CN105432156A - 微制造群组电镀技术 - Google Patents

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Abstract

描述了用于在电缆或其它设备上电镀彼此电隔离的多个微观尺寸电极的方法以及由该方法生产的设备。通过将金属片材或其它导电材料沉积在局部区域之上，使在电缆的另一端部上连接的局部区域一起短路。金属片材连接至电源的端子，并且电缆的电极端部浸在电解质溶液中以便通过电镀电解沉积。在电镀电极后，从电缆除去金属片材以便重新隔离电极。

Description

微制造群组电镀技术
相关申请交叉引用
本申请要求2013年9月17日提交的第61/878,992号美国临时专利申请的权益，其全部内容为所有目的通过引用并入本文。
关于对在联邦资助的研究或开发下进行的发明的权利的声明
本发明是在美国政府支持下，在美国国家科学基金会资助的基金ECC0310723下做出的。联邦政府在本发明中拥有某些权利。
背景
1.技术领域
本发明的实施例通常涉及制造通过外科手术移植的电子设备，具体地，涉及与组织如眼睛的视网膜连接的电极阵列。
2.背景技术
老年性黄斑变性(AMD)和色素性视网膜炎(RP)是人眼的两种最常见的外视网膜变性疾病。使用视网膜假体有希望让患有所述疾病的人看得见。绕过有缺陷的外视网膜感光细胞并直接电刺激内视网膜神经元的视网膜假体，已让一些患有AMD和RP的盲人感知光。
应当认识到，这些早期假体仅涉及在神经元上的非常少数量的刺激电极。为实现面部识别或大号文字读取，下一代视网膜假体设备可使用1024个或更多刺激电极。1024-电极移植物可被构造为32×32的正方形的电极阵列或矩形、圆形或其它形状的具有不同数量的电极。
由于对眼球手术切口限制，以及为匹配黄斑的大小，1024个刺激电极彼此应布置在7毫米(mm)×7mm内的小区域内。因此，每个电极应足够小以适合分配的区域，并且给予可接受的空间分辨率。然而，较小的电极具有高阻抗，因为它们小。高阻抗导致高电荷密度，这可能导致对组织的损坏。
本领域中存在对改善的生物相容电极和制造技术的需要。
背景技术部分中讨论的主题不应被认为是现有技术，而仅作为在背景技术部分中其提及的结果。类似地，背景技术部分中提及的或与背景技术部分的主题相关联的问题，不应被认为已在现有技术中被预先认识到。背景技术部分中的主题仅表示不同的方法，其本身也可为发明。
简要概述
通常，电镀技术被描述为可扩展到数百、数千或更多单独电极，所述电极彼此电隔离但通过电缆或其它设备连接至用于集成电路(IC)芯片的表面安装区域。通过化学气相沉积(CVD)或以其它方式将金属或其它导电材料的连续片材可沉积到表面安装区域上，有效地将表面安装区域的所有导电垫连接在一起。因为表面安装区域的所有导电垫电连接在一起，所以电缆另一端的电极也电连接在一起。金属片材然后通过单一连接点连接至电镀电源而具有电极的另一电缆端浸在用于电镀的电解质溶液中。电镀完成后，通过蚀刻、剥离或其它方式除去金属片材以再次电隔离电极。
已发现，用铂黑(Pt黑)电镀电极，通过产生粗糙表面并增大与身体组织连接的表面区域，降低每个电极的阻抗。还描述了借助制造方法生产的生物相容带状电缆装置，其可与IC芯片连接并植入体内。
本发明的一些实施例涉及在带状(或其它)电缆上电镀许多电极的方法。该方法包括：提供具有第一端部的带状电缆，所述第一端部具有多个布置在表面安装阵列中的导电垫，每个导电垫各自地通过导电体经由带状电缆连接至在带状电缆的第二端部处的相应电极；将导电材料的连续片材沉积在表面安装阵列之上，使得导电垫彼此电短路；使在带状电缆的第二端部处的电极浸在电解质溶液中；连接电源至在第一端部处的导电材料片材，从而同时将电源连接至在第二端部处的电极；使用电源和电解质溶液电镀电极；以及从表面安装阵列除去导电材料的连续片材以使导电垫彼此电隔离。
表面安装阵列中的导电垫各自的宽度可小于100微米(μm)并且与彼此距离小于100μm。带状电缆可完全由适合植入哺乳动物中的生物相容材料构成。电镀可包括用铂黑电镀电极。沉积可包括热蒸发或化学气相沉积。方法可包括：将导电材料的连续片材沉积在带状电缆的第一端部之上，使得导电材料的连续片材大于表面安装阵列；将光致抗蚀剂施加到带状电缆的第一端部；将光掩膜曝露于电缆的第一端部；以及除去过量的导电材料以留下在表面安装阵列之上的导电材料的连续片材。沉积可包括将导电胶带粘附到表面安装阵列。除去可包括从表面安装阵列剥离连续片材。连续片可包括选自由铝、金、铂、银和钛组成的组的材料。电镀可包括用选自由纯铂、金和铱组成的组的金属电镀电极。表面安装阵列可为正方形或矩形，并且它可为平面的。表面安装阵列在导电垫之间可具有固定间距。微制造带状电缆可使用光致抗蚀剂、光掩膜、蚀刻和化学气相沉积。该方法可进一步包括将集成电路(IC)芯片或IC插座安装到带状电缆的表面安装阵列。IC芯片可包括在IC芯片的底部上处于二维阵列中的多个金属垫，IC芯片的每个金属垫通过导电环氧树脂连接至带状电缆的表面安装阵列。
一些实施例涉及在带状(或其它)电缆上电镀许多电极的方法。该方法包括：提供具有第一端部的带状电缆，该第一端部具有适于与一个或更多电部件连接的多个导电垫，每个导电垫各自地通过导电体连接至局部抽头区域(localizedtaparea)中的相应导线并且经由带状电缆连接至在带状电缆的第二端部处的相应电极；将导电材料的连续片材沉积在局部抽头区域之上，使得导线彼此电短路；使在带状电缆的第二端部处的电极浸在电解质溶液中；将电源连接至导电材料的片材，从而同时将电源连接至在第二端部处的电极；使用电源和电解质溶液电镀电极；以及从局部抽头区域除去导电材料的连续片材以使导线彼此电隔离。
一些实施例涉及生物相容带状电缆装置。该装置包括：具有第一端部的生物相容带状电缆，该第一端部具有布置在表面安装阵列中的多个导电垫，每个导电垫各自地通过导电体经由带状电缆连接至在带状电缆的第二端部处的相应电极；以及在每个电极之上的铂黑(Pt黑)镀层，该镀层使电极的表面面积增大超过相应的未电镀的电极。
表面安装阵列中的导电垫各自的宽度可小于100μm并且与彼此距离小于100μm。带状电缆电极可以可操作性地与眼球内的视网膜神经节细胞连接。
可通过参考本说明书的剩余部分和附图，实现对在此公开和提议的实施例的性质和优点的进一步理解。
附图简述
图1为根据实施例的带状电缆的透视图。
图2为根据实施例的带状电缆的示意图，其中电极通过外科手术匹配到眼球。
图3示出根据实施例的可穿戴发射器组件。
图4A示出根据实施例的在带状电缆上沉积金属迹线(trace)和电极。
图4B示出根据实施例的埋置迹线并留下电极外露。
图4C示出根据实施例的沉积导电材料的连续片材。
图4D示出根据实施例的电镀的结果。
图4E示出根据实施例的除去导电片材。
图5A示出根据实施例的沉积聚对二甲苯。
图5B示出将金属沉积在图5A的聚对二甲苯之上。
图5C示出将聚对二甲苯沉积在图5B的金属之上。
图5D示出根据实施例的将光致抗蚀剂作为掩膜施加在图5C的工件之上以使电极外露。
图5E示出外露图5D的电极。
图5F示出除去图5E的光致抗蚀剂的结果。
图5G示出将铝沉积在图5F的工件之上。
图5H示出将光致抗蚀剂作为掩膜施加以图案化图5G的铝。
图5I示出图案化图5H的铝的结果。
图5J示出从图5I的工件除去除铝的分接头外的所有。
图5K示出从图5K的工件除去光致抗蚀剂的结果。
图5L示出施加电压到铝的分接头以电镀图5L的工件。
图5M示出从图5L的工件除去分接头的结果。
图6图示根据实施例的电镀系统。
图7示出根据实施例的实验室电镀系统。
图8示出根据实施例的双金属层电极阵列的近视图。
图9A为镀前电极的图像。
图9B为根据实施例的镀后电极的图像。
图10为根据实施例的工艺的流程图。
图11为根据实施例的工艺的流程图。
参考说明书的剩余部分(包括附图和权利要求)，将认识到本发明的其它特征和优点。关于附图，在下文详细描述本发明的进一步特征和优点，以及本发明的各种实施例的结构和操作。在附图中，相似标识号表示相同或功能类似的要素。
详细描述
通常描述关于借助铂黑(Pt-黑)或其它镀物质的群组电镀技术以改性多电极阵列的表面的各方面，所述多电极阵列可在下一代1024像素视网膜移植物上使用。这种方法不仅时间高效而且处理友好。
可通过粘附、溅射、热蒸发将电缆一端上的大量的隔离电极电镀到电缆的另一端之上，或以其它方式将金属片材沉积在电缆的另一端之上，其中IC或其它部件将搁置在电缆另一端以与电极连接。金属片材用作电镀电源的普通的接触点。同时，电缆的带有电极的另一端浸在电解液中作为阴极(或阳极)。待镀的金属或其它导电物质浸在电解液中作为阳极(或阴极)。电极电镀后，从IC将搁置的接触处剥离、溶解或以其它方式除去金属片材，并且然后连接IC(或其它部件)。
本发明各方面的技术优点为，大量电隔离的电极均可同时快速且有效地被镀，而不必手动地电连接至每个电极。由此产生的电镀可增大每个电极的表面粗糙度，增大与生物对象中的组织接触的表面面积，降低阻抗，并且增大电容。电镀可使电极在哺乳动物如人类的腐蚀性体液中也持续更久。
图1为根据实施例的接近完成的带状电缆的透视图。系统100包括带状电缆102，其具有部分104，在部分104上连接了IC芯片126。电容器124、电源线圈120和数据线圈122通过埋置在带状电缆102的电迹线132连接至IC芯片126。
导电体迹线132从带状电缆部分104经由中心部分106并行进到带状电缆部分116上。带状电缆102具有部分116，电极阵列128整体形成到所述部分116中。
“整体形成”零件包括与彼此同时沉积、蚀刻、固化或形成从而结果是它们通过共同的材料与彼此连接的那些零件，或如本领域已知的其它的那些零件。
带状电缆上“纵向”方向是电缆的最长测量的方向，或如本领域已知的其它方向。例如，附图中纵向方向为在带状电缆的线圈端部与电极端部之间延伸的方向。
带状电缆上“横向”方向是垂直于纵向方向且在带状电缆的平面内的方向，或本领域已知的其它方向。例如，附图中横向方向为从电缆的远侧(页面中)允许至近侧的方向。
带状电缆的“高度”包括最小尺寸的方向，或如本领域已知的其它方向。例如，附图中带状电缆的高度为在页面的平面中垂直延伸的方向。
“带状电缆”包括具有扁平的部分的任何电缆，其中导体在扁平的部分中并排延伸，或本领域已知的其它电缆。可使用经典方法微制造或构造带状电缆。
在带状电缆102附接IC126前，将根据实施例电镀带状电缆102的电极。随后，电缆可用于手术移植中。
图2为根据实施例的带状电缆的示意图，其中电极通过外科手术匹配到眼球。聚对二甲苯带状电缆202穿过眼壁，允许电极阵列228刺激眼球视网膜，具体地刺激眼球内视网膜神经节细胞。专用集成电路(ASIC)226和接收器线圈220被缝合在结膜与眼睑之间。
图3示出根据实施例的可穿戴发射器组件。
外部单元300包括容纳在发射器组件308中的发射器线圈306。发射器组件308通过眼镜312定位到使用者的眼睛的侧部。除眼镜外的其它定位装置是可设想的。
眼镜312托住微型摄像310和影像处理器304，它们通过电缆302连接至适配器318。电缆314将适配器318的另一端口连接至电池组316，该电池组316可佩戴在腰带上。
图4A至图4E示出根据实施例的群组电镀技术的工艺流程。
在图4A中，钛和/或金的金属层沉积在聚对二甲苯的顶部上以制备工件400。导电垫440的局部抽头区域442在工件400的左侧上，该导电垫440适于与一个或更多电部件连接，如IC芯片、电容器、电阻器、电感器、晶体管和其它部件。它们通过导电金属连接至电导线432，该电导线432从第一端部446延伸至电缆工件的另一端部448。每个电导线432连接至单一电极444。
“生物相容”材料包括已由政府机构确定以避免被体液长时间腐蚀以及无毒的那些材料。钛、金、聚对二甲苯和聚酰亚胺在可用于人类的许多生物相容材料之中。例如，作为美国药典委员会(USP)第VI类生物相容聚合物，聚对二甲苯已经证实具有生物相容性。
导电垫440可为金属端子、焊盘、连接垫，或适于附接电部件的其它导电结构。对于IC芯片部件，导电垫可经构造与球栅阵列(BGA)、针栅阵列(PGA)、四方扁平封装(QFP)IC芯片匹配。优选，导电环氧树脂胶刮技术(conductiveepoxysqueegeetechnique)与可光致粘合剂(photo-pattenableadhesive)组合，为具有适当端子的高精益计数IC芯片实现高连接产率。
合适的导电环氧树脂胶刮技术在2011年中国北京第16届固态传感器、执行器和微系统(换能器2011)国际会议文集的第378-381页的JayH.C.Chang,RayHuang,andY.C.Tai的“Highdensity256-channelchipintegrationwithflexibleParylenepocket”中进行描述，其在此通过引用并入。
在图4B中，聚对二甲苯沉积在金属层的顶部上，以足以埋置大部分电缆的电导线但保持导电垫440和电极444的部分完整。
在图4C中，铝涂层450通过热蒸发施加到局部抽头区域442中的导电垫440，从而导线432(图4A)和电极444通过导电铝涂层450一起电短路。
在图4D中，使用与导电金属的片材450连接的电源，将铂黑电镀在端部448处的暴露电极444之上。
在图4E中，导电铝分接头450从端部446去除以暴露导电垫440。
图5A-图5M示出制造具有电镀电极的带状电缆的微制造步骤。
图5A示出沉积在硅氧烷的平坦表面上以制造工件550的开端的聚对二甲苯聚合物的底层。
图5B示出沉积到聚对二甲苯上的迹线、导电垫、电极和其它特征的金属层552。这可在沉积金属、光掩膜和曝光以及蚀刻的若干步骤中发生。
图5C示出沉积在金属层552之上以封装和埋置金属层552的聚对二甲苯层554。
图5D示出在工件550的顶部上图案化的光致抗蚀剂层556。光致抗蚀剂层556的图案包括开向用于导电垫和电极的金属层的区域。
图5E示出在聚对二甲苯的未被显影的光致抗蚀剂覆盖的未保护区域中，溶解或蚀刻去聚对二甲苯的结果。未覆盖区域中的聚对二甲苯被全部除去直到金属层552，以产生通向工件550的金属导电垫和电极的开口558。
图5F示出从先前的操作除去光致抗蚀剂层的结果。
图5G示出通过热蒸发将铝层560沉积在工件550之上。该层将成为导电分接头，其使所有导电分接头一起短路。还可使用其它金属，如钛。优选，用于分接头的导电材料稍后应能够通过蚀刻、剥离或其它方法被完全除去，而不损坏导电垫或下方的绝缘聚对二甲苯。
图5H示出施加在铝层560之上的光致抗蚀剂层562。
图5I示出光致抗蚀剂层562被掩膜、曝光和洗涤以显露出铝层560的将被除去的部分。
图5J示出铝层560的在光致抗蚀剂层562下的剩余的分接头部分，减去了铝层560的覆盖电缆的其它部分的部分。剩余的部分560作为导电分接头使所有导电垫(和电极)一起短路。
在一些实施例中，导电胶带粘附到电缆的具有导电垫的端部，这使导电垫一起短路。使用导电胶带可避免图5G-图5I中所示的金属沉积、掩膜等操作。然而，导电胶带可不适当地粘结到每一个导电垫，该导电垫的宽度可为100μm且彼此距离100μm，并且从电缆表面稍微地凹进。
图5K示出除去光致抗蚀剂层后的工件550和铝层560。
图5L示出使用连接到用于电镀电压源的铝分接头560的单一连接夹子564进行电镀的工件550。当电缆的具有电极的另一端部浸在电解质溶液时，电极全部被镀以镀材料566。
图5M示出除去电压源和铝分接头的工件550，留下具有各镀有镀材料566的电极的带状电缆550。可通过蚀刻溶液溶解除去铝分接头。
如果导电胶带用于分接头，它可被剥离。铝、金、铂、银、钛和其它金属和非金属可为暂时使导电垫一起短路的合适的导电材料。
导电垫的阵列可为规则间隔的阵列或随机间隔的或非规则间隔的。阵列可为正方形、矩形、圆形或其它形状。阵列可为平面的，或在高度上可变化。
图6图示出根据实施例的电镀系统。在系统600中，电压源脉冲发生器674与1MΩ电阻器672串联连接以在镀过程中供给相对稳定的电流。示波器670监控经过电阻器的电压，从该电压可得到镀电流。
容器676容纳电解质溶液678，铂对电极680和带状电缆的电极端部682浸在该电解质溶液678中的相对的端部。电源674的正端子连接至对电极680。电源674的负端子连接在导电片682处的一个位置，该导电片682经由带状电缆电连接至每一个电极644。在示例性实施例中施加5伏电位。
图7示出根据实施例的电镀系统。在实验室设置中，用于负电压的鳄鱼夹与带状电缆的导电分接头682连接，将负电压连接至电极644。电极644浸在电解质溶液678中。铂对电极680也浸在电解质溶液678中，该铂对电极680通过鳄鱼夹附接至电源的正电压。
示出了具有16-电极阵列的试样，每个阵列具有66μm×66μm的电极尺寸。为待电镀在硅晶片上的试样设计了定制支架，该定制支架是机械可靠的。
图8示出根据实施例的双金属层电极阵列的近视图。双金属层电极阵列可比单一金属层在较小量的区域中装填更多用于电极的线。在电极阵列828中，导电垫840经由通路连接至底层迹线844，该底层迹线844在顶层迹线846下面延伸。导电垫842连接至顶层迹线846。可根据描述的方法镀每一个电极。
图9A为镀前的电极的图像。围绕每个正方形电极的黑暗区域是显微照片的假象；围绕每个正方形的黑暗区域只是在边框(bezel)中向下倾斜以满足正方形金属电极的聚对二甲苯。
图9B为根据实施例的镀后的电极的图像。在该显微照片中，电极镀有铂黑，其在图像中呈现为完全黑的。
图10为根据实施例的工艺1000的流程图。在操作1001中，提供具有第一端部的电缆，该第一端部具有多个布置在表面安装阵列中的导电垫，每个导电垫各自通过导电体经由电缆连接至在电缆的第二端部处的相应电极。在操作1002中，导电材料的连续片材沉积在表面安装阵列之上，使得导电垫彼此电短路。在操作1003中，在电缆的第二端部处的电极浸在电解质溶液中。在操作1004中，电源连接至在第一端部处的导电材料的片材，从而同时将电源连接至在带状电缆的第二端部处的电极。在操作1005中，使用电源和电解质溶液电镀电极。在操作1006中，从表面安装阵列除去导电材料的连续片材以使导电垫彼此电隔离。
图11为根据实施例的工艺1100的流程图。在操作1101中，电缆具有第一端部，该第一端部具有适于与一个或更多电部件连接的多个导电垫，每个导电垫各自通过导电体连接至局部抽头区域中的相应导线并且经由电缆连接至在电缆的第二端部处的相应电极。在操作1102中，导电材料的连续片材沉积在局部抽头区域之上，使得导线彼此电短路。在操作1103中，使在电缆的第二端部处的电极浸在电解质溶液中。在操作1104中，电源连接至导电材料的片材，从而同时将电源连接至在第二端部处的电极。在操作1105中，使用电源和电解质溶液电镀电极。在操作1106中，从局部抽头区域除去导电材料的连续片材以使导线彼此电隔离。
已参考各种具体的和说明性的实施例描述本发明。然而，应当理解，可做许多变型和修改，同时保持在随附权利要求的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种在电缆上电镀多个电极的方法，所述方法包括：
提供具有第一端部的电缆，所述第一端部具有布置在表面安装阵列中的多个导电垫，每个导电垫各自通过导电体经由所述电缆连接至在所述电缆的第二端部处的相应电极；
将导电材料的连续片材沉积在所述表面安装阵列之上，使得所述导电垫彼此电短路；
将在所述电缆的所述第二端部处的所述电极浸在电解质溶液中；
将电源连接至在所述第一端部处的所述导电材料的片材，从而同时将所述电源连接至在所述第二端部处的所述电极；
使用所述电源和所述电解质溶液电镀所述电极；以及
从所述表面安装阵列除去所述导电材料的连续片材以使所述导电垫彼此电隔离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面安装阵列中的所述导电垫各自的宽度小于100μm并且彼此距离小于100μm。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述电缆由适合植入哺乳动物内的生物相容材料构成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述电镀包括用铂黑电镀所述电极。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述沉积包括热蒸发或化学气相沉积。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，还包括：
将所述导电材料的连续片材沉积在所述电缆的所述第一端部之上，使得所述导电材料的连续片材大于所述表面安装阵列；
将光致抗蚀剂施加到所述电缆的所述第一端部；
将光掩膜暴露于所述电缆的所述第一端部；以及
除去过量的导电材料以留下在所述表面安装阵列之上的所述导电材料的连续片材。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述沉积包括将导电胶带粘附到所述表面安装阵列。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述除去包括从所述表面安装阵列剥离所述连续片材。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述连续片材包含选自由铝、金、铂、银和钛组成的组的材料。
10.根据权利要求1-3或权利要求5-9中任一项所述的方法，其中所述电镀包括用选自由纯铂、金和铱组成的组的金属电镀所述电极。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述表面安装阵列为正方形或矩形。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述表面安装阵列为平面的。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述表面安装阵列在导电垫之间具有固定间距。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，还包括：
通过使用光致抗蚀剂、光掩膜、蚀刻和化学气相沉积来微制造所述电缆。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，还包括：
将集成电路(IC)芯片或IC插座安装到所述电缆的所述表面安装阵列。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述IC芯片包括在所述IC芯片的底部上处于二维阵列中的多个金属垫，所述IC芯片的每个金属垫通过导电环氧树脂连接至所述电缆的所述表面安装阵列。
17.一种在电缆上电镀多个电极的方法，所述方法包括：
提供具有第一端部的电缆，所述第一端部具有适于与一个或更多电部件连接的多个导电垫，每个导电垫各自通过导电体连接至局部抽头区域中的相应导线，并且经由所述电缆连接至在所述电缆的第二端部处的相应电极；
将导电材料的连续片材沉积在所述局部抽头区域之上，使得所述导线彼此电短路；
将在所述电缆的所述第二端部处的所述电极浸在电解质溶液中；
将电源连接至所述导电材料的片材，从而同时将所述电源连接至在所述第二端部处的所述电极；
使用所述电源和所述电解质溶液电镀所述电极；以及
从所述局部抽头区域除去所述导电材料的连续片材以使所述导线彼此电隔离。
18.一种生物相容电缆装置，所述装置包括：
具有第一端部的生物相容电缆，所述第一端部具有布置在表面安装阵列中的多个导电垫，每个导电垫各自通过导电体经由所述电缆连接至在所述电缆的第二端部处的相应电极；以及
在每个电极之上的铂黑镀层，所述镀层使所述电极的表面面积增大超过相应未电镀的电极。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述表面安装阵列中的所述导电垫各自的宽度小于100μm并且彼此距离小于100μm。
20.根据权利要求18-19中任一项所述的装置，其中所述电缆电极操作性地与眼球内的视网膜神经节细胞连接。
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