求和其它的需求。
发明简要概述
在一个实施方案中，本发明提供微组装装置(micropackageddevice)，该装置包括：
用于固定装置的基板；
固定至该基板的腐蚀屏障(corrosionbarrier)；
任选的至少一个馈通部，其布置在该基板中以允许至少一根输入线和/或至少一根输出线进入该微组装装置中；和
配置成封装微组装装置的封装材料层。
在某些方面中，本发明提供一种微组装装置，其包括例如薄膜基板的基板。在某些方面中，该薄膜基板包括：
第一薄膜层；
邻近该第一薄膜层的金属；和
邻近该金属以形成薄膜金属薄膜夹层(薄膜/金属/薄膜)的第二薄膜层,其中第二薄膜层具有开口，该开口具有设置在其内表面上的至少一个电触点，该开口配置成接收至少一个电路装置且在该至少一个电触点与该至少一个电路装置之间提供电气通信。
在另一个实施方案中，本发明提供用于对装置进行微组装的方法，该方法包括：
提供用于固定装置的基板；
将腐蚀屏障固定至该基板；
任选地提供至少一个馈通部(feedthrough)，该至少一个馈通部布置在该基板中以允许至少一根输入线和/或至少一根输出线进入该微组装装置中；以及，封装该微组装装置。
在一个实施方案中，本发明提供例如与封装层结合在一起的腐蚀屏障的保护架构。在某些方面中，该腐蚀屏障比单独的封装层更进一步降低水蒸汽穿透率(WVTR)。WVTR是可以辅助量化封装层(多层)和/或腐蚀保护屏障的效果的一个参数。
在某些方面中，本发明提供封装材料层连同腐蚀屏障以使微组装装置或植入物免受腐蚀性的身体体液。该腐蚀屏障可以是低渗透材料，例如玻璃、例如薄金属膜的金属、陶瓷、聚对二甲苯、硅酮、PET、PVC或它们的组合，该低渗透材料为植入物提供优于单独的封装层的更进一步的保护。
当使用以下详细描述和附随的图阅读时，这些方面和其它的方面、目的和实施方案将变得更加明显。
附图简要说明
图1示出了本发明的微组装装置的一个实施方案；
图2A至图2B示出了(A)本发明的微组装装置的分解图的一个实施方案；(B)本发明的微组装装置的该一个实施方案的层；
图3A至图3D示出(A)示出高密度多通道虚拟电阻芯片；(B)示出相应的聚对二甲苯柔性板(paryleneflex)，该聚对二甲苯柔性板也设计成且制造成与虚拟电阻芯片集成；对准之后，(C)示出通过导电环氧树脂涂刷技术，这种结构的电气连接被完成；和(D)示出每个装置的总电阻测量为约40Ω。
图4A至图4B示出了本发明的微组装装置的一个实施方案。
图5示出了在该结构中带有三个不同材料的接触面的微组装装置的一个实施方案。
图6A至图6D示出了本发明的微组装结构(scheme)中的某些接触面。
图7A至图7C示出(A)示出列表数据；(B)示出在不具有SAP的聚对二甲苯基板上的硅酮的一个方面；(C)示出在具有硅酮粘合促进剂(SAP)的聚对二甲苯基板上的硅酮。
图8A至图8B示出(A)示出相应的聚对二甲苯装置；以及(B)示出作为测试样品的聚对二甲苯装置集成在一起。
图9A至图9B示出(A)示出在主动的浸泡测试下具有玻璃封装的包装的测试样品的一个实施方案；(B)示出沿接触面具有作为主要失效的非常缓慢的底切的实施方案。
图10示出了在盐水中的本发明的微组装装置的一个实施方案。
图11A至图11B示出(A)示出电阻(y-轴)对天(x-轴)的曲线图，以及(B)示出平均失效时间(MTTF)的表格。
图12A至图12B示出(A)示出与IC芯片、线圈，和分立部件连接的视网膜植入物的示意图；(B)示出到哺乳类动物的眼睛中的植入。
图13A-J示出本发明的基板结构的制造工艺的一个实施方案；(A)示出在硅基板上的聚对二甲苯-C层；(B)示出金属沉积和剥离；(C)示出第二聚对二甲苯沉积；(D)示出作为掩模的金属；(E)示出用作构图的光刻胶；(F)示出已进行构图的光刻胶层；(G)示出已进行构图的金属层；(H)示出光刻胶的移除；(I)示出两步电极开口；且(J)示出硅酮晶片被释放。
本发明详细描述
I.实施方案
本发明的各方面涉及用作植入式医疗装置的微组装电子装置(多个装置)和/或部件(多个部件)。在一些方面中，该电子装置密闭地密封在生物性相容外壳内。图1示出了本发明的微组装装置100的一个实施方案。在某些方面中，该微组装装置100包括用于固定装置110的基板。根据本发明，各种装置可以被封装。合适的装置包括但不限于集成电路(IC)芯片、印刷电路板(PCB)、微机电系统(MEMS)、电容器、电感器、振荡器，或它们的组合。待保护的装置可以是有线PCB或无线PCB、薄膜集成装置诸如此类的。如果该部件或装置是无线的(例如，具有线圈)，整个装置可以完全封装在封罩内。较小的电子部件可以安装在印刷电路板上，这使植入物所需的空间量最小化。图1示出了装置，包括PCB105与薄膜集成装置112的组合。
微组装装置100包括腐蚀屏障120(在基板上方和在基板下方)，并且固定至基板。腐蚀屏障优选地由低渗透材料制成。合适的低渗透材料包括但不限于玻璃、金属、陶瓷、聚对二甲苯，PET、PVC，或它们的组合。在某些优选的方面中，腐蚀屏障由玻璃或例如金属膜的金属制成。基板可以具有包括用于安装电子部件和装置的凹部和/或袋形区(pocket)的任何数量的设计。随着装置与部件的数量变化，凹部和袋形区的数量也将变化，凹部和袋形区中的每一个可以具有不同的尺寸。在本发明的一些实施方案中，可能存在内部填充材料以保护部件且提供冲击强度。
在某些方面中，腐蚀屏障使用粘合剂固定至基板。例如，粘合剂可以是低渗透粘合剂。合适的粘合剂包括但不限于环氧树脂、硅酮、聚酰亚胺或它们的组合。
在某些实施方案中，本发明的微组装装置100任选地包括至少一个馈通部133、165(其以虚线示出以表示它们是任选的)，该至少一个馈通部133、165布置在基板中以允许至少一根输入线和/或至少一根输出线进入封装的微组装装置中。例如，如果装置是有线的，电缆可以离开封装以进行外部连接。基板可以集成到该装置中或基板可以是单独的部件。
在某些方面中，微组装任选地包含或布置在该基板中的，或布置在微组装外壳的底部中的至少一个气密馈通部133或气密馈通部165。在图1中示出的实施方案中，两个长形的气密馈通部133、165布置在微组装100的孔中。这样的馈通部133、165各自构造成允许输入线/输出线渗入到气密封罩或气密外壳中，而不降低该封罩的气密性。输入/输出线可以是有利于在功能性部件与其它可植入装置、外部部件诸如此类的之间传输能量、数据，或功率的例如，线(金属、铜、光纤，等)、电缆、导管诸如此类的。
在某些方面中，由于该装置可以分散在较大的表面区域上，该馈通部让更薄或更紧凑可植入部件的生产成为可能。“馈通部”可以包括穿过绝缘体(或绝缘构件)延伸的导电路径。在一些实施方案中，该导电路径将位于微组装的封装外壳或密封封罩(即，密闭地密封的外壳诸如此类的)的内部中的功能部件电连接至该气密封罩的外部的功能部件。即，在一些实施方案中，该导体提供从封罩中的绝缘体的一侧至封罩外部的绝缘体的另一侧的导电路径。
在某些方面中，本发明的微组装装置100包括硅酮封装材料层125和配置成封装该微组装装置的聚对二甲苯第二封装材料层135。在某些方面中，封装材料层是低渗透材料层。例如，该低渗透材料层可以是聚对二甲苯、金属、硅酮、陶瓷、SU-8、聚酰亚胺、聚氨酯、汽化金属、环氧树脂、钛或它们的组合。
在某些例子中，封装材料层(多层)可以是聚对二甲苯。尽管聚对二甲苯-C是一个优选的封装材料，但也可以使用其它的聚对二甲苯，例如聚对二甲苯N、聚对二甲苯C、聚对二甲苯D、聚对二甲苯HT、聚对二甲苯AM、聚对二甲苯A或它们的组合。本领域技术人员将理解的是，封装材料也可以由其它的材料构成。在某些方面中，封装材料层是例如至少2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个的多个封装材料层，或可以是甚至更多的封装材料层。每层可以相同或不同。在某些方面中，封装材料层界定外壳或封罩。在某些方面中，该外壳封装装置。在某些方面中，装置布置在基板上或基板可以集成到该装置中。在一个特别优选的实施方案中，封装材料层由硅酮和/或聚对二甲苯制成。
在某些方面中，封装材料层包括多个封装材料层。在一个方面中，封装材料层产生密闭地密封该装置和/或基板和腐蚀屏障的封闭外壳。
在一方面中，该腐蚀屏障与封闭外壳的内部同延。可选的，腐蚀屏障与封闭外壳的内部的约10％至约90％，例如20％至约60％，约50％的总面积，或与装置相当的面积同延。在其它的方面中，腐蚀屏障与封闭外壳的约5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或约99％的内部面积同延。
在一个方面中，腐蚀屏障保护金属垫(多个垫)或该装置的电子设备。该腐蚀屏障可以通过带有粘合促进剂的粘合剂附接至装置。
在某些方面中，本发明的微组装装置是可植入的假体，例如可以暂时地植入或永久地植入的完全可植入假体。封罩可以被密闭地密封以确保防止水、水蒸气和异物的进入以便保持封罩中的内藏物的正常运行和可靠性。
与这样的植入假体的通讯可以利用经皮连接器或无线通信方法进行。无线通信方法优于经皮连接器的优点是消除了与刺穿皮肤的装置相关的可能的感染或刺激的相关问题。在植入假体与外部装置之间的一些种类的通信信号包括功率信号和数据信号。功率信号可以包括从外部电源为植入假体提供功率的信号，使得例如，存在于植入假体中的电子装置或电池可以保持在合适的充电状态，或使得例如，电池可以从植入假体中去除。
在本发明的一个方面中，提供了用于例如人类的哺乳类对象中的视网膜植入物的长寿命的保护性封装。在某些方面中，封装涂层和腐蚀屏障层的运用被用于保护植入装置。在某些方面中，如在2013年3月14日提交的美国专利申请第13/830,272号中公开的并且据此通过引用并入本文的薄膜基板构架与封装材料层和腐蚀屏障一起使用。
现在转向图2A，待被封装的装置由例如玻璃或金属(例如，在该装置之上和在该装置以下)的腐蚀屏障(213、211)覆盖。例如金属膜的腐蚀屏障通常具有良好的柔性且可以保护装置的电子设备或装置本身。在某些方面中，腐蚀屏障保护电子设备所在的一侧，或其中金属垫(多个垫)被暴露的一侧。然而，当装置的更多侧被覆盖时，保护性更好。在一个方面中，在腐蚀屏障附接之后，施加粘合促进剂，浸涂硅酮221，以及然后是聚对二甲苯涂层225。
图2B示出了微组装本发明的装置的方法的一个实施方案。如图2B中所示，腐蚀屏障211、213在封装该装置前放置或布置在装置205的两侧(顶部、底部、左侧、右侧，或完全地围绕等等)上。硅酮221作为第一封装材料层被添加。第二封装材料层225是聚对二甲苯。硅酮221外部保护层或硅酮221外部封装层和聚对二甲苯224可以进一步改变以具有更好的效果。有利的，腐蚀屏障和附接部从快速扩散向缓慢底切改变失效模式。在某些方面中，这延长装置的寿命。
图3A至图3D示出了用于模拟高引脚数ASIC芯片的高密度、多通道电阻芯片(resistorchip)的实施方案。在一方面中，这些电阻芯片然后通过导电环氧树脂涂刷技术与聚对二甲苯柔性板集成，完成腐蚀屏障(例如，玻璃)和本发明的封装的组装结构。为了测试该芯片，该芯片被主动地浸泡在盐水溶液中直到故障被检测出。在某些方面中，故障可以被界定为线路电阻50％的变化。更具体地，图3A示出了高密度多通道虚拟电阻芯片。图3B示出了相应的聚对二甲苯柔性板，聚对二甲苯柔性板也被设计成并且制造成与虚拟电阻芯片集成。在对准(图3C)之后，这种结构的电气连接作为被测试的装置通过导电环氧树脂涂刷技术完成，并且每个装置的总电阻测量为约40Ω(见图3D)。
在某些方面中，微组装装置利用在电子装置上的具有近似为零的水蒸汽穿透率(WVTR)的材料，例如玻璃，或金属(金属膜)来保护内部电子设备。以这种方式，水蒸气不能穿过该材料扩散来腐蚀装置。事实上，水或生物液体在内部扩散的一种方式是侵蚀在玻璃与聚对二甲苯柔性板之间的接触面。在包括腐蚀屏障(例如，玻璃)后，另外的封装层例如粘合层，或聚对二甲苯层被施加以进一步保护该装置。
图4A至图4B示出了微组装本发明的装置的方法的一个实施方案。图4A示出了封装之前的测试装置410。装置410具有带光刻胶407和聚对二甲苯柔性板411的硅基板405。玻璃腐蚀屏障422被使用且此后粘合层435被用于封装该装置。聚对二甲苯层437可以覆盖(覆盖或封装)在粘合层上。图4B示出了腐蚀屏障422、由粘合层435组成的第一封装层和然后由聚对二甲苯层437组成的第二封装层。
在某些例子中，第二封装层或最外部壳体可以设计成具有期望的抗冲击性。例如，如果植入物设计成在对象的皮肤以下，由于装置邻近外部环境，装置可能会受到外力。在这些例子中，可能需要另外的封装层或可以使用更坚固的材料。
在另一个实施方案中，本发明提供了用于对装置进行微组装的方法，该方法包括：提供用于固定装置的基板；将腐蚀屏障固定至该基板；任选地提供布置在该基板中以允许至少一根输入线和/或至少一根输出线进入该微组装装置中的至少一个馈通部；和封装该微组装装置。
图5示出了本发明的微组装装置500的一个实施方案。在这个特别的实施方案中，在该结构中存在三个不同材料接触面。接触面1是玻璃与粘合剂505接触面；接触面2是聚对二甲苯与粘合剂521接触面；以及接触面3是硅与粘合剂531接触面。合适的粘合剂包括但不限于生物相容性硅酮和/或环氧树脂。在某些例子中，硅酮粘合促进剂(SAP)用于进一步增强粘合。在某些方面中，第一封装材料层是粘合剂517，且然后聚对二甲苯533第二封装材料层用于封装整个装置。固定该微组装的这些接触面是本发明的各发面。
在现有的植入装置中，已知的是，电化学腐蚀是一个主要的失效机理。因此，穿过保护屏障的水(蒸汽)扩散以及在导电环氧树脂和/或电极金属垫上生成的腐蚀是显著的问题。尽管可以采用更厚的屏障以延长该装置的寿命，但尺寸的增大、装置的刚度和散热成为产生的伴随问题。本发明带有腐蚀屏障的组装结构已经克服这些限制。例如，玻璃(即，对比普通的聚合物)的低水蒸汽穿透率(WVTR)和高热传导的性质使得这种结构和腐蚀(例如，湿气)屏障非常有用。
图5示出的是另外的生物相容性粘合剂与聚对二甲苯涂层可以用于处理保护。在某些实施方案中，进行了各种实验以确定哪种粘合剂和/或粘合促进剂可以用于产生持久的接触面。事实上，在某些其它方面中，本发明提供了用于该微组装的装置架构的各种接触面(例如，该三个不同的接触面(I-1、I-2和I-3))的合适的粘合剂和接触面处理。本发明提供坚固的接触面以阻止水蒸气和伴随的腐蚀。
图6A至图6D示出了在本发明的微组装结构中的某些接触面。在一方面中，可以使用例如M-121HP的生物相容的环氧树脂或例如MED-6219的生物相容性硅酮。在某些方面中，研究了在不同基板上的环氧树脂和硅酮的粘合强度。例如，研究了在具有和不具有硅酮粘合促进剂(例如，MED-160)的接触面处理的硅基板、玻璃基板、和聚对二甲苯基板上的环氧树脂和硅酮。测试的微组装装置被制造和测试。样品浸泡在高温(例如，97℃)盐水溶液中以比较底切率。如本文所使用的，术语“底切”用于描述在粘合剂与基板表面的接触面处的粘合剂的剥离率。图6A示出了硅/粘合剂接触面。图6B示出了玻璃/粘合剂接触面。图6C示出了聚对二甲苯/粘合剂接触面。图6D示出了该底切位置602、610和接触面处的剥离率。
在某些方面中，加速浸泡测试表明带有硅酮粘合促进剂(例如，MED-160)的生物相容性硅酮(例如，MED-6219)在所有被测试的材料上具有最低的底切率。因此，如图7A至图7C所示，硅酮是一种优选的粘合剂。
图7B示出的是如果不使用硅酮粘合促进剂(SAP)，在聚对二甲苯基板上存在硅酮的底切。然而，图7C示出的是使用硅酮粘合促进剂(SAP)，在聚对二甲苯基板上几乎不存在硅酮的底切。图7A中的表示出的是，使用SAP，对于所有的基板环氧树脂和硅酮两者的底切大大减小。另外，硅酮比环氧树脂更加柔性。因此，测试结果表明，使用硅酮粘合促进剂，生物相容性环氧树脂和生物相容性硅酮在不同的基板上具有更慢的底切率。根据数据，相比于环氧树脂，硅酮具有更慢的底切率。此外，硅酮更加柔性和疏水。如此，在某些方面中，硅酮被选为粘合剂而施加到这些接触面上。
很有利的，使用腐蚀屏障(例如玻璃)和封装的微组装结构，各种可植入装置和部件的寿命可以延长至超过10年。在某些例子中，电阻芯片的尺寸设计成近似6mm×6mm，同时所使用的腐蚀屏障(例如，玻璃)约10mm×10mm，所以在每侧上存在仅2mm的底切极限，其转化成大约5年/mm的使用寿命设计。在其它的例子中，体液沿腐蚀屏障与聚对二甲苯柔性板之间的接触面底切的时间可以延长。例如，如果底切长度增加至3mm，装置的寿命可以延长至大约15年。因此，更长的寿命可以通过更长的底切长度来设计。
图8A至图8B示出了相应的微组装的装置以及它们集成一起作为测试样本。如图8A中所示，聚对二甲苯805是封装材料层。另外，硅酮815是封装材料层。在这个特别的实施方案中，玻璃825用作该装置855的腐蚀屏障。图8B是带有装置865的实际的微组装结构的图片。
测试了本发明微组装的装置。本发明的可植入装置的测试结果表明潮湿是植入后失效的一个原因。因此，水蒸汽透过率(“WVTR”)是量化封装的微组装装置(其有利地包括腐蚀屏障)的效果的精确参数。
图9A示出了在主动的浸泡测试条件下具有玻璃-封装的包装的测试样品。图9A示出了在盐水915中的具有玻璃保护封装的装置，在连接上电源905后，水蒸汽可以通过厚的保护屏障逐渐扩散。然而，水蒸气不能直接侵蚀聚对二甲苯装置935。如所示，观察到的失效模式被发现是沿玻璃与硅酮粘合剂之间的接触面的非常缓慢的底切925。图9B示出了沿接触面的缓慢的底切955是失效的潜在原因。
图10示出了在盐水中的具有多层封装的装置。图11A至图11B量化了各种架构和保护结构的使用寿命。图11A是电阻(y-轴)对天(x-轴)的曲线图。平均失效时间(MTTF)可以在体温下使用近似阿伦尼斯模型来计算(见J.H.Chang,B.Lu,Y.C.Tai,Tai，DigestTech.PapersTransducers‘11Conference,Peking,2011年6月5-9日,pp.378-381)且表述成：
M T T F ~ A exp ( - E a k T ) - - - ( 1 )
其中A是指数前常数；Ea(电子伏特)是活化能；；k是波兹曼常数。失效模式基于金属垫与导电环氧树脂的严重腐蚀。保护方案A(未保护)；保护方案B是40μm的聚对二甲苯；保护方案C是5mm的硅酮和40μm的聚对二甲苯；和保护方案D是40μm的聚对二甲苯、5mm的硅酮和玻璃腐蚀屏障。保护方案D具有10.3年的平均失效时间(MTTF)(见图11B)。
图12A至图12B示出了使用本发明的适于被微组装的装置的一个实施方案。在这个例子中，本发明提供了视网膜植入物。在某些方面中，本发明提供了具有高密度多通道IC芯片、分立部件(电容、电感器、振荡器诸如此类)，和封装有高密度刺激电极阵列的线圈(功率线圈和数据线圈)的无线视网膜植入物1200。图12A示出了具有分立部件1230且与输出电子设备1210电气通信1207的视网膜植入物芯片1205的示意图。该芯片也具有数据线圈1220与功率线圈122。
如图12B中所示，该无线视网膜假体植入到哺乳类动物眼睛1240中。芯片1205与相关联的部件植入到眼睛(眼睛的近端部分)的前部中，其中电缆1242通向输出电极1210，电极阵列1270植入到眼睛的远端区域中。如图12B中所示，眼内射频线圈1245和集成的ASIC1260植入到眼睛的前部中。
在一个方面中，该待被微组装的装置是集成电路(IC)芯片。该微组装装置包括基板，诸如，例如聚对二甲苯基板的薄膜基板。
在某些例子中，该基板具有第一薄膜层、邻近第一薄膜层的金属；和邻近该金属以形成薄膜金属薄膜夹层的第二薄膜层。第一薄膜层与第二薄膜层各自独立地选自聚对二甲苯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯(Teflon)、卡普顿(Kapton)，或印刷电路板(PCB)的组。在某些方面中，第一薄膜层与第二薄膜层各自是聚对二甲苯。在某些方面中，该装置通过导电环氧树脂涂刷电连接部集成在基板中。
在某些方面中，该装置通过被用作机械胶的可光构图的粘合剂集成到基板中。可光构图的粘合剂或环氧树脂是光刻胶，例如SU-8、AZ4620、AZ1518、AZ4400、AZ9260、THB-126N、WPR-5100、BCB、聚酰亚胺，或它们的组合。本领域的技术人员将了解的是，其它光刻胶材料适合本发明。在某些方面中，聚对二甲苯基板首先用氧等离子体处理以增强结合。
在某些方面中，本发明提供了用于聚对二甲苯-基板例如柔性聚对二甲苯-C基板的制造工艺1300。在一个示例性实施方案中，图13A示出了布置在硅晶片基板1310，例如HMDS处理过的硅晶片上的5μm第一聚对二甲苯-C层(底部层)1320，第一聚对二甲苯-C层1320辅助该装置脱离，例如在蒸馏水或去离子水，优选的去离子水中释放。
接下来，如图13B中所示，邻近第一聚对二甲苯层1320(底部聚对二甲苯层)是金属1330，例如用于金属剥离的钛/金(Ti/Au)合金。该金属提供电连接。例如更厚的聚对二甲苯-C(约40μm)层的第二聚对二甲苯层1350(顶部层)然后被沉积以完成图13C中所示的聚对二甲苯-金属-聚对二甲苯夹层结构。该工艺包括提供掩模1360，例如金属掩模(例如，铝)，其沉积为聚对二甲苯-C蚀刻掩模以穿过如图13D中所示的厚的聚对二甲苯-C层进行蚀刻。该金属掩模可以是约0.1μm至约0.3μm厚。
在某些例子中，如图13E中所示，光刻胶1365用于对该金属构图。在某些实施方案中，牺牲层的厚度是约0.5μm至约2μm厚，例如约1μm厚或约0.1μm至约0.3μm厚。该牺牲层使用光刻法被优选地构图。光刻胶层的合适的材料包括但不限于SU-8、AZ4620、AZ1518、AZ4400、AZ9260、THB-126N、WPR-5100、BCB、聚酰亚胺，或它们的组合。
在某些例子中，如图13F中所示，光刻胶可以被构图1370。其后，如图13G中所示，金属(例如，铝)被构图。光刻胶其后被移除(图13H)。电极位置1372、1375和装置外形1380通过反应离子蚀刻(例如，图13I中所示的2-步O2等离子体蚀刻)或可以使用的深反应离子蚀刻(DRIE)来界定。如图13J中所示该装置从晶片释放。
尽管前述的示例使用聚对二甲苯-C，但本文中的工艺和该装置的实施方案并不局限于此。也可以使用其它的聚对二甲苯，例如聚对二甲苯-N、聚对二甲苯-C、聚对二甲苯-D、聚对二甲苯-HT、聚对二甲苯-AM、聚对二甲苯-A或它们的组合。聚对二甲苯-C是优选的聚对二甲苯。尽管聚对二甲苯是优选的基板，但本领域的技术人员将理解的是，该材料可以是其它的薄膜聚合物，例如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、卡普顿，或印刷电路板(PCB)诸如此类的。
用于基板设计和/或载体设计的其它有用的材料包括但不限于硅、玻璃、钢、G10-FR4，或任何其它的FR4家族环氧树脂等。在一些实施方案中，硅基板在制造过程中仅被用作载体并且因此在封装完成前被移除。在其它的实施方案中，该载体成为封装的一体的部分。
在某些方面中，用在该方法中的硅晶片使用1,1,1,3,3,3-六甲基二硅氮烷(HMDS)处理。本领域技术人员将理解的是，其它的处理可以用于将聚对二甲苯结构从硅晶片释放。
在某些方面中，第一聚对二甲苯层1320与第二聚对二甲苯层1350通过化学气相沉积(CVD)沉积在硅基板上。该第一层具有在约0.1μm至约100μm之间厚的厚度，例如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm，或100μm。优选地，第一聚对二甲苯层(底部层)的厚度在约1μm至约10μm之间厚，例如约1μm、约2μm、约3μm、约4μm、约5μm、约6μm、约7μm、约8μm、约9μm，或约10μm。
通常第二聚对二甲苯层1350(顶部层)比第一聚对二甲苯层1320厚。在一个例子中，第二聚对二甲苯层的厚度在10μm至200μm之间，例如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm或甚至更厚。优选地，第二聚对二甲苯层的厚度在20μm至60μm之间，例如约20μm、约21μm、约22μm、约23μm、约24μm、约25μm、约26μm、约27μm、约28μm、约29μm、约30μm、约31μm、约32μm、约33μm、约34μm、约35μm、约36μm、约37μm、约38μm、约39μm、约40μm、约41μm、约42μm、约43μm、约44μm、约45μm、约46μm、约47μm、约48μm、约49μm、约50μm、约51μm、约52μm、约53μm、约54μm、约55μm、约56μm、约57μm、约58μm、约59μm或约60μm厚。
在某些方面中，用于剥离的金属1330是钛/金(Ti/Au)合金。然而，其它的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或它们的组合。本领域技术人员将会了解对本发明有用的其它的金属。
该工艺包括提供掩模，例如沉积为聚对二甲苯-C蚀刻掩模的金属掩模以穿过第二聚对二甲苯-C层进行蚀刻。通常，蚀刻是通过金属掩模进行掩模的反应离子蚀刻(RIE)。另外，可以使用深反应蚀刻(DRIE)。其它的合适的掩模材料也是有用的。RIE可以是氧等离子体蚀刻。
本领域技术人员将理解的是，本文描述的聚对二甲苯装置的聚对二甲苯层不限于两个聚对二甲苯层。另外，聚对二甲苯装置的金属不限于单一的金属。聚对二甲苯装置基于夹层结构。只要金属由顶部聚对二甲苯层与底部聚对二甲苯层夹在中间，可以存在堆叠在基板上多个层。另外，可以存在多个掩模以打开电极且界定装置(多个装置)的外形。
在某些例子中，描述的工艺用于在载体(例如，硅晶片)上产生多个聚对二甲苯-金属-聚对二甲苯夹层，例如多个夹层，包括2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个聚对二甲苯-金属-聚对二甲苯夹层。尽管该工艺只描述了产生1个夹层，本领域技术人员将理解的是，该工艺可以重复以产生任何数量的夹层。
在某些方面中，本发明的薄膜(例如，聚对二甲苯)基板集结(host)电子部件，例如专用集成电路(ASIC)，专用集成电路通过金属化迹线例如约3.7μm宽的金属化迹线的相互连接。在一个实施方案中，制造的柔软的聚对二甲苯-C基板与IC芯片和其它的分立部件连接。在某些其它方面中，本发明的基板或微模块包含各种部件，包括但不限于一个或多个集成电路、ASIC、相互连接层、散热片、导电通孔、无源器件、MEMS器件、传感器、预制造电气部件、晶体管、电阻器、电容器、电感器、微型泵和滤波器。部件以各种不同的方式布置在该模块内且堆叠在该模块内。该层和模块的部件可以被沉积，且可以使用例如旋涂、平版印刷和/或电镀处理的各种常规的晶片级加工技术加工。
除所描述的聚对二甲苯封装外，该聚对二甲苯封装可以包括许多其它类型的装置和部件。该封装也可以包含几乎任何数量的有源装置和/或无源装置。这样的有源装置和/或无源装置的示例包括电阻器、电容器、振荡器、磁芯、MEMS器件、传感器、电池、通信器件、集成薄膜电池结构、电感器诸如此类。这些装置可以定位在封装内的各种位置和/或堆叠在封装内的各种位置。部件可以采用的预制的分立部件的形式，或可以就地形成。用于产生本封装的基于光刻的工艺的一个优点是，这些部件和其它的部件可在封装形成期间就地形成。即，当预制时，分立部件可以放置在封装内的几乎任何位置，部件也可以使用例如常规的溅射和/或电镀的任何合适的技术直接制造在任何光构图的层上。
应理解，本文中描述的示例和实施方案用于仅仅说明性的目的并且根据其的多种修改或变化将会启发本领域技术人员并且应当包括在本申请的精神和范围内以及所附权利要求的范围内。出于全部目的，本文引用的所有的出版物、专利，和专利申请据此通过引用以其整体并入。

Claims (49)

1.一种微组装装置，所述微组装装置包括：
基板，其用于固定装置；
腐蚀屏障，其固定至所述基板；
至少一个馈通部，其布置在所述基板中以允许至少一根输入线和/或至少一根输出线进入所述微组装装置；和
封装材料层，其配置成封装所述微组装装置。
2.根据权利要求1所述的微组装装置，其中，所述装置是选自包含集成电路(IC)芯片、印刷电路板(PCB)、微机电系统(MEMS)、电容器、电感器、振荡器，以及它们的组合的组的一员。
3.根据权利要求1所述的微组装装置，其中，所述腐蚀屏障由低渗透材料制成。
4.根据权利要求3所述的微组装装置，其中，所述低渗透材料是选自包含玻璃、金属、陶瓷、聚对二甲苯、PET、PVC以及它们的组合的组的材料。
5.根据权利要求4所述的微组装装置，其中，所述腐蚀屏障由玻璃制成。
6.根据权利要求4所述的微组装装置，其中，所述腐蚀屏障由金属制成。
7.根据权利要求6所述的微组装装置，其中，所述金属是金属膜。
8.根据权利要求1所述的微组装装置，其中，所述腐蚀屏障使用粘合剂固定至所述基板。
9.根据权利要求8所述的微组装装置，其中，所述粘合剂是低渗透粘合剂。
10.根据权利要求8所述的微组装装置，其中，所述粘合剂是选自包含环氧树脂、硅酮和聚酰亚胺的组的一员。
11.根据权利要求1所述的微组装装置，其中，所述封装材料层是低渗透材料。
12.根据权利要求11所述的微组装装置，其中，所述低渗透材料层选自包含聚对二甲苯、金属、硅酮、陶瓷、汽化金属、环氧树脂、钛以及它们的组合的组。
13.根据权利要求11所述的微组装装置，其中，所述封装材料层选自包含聚对二甲苯、硅酮以及它们的组合的组。
14.根据权利要求1所述的微组装装置，其中，所述封装材料层包括多个封装材料层。
15.根据权利要求1所述的微组装装置，其中，所述封装材料层产生封闭的外壳，所述外壳密闭地密封所述基板和所述腐蚀屏障。
16.根据权利要求15所述的微组装装置，其中，所述腐蚀屏障与所述封闭的外壳的内部同延。
17.根据权利要求15所述的微组装装置，其中，所述腐蚀屏障与所述封闭外壳的所述内部的约10％至约90％的总面积同延。
18.根据权利要求15所述的微组装装置，其中，所述腐蚀屏障与所述封闭外壳的所述内部的约30％至约60％的总面积同延。
19.根据权利要求1所述的微组装装置，其中，所述微组装装置是视网膜前植入物集成装置。
20.根据权利要求1所述的微组装装置，其中，所述基板是薄膜基板。
21.根据权利要求20所述的微组装装置，其中，所述薄膜基板包括：
第一薄膜层；
金属，其邻近所述第一薄膜层；
第二薄膜层，其邻近所述金属以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，所述开口配置成接收至少一个电路装置且在所述至少一个电触点与所述至少一个电路装置之间提供电气通信。
22.根据权利要求21所述的微组装装置，其中，所述薄膜基板从所述封闭外壳延伸至外表面。
23.根据权利要求22所述的微组装装置，其中，所述外表面包括与所述基板电气通信的电极阵列。
24.根据权利要求22所述的微组装装置，其中，所述外表面从所述封闭外壳穿过所述馈通部延伸。
25.根据权利要求22所述的微组装装置，其中，所述基板至所述外表面的延伸部由选自包含聚对二甲苯、硅酮，或金属合金的组的材料制成。
26.根据权利要求21所述的微组装装置，其中，具有至少一个电路的所述装置是集成电路(IC)芯片。
27.根据权利要求20所述的微组装装置，其中，所述薄膜基板是聚对二甲苯基板。
28.根据权利要求27所述的微组装装置，其中，所述第一薄膜层与所述第二薄膜层各自独立地选自包含聚对二甲苯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、卡普顿，或印刷电路板(PCB)的组。
29.根据权利要求28所述的微组装装置，其中，所述第一薄膜层与所述第二薄膜层各自是聚对二甲苯。
30.根据权利要求26所述的微组装装置，其中，所述装置通过导电环氧树脂涂刷电连接集成在所述基板中。
31.根据权利要求26所述的微组装装置，其中，所述装置通过用作机械胶的可光构图的粘合剂集成到所述基板中。
32.根据权利要求31所述的微组装装置，其中，所述可光构图的粘合剂或环氧树脂是光刻胶。
33.根据权利要求32所述的微组装装置，其中，所述光刻胶是选自包含SU-8、AZ4620、AZ1518、AZ4400、AZ9260、THB-126N、WPR-5100、BCB，以及聚酰亚胺的组的一员。
34.根据权利要求27所述的微组装装置，其中，所述聚对二甲苯基板首先由氧等离子体处理以增强结合。
35.一种用于对装置进行微组装的方法，所述方法包括：
提供用于固定装置的基板；
将腐蚀屏障固定至所述基板；
任选地提供布置在所述基板中的至少一个馈通部以允许至少一根输入线和/或至少一根输出线进入所述微组装装置中；和
封装所述微组装装置。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述装置是选自包含集成电路(IC)芯片、印刷电路板(PCB)、微机电系统(MEMS)、电容器、电感器、振荡器，以及它们的组合的组的一员。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述腐蚀屏障由低渗透材料制成。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述低渗透材料是选自包含玻璃、金属、陶瓷、聚对二甲苯、PET、PVC以及它们的组合的组的材料。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述腐蚀屏障由玻璃制成。
40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述腐蚀屏障由金属制成。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述金属是金属膜。
42.根据权利要求35所述的方法，其中，所述腐蚀屏障通过粘合剂固定至所述基板。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述粘合剂是低渗透粘合剂。
44.根据权利要求42所述的方法，其中，所述粘合剂是选自包含环氧树脂、硅酮和聚酰亚胺的组的一员。
45.根据权利要求35所述的方法，所述封装材料层是低渗透材料。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述低渗透材料层选自包含聚对二甲苯、金属、硅酮、陶瓷、汽化金属、环氧树脂、钛以及它们的组合的组。
47.根据权利要求45所述的方法，其中，所述封装材料层选自包含聚对二甲苯、硅酮以及它们的组合的组。
48.根据权利要求35所述的方法，其中，所述封装材料层包括多个封装材料层。
49.根据权利要求35所述的方法，其中，所述封装材料层产生密闭地密封所述基板与所述腐蚀屏障的封闭外壳。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20160210

Assignee: Weizhi medical apparatus Co., Ltd.|Golden Eye intelligent biomedical Co., Ltd.

Assignor: California Institute of Technology

Contract record no.: 2018990000276

Denomination of invention: Long-term packaging for the protection of implant electronics

License type: Common License

Record date: 20181019

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
GR01 Patent grant
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