CN113396016B - 诊断检测芯片装置以及制造和组装方法 - Google Patents

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Abstract

本文描述了降低制造和组装成本的诊断检测芯片装置设计。这种芯片装置设计包括便于芯片载体装置内芯片的使用的特征，芯片载体装置具有集成的流体流量控制特征并且具有与常规的样品盒和样品处理系统的兼容性。本文还提供了芯片装置的制造和组装的相关联的方法。

Description

诊断检测芯片装置以及制造和组装方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月14日提交的第62/780126号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请总体涉及于2019年9月20日提交的题目为“使用半导体检测芯片的样品处理的系统、装置和方法”的第16/577650号美国申请；于2017年9月28日提交的题目为“流体桥装置和样品处理方法”的第15/718840号美国申请；于2000年8月25日提交的题目为“流体控制和处理系统”的第6374684号美国专利；于2002年2月25日提交的题目为“流体处理和控制”的第8048386号美国专利；以及于2016年7月22日提交的题目为“热控制装置和使用方法”的第15/217902号美国申请；其中的每个的全部内容通过引用出于所有目的并入本文。
背景技术
本发明总体涉及诊断检测芯片装置以及制造和组装方法。特别地，本发明关于配置成与流体样品传送装置和样品处理系统一起使用的半导体检测芯片装置。
近年来，在使用半导体检测芯片来执行流体样品分析(例如，临床、生物或环境样品的测试)方面有相当大的发展。常规MEM技术在诊断方面的一个持续挑战是缺乏灵活性的样品制备前端以提供适于用半导体芯片分析的流体样品。这种流体样品的样品制备通常涉及一系列处理步骤，该处理步骤可包括流体样品的化学、光学、电学、机械、热或声学处理。无论是集成到台式仪器、便携式分析器、一次性盒或者其组合中，这种处理通常涉及复杂的流体组件和处理算法。开发稳健的流体样品处理系统可以是极具挑战性和昂贵的。
用于处理流体样品的常规方法通常涉及大量手动操作，然而近来的方法已经寻求自动化许多处理步骤，并且可包括样品盒的使用，该样品盒采用各自配置为使流体样品经历特定处理步骤的一系列区域或腔室。当流体样品从盒的区域或腔室到随后的区域或腔室依次流过盒时，流体样品根据特定协议经受处理步骤。然而，这种系统通常包括集成的分析装置，并且一般不适于与半导体芯片一起使用。利用半导体检测芯片(诸如“芯片上实验室”装置)的标准方法通常需要相当复杂、耗时且昂贵的努力，要求将芯片集成到常规的芯片封装中并且然后利用常规的流体传送装置将流体样品传送到芯片装置中而集成到更大的系统中。流体样品通常通过一个或多个完全独立的系统(常常包括手动交互)来制备，并且然后移入流体传送系统中以供应到芯片封装。与测试前和测试后过程相关联的这些挑战常常使这种“芯片上实验室”装置的优点和益处最小化，并对它们在诊断测试中的广泛使用和接受造成实际障碍。与MEMS诊断技术的常规方法相关联的另一个缺点或限制是成本。为了使高功能性MEMS/硅芯片技术在高容量诊断测试的背景下是可行的，装置的成本应该尽可能低。
因此，需要降低诊断芯片的成本并改善与流动单元组件的集成的方法。还需要开发与现有样品处理技术兼容的芯片装置，以允许与现有样品制备技术无缝集成并改善流体样品处理和操作中的效率和通量，来克服上述挑战。
发明内容
本发明提供了便于将芯片与传送经处理的流体样品以用芯片进行分析的样品处理装置和系统一起使用的诊断检测芯片和芯片装置(也称为“芯片”、“检测芯片”或“半导体芯片”)。提供了通过改善整个装置内的半导体芯片本身的集成来降低半导体检测芯片和芯片装置的成本的各种方法。在一个方面，该装置大大地减小了其上设置有半导体芯片的印刷电路板(“PCB”)的大小，例如，利用电接口中的与检测芯片的有源表面共邻或在与检测芯片的有源表面相同的侧上的接触点。应当理解，在一些实施方式中，该共邻电接口可配置成从相同侧、相对侧或任何期望的方向探测，并且该共邻电接口可包括用于电连接到有源表面的引线接合或通孔。在一些实施方式中，这种方法允许用另一种类型的衬底(例如柔性衬底或叠层)替换PCB。在一些实施方式中，电接口可以是柔性PCB并利用柔性接合或TAB(载带自动接合)。在其它实施方式中，金属芯板可用作期望导热安装部的芯片衬底。在其他实施方式中，衬底被可完全去除，并且电接口接触点焊盘可设置在芯片本身上。应当理解，这种配置可利用与有源表面相同的侧上的探测接触点或者可设置在相对侧上，例如，通过硅通孔。
另一方面，本发明关于与芯片载体装置一起兼容使用的芯片装置，该芯片载体装置配置为利用现有样品处理技术来执行一个或多个处理步骤，然后将经处理的流体样品传送到具有半导体芯片的接口，并用芯片执行进一步的处理。这种进一步的处理通常包括靶分析物的分析。在一些实施方式中，本发明还提供了用于以下中任一项的装置：当用半导体检测芯片装置执行测试时为芯片装置供电、通信、编程或信号处理。在一个方面，芯片载体装置配置成与多个不同类型的芯片中的任一种一起使用，并且允许即插即用方法以利用半导体检测芯片。在一些实施方式中，芯片载体装置配置为容纳具有有源区的诊断芯片并牢固地与该诊断芯片结合，芯片装置具有流动单元腔室，当流动单元腔室被固定在芯片载体装置内时，流动单元腔室密封地与有源区结合。
应当理解，芯片装置可包括任何类型的半导体检测芯片，包括但不限于CMOS、离子敏感FET(ISFET)、体声、非体声、压电声和孔阵列传感器芯片。在一些实施方式中，半导体检测芯片用作将生物敏感元件与物理或化学换能器组合以选择性地(并且在一些实施方式中，定量地)检测流体样品中特定分析物的存在的生物传感器。在一些实施方式中，芯片响应于物理、化学或光学输入信号提供电学或光学输出信号。与芯片载体装置一起使用的系统或模块可包括用于当用检测芯片执行测试时的供电、通信、信号整合和数据流的特征，并且可包括便于使用系统内的芯片的软件。在一些实施方式中，为了实现附加的新的或增强的功能，提供适于基于硅的技术的样品处理和/或样品制备能力的一个或多个特征可包括在硅芯片上。例如，芯片可包括用于更精确的流体操作、更精确的样品处理或任何兼容样品处理和/或制备步骤的一个或多个特征。这种技术和功能可包括但不限于：基于电泳的分离；流体泵送；以及基于电润湿的流体操作，包括液滴生成或泵送、流量传感器等。在一些实施方式中，芯片可被生物功能化。例如，芯片可利用生物功能化材料(例如，纳米片、纳米管、纳米颗粒)作为表面或涂层。在一些实施方式中，表面被生物功能化以便于探针或靶的受控移动或固定。应当理解，上述这些芯片特征中的任一个可包括在本文描述的实施方式的任一个中，并且还应当理解芯片载体可适用于与这些芯片特征一起使用。
在一些实施方式中，芯片装置通过PCB通孔连接电联接到多个探针接触点焊盘而没有任何背侧接触点。这允许精简的芯片设计，其中探针接触点可从芯片的与有源区相同的侧接入。在一些实施方式中，芯片装置包括具有多个探针接触点焊盘的单独的电接口，单独的电接口设置成当在承载在芯片载体部分内时与芯片相邻。在一些实施方式中，电接口可以是具有比诊断芯片小的面积的PCB。有利地，电接口可被限定为柔性PCB，并且电接口的探针接触点通过TAB接合连接到芯片的相应接触点。在一些实施方式中，芯片设置在包括柔性PCB、聚合物膜或自粘接柔性叠层的支撑衬底上。在其它实施方式中，在没有任何支撑衬底(例如，在芯片下面的刚性PCB)的情况下限定芯片，该支撑衬底与其中限定芯片的半导体晶圆分离。在这种实施方式中，芯片可包括限定在芯片本身内的多个探针接触点，并且芯片载体部分可包括窗口，当芯片被固定在芯片载体部分内并且与流动单元腔室密封地结合时，多个探针接触点可通过该窗口接入。在一些实施方式中，芯片包括导热金属(例如，铜)的支撑衬底。
另一方面，本发明关于更具成本效益的、精简的诊断芯片设计以及在具有集成流动单元腔室的芯片载体装置内制造和组装的方法。这种诊断检测芯片可包括半导体晶圆装置，该半导体晶圆装置包括配置为用于在操作期间对接触的流体样品进行诊断检测的有源区和电连接到有源区以用于为有源区供电和与有源区通信的多个接触点。有利地，多个接触点可设置在芯片的与有源区相同的侧上。这允许在没有任何背侧通孔连接的情况下电连接的芯片，从而简化芯片设计和工艺工作流程。在一些实施方式中，芯片包括自粘接柔性叠层的支撑结构。接触点可电连接到在与有源区相同的侧上具有多个探针接触点焊盘的单独PCB。在一些实施方式中，芯片包括诸如铜的导热金属的支撑结构，以便于热循环。在其它实施方式中，芯片没有任何与其中限定芯片的半导体晶圆分离的支撑衬底。在这种实施方式中，多个接触点可被限定为芯片本身内的探针接触点焊盘，并且设置在芯片的与有源区相同的侧上。
在又一个方面，本发明关于系统，该系统包括：配置为保存未制备的样品的样品盒，该样品盒具有通过可移动的阀体流体互连的多个处理腔室；用于执行样品制备的模块(也称为“盒处理模块”或“模块”)，该模块具有适于容纳样品盒并与样品盒可拆卸地联接并且配置为执行样品制备的盒容纳器；以及固定在芯片载体装置内的诊断芯片装置。芯片载体装置可经由流体接口流体联接到样品盒，并可与用于为固定在芯片装置内的诊断检测芯片供电和与固定在芯片装置内的诊断检测芯片通信的模块电联接。诊断芯片装置可以是根据本文描述的那些诊断芯片装置中的任一个。
在另一方面，本发明关于制造用于使用的诊断检测芯片的方法。这种方法可包括限定具有电连接到多个电接触点的有源表面的诊断芯片，该多个电接触点可从与有源表面相同的侧接入。在一些实施方式中，诊断芯片被限定为电连接而不具有背侧接触点，该背侧接触点具有穿过任何下面的刚性支撑衬底(例如，PCB)的通孔。这允许替代的支撑结构(例如，减小的大小和厚度的柔性PCB、叠层、金属或衬底)。在一些实施方式中，芯片装置配置成将有源表面电连接到多个探针接触点焊盘而没有任何引线接合。在一些实施方式中，芯片装置被设计成完全没有任何单独的下面的支撑衬底(例如，刚性PCB)。在一些实施方式中，探针接触点可沿着与有源表面相同的侧或者沿着相对的侧形成在芯片本身中。本文描述的芯片中的任一种可包括CMOS、ISFET、体声、非体声、压电声和孔阵列传感器芯片中的任一种。
附图说明
图1是根据本发明的一些实施方式的、与芯片载体装置流体联接的样品盒和用于容纳和操作样品盒的模块的相关联的仪器接口板的概览。
图2A示出了根据一些实施方式的模块的仪器接口板，该仪器接口板具有用于当样品盒被容纳在模块内时与芯片装置的电接触点焊盘相连接的电接触点阵列，如图2B中所示。
图3示出了根据一些实施方式的与芯片载体装置流体联接的样品盒的详细视图。
图4A至图4E示出了根据一些实施方式的制造、组装诊断芯片装置的方法。
图5A至图5D示出了根据一些实施方式的制造、组装诊断芯片装置的方法。
图6A至图6C示出了根据一些实施方式的制造、组装诊断芯片装置的方法。
图7A至图7C示出了根据一些实施方式的制造、组装诊断芯片装置的方法。
图8示出了根据一些实施方式的在仪器接口之前的诊断芯片装置。
图9A至图9C示出了根据一些实施方式的集成诊断芯片和芯片装置。
具体实施方式
本发明总体涉及用于流体样品操作和分析的系统、装置和方法，特别是用于将流体样品从样品处理装置传送到芯片载体装置以使用半导体芯片进行分析的系统、装置和方法。
I.概述
在一个方面，本发明关于降低制造成本的、改善的或精简的芯片设计。在另一方面，芯片设计通过具有与芯片载体装置兼容的特征来改善与现有样品处理技术的集成。这种芯片载体装置包括流体控制特征(诸如，与样品盒的端口中的一个或多个流体联接的一个或多个流体导管，以便于通过该一个或多个流体导管将经处理的流体样品从盒传送到芯片载体装置中)以便于将流体样品传送到芯片载体装置中的半导体芯片。样品盒由模块容纳，该模块便于样品盒的操作以执行处理和将经处理的流体样品传送到芯片载体装置中，并且该模块包括电连接到芯片载体装置以便于芯片载体装置内承载的半导体芯片的操作的仪器接口。
A.芯片
如本文所述，术语“芯片”可指芯片本身或芯片装置，该芯片装置包括芯片和下面的支撑衬底以及电连接到芯片的相邻电接口。通常，该芯片包括具有与填充有制备的流体样品的流动单元密封结合的有源面的硅传感器元件。在一些实施方式中，芯片装置被设计和配置成承载在具有集成的流动单元和流体控制特征的芯片载体装置内，以便与如上所述的样品处理模块的使用兼容。芯片装置可接合在芯片载体装置的凹槽内，或者可压入凹槽中并通过摩擦配合固定。芯片被提供给已经固定在芯片载体装置内的用户，或者终端用户可将芯片组装在芯片载体装置内。
在一些实施方式中，半导体诊断芯片配置为通过纳米孔测序来执行核酸靶分子的测序，纳米孔测序检测电导率的变化并且不需要光激发或检测。通过参考第8986928号美国专利可进一步理解这种芯片的底层技术。在一些实施方式中，半导体诊断芯片分析样品中靶分子的其他属性，诸如分子量和类似特性。通过参考Xiaoyun Ding,et al.Surfaceacoustic wave microfluidics.Lab Chip.2013Sep 21；13(18):3626-3649可进一步理解这种技术。在一些实施方式中，半导体诊断芯片使用表面等离子体共振来提供对靶分子的分析，例如，如在由GE Healthcare UK Limited提供的BiocoreTM系统中使用的和如在他们的Biocore Sensor System Handbook(参见gelifesciences.com/Biacore)中描述的。上述参考文献中的每个的全部内容通过引用全部并入本文。
通常，芯片是半导体诊断检测芯片，包括但不限于CMOS、ISFET、体声、非体声芯片、压电声和孔阵列传感器芯片。虽然半导体诊断芯片是优选的，但应当理解，本文描述的构思可应用于适合用于执行流体样品的处理或分析的任何类型的芯片。
B.芯片载体装置
芯片载体装置适于将半导体芯片流体联接到如本文所述的样品盒。在一些实施方式中，芯片载体装置包括适于与操作样品处理盒的样品处理模块的仪器接口板相连接的电接口。应当理解，芯片载体装置可配置成与任何类型的芯片一起使用。在一些实施方式中，芯片载体装置被设计成允许通过模块的仪器接口对芯片进行电操作来用芯片分析生物流体样品。这是通过芯片装置的与模块的仪器接口电连接的电探针接触点焊盘来实现的。
如上所述的构造允许在用样品盒处理流体样品与随后用芯片载体装置中的芯片处理或分析流体样品之间更无缝地过渡。这种配置通过标准化样品的处理或制备以及经处理的样品到芯片装置的传送促进半导体芯片装置的工业发展。样品的制备可以是手动执行的耗时和费力的过程，并且对于在下一代芯片装置内开发可以是挑战性的。通过利用芯片载体装置而不是反应管，用户可利用样品盒在样品盒中制备样品，并且随后将制备的样品传送到附接的芯片载体装置中，以用其中承载的半导体芯片装置进行分析。这种配置通过利用最初为PCR检测配置的现有样品制备工艺并允许用芯片装置使用这种工艺来加速半导体芯片的发展。
在一些实施方式中，芯片载体装置可包括与流体流动通道中的一个或多个(诸如，一个或多个腔室、过滤器、捕集器、膜、端口和窗口)流体连通的一个或多个处理特征，以允许在将流体样品传送到第二样品处理装置期间的附加处理步骤。这种腔室可配置为与扩增腔室一起使用，以执行核酸扩增、过滤、层析、杂交、孵育、化学处理，例如亚硫酸氢盐处理等。在一些实施方式中，腔室允许流体样品的大部分(如果不是全部流体样品)的积聚，以根据特定方案的需要进行进一步处理或分析。
C.样品盒
样品盒可以是配置为根据本文中描述的方法中的任一个执行与生物流体样品的制备和/或分析有关的一个或多个工艺步骤的任何装置。在一些实施方式中，样品盒配置为至少执行样品制备。样品盒还可配置为通过使用附接到样品盒的反应管来执行附加工艺，诸如在核酸扩增测试(NAAT)中检测靶核酸，例如聚合酶链反应(PCR)分析。流体样品的制备通常涉及一系列处理步骤，该处理步骤可包括根据特定协议的化学、电学、机械、热、光学或声学处理步骤。这种步骤可用于执行各种样品制备功能，诸如细胞捕获、细胞裂解、分析物的整合和不需要的材料的整合。
适于与本发明一起使用的样品盒包括一个或多个传输端口，制备的流体样品可通过该传输端口传送到反应管中以进行分析。图1示出了根据一些实施方式的适于与芯片载体装置200一起使用的示例性样品盒100。按照惯例，这种样品盒与适于分析在样品盒100内处理的流体样品的平面反应管相关联。这种样品盒100包括各种组件，各种组件包括具有用于处理流体样品的一个或多个腔室的主壳体，该处理通常包括分析前的样品制备。根据其常规用途，在组装样品盒10与反应管以及生物流体样品沉积在样品盒的腔室内之后，该样品盒被插入到配置用于样品制备和分析的盒处理模块中。然后，盒处理模块便于执行样品制备所需的处理步骤，并且制备的样品通过一对传输端口中的一个被传送到反应管110的附接到样品盒100的壳体的流体导管中。然后通过反应管的流体接口将制备的生物流体样品传送到反应管110的腔室中，在该腔室中生物流体样品经历核酸扩增和测试，以例如通过使用激发和光检测装置来指示感兴趣的靶核酸分析物(例如，细菌、病毒、病原体、毒素或其他靶分析物)的存在或不存在。这种样品盒也可用于通过使用芯片载体装置用本文描述的半导体芯片进行分析，该芯片载体装置可以以与常规反应管相同或类似的方式流体联接到样品盒。
于2000年5月30日提交的题目为“用于进行化学反应的盒”的第6818185号共同转让美国专利申请中描述了样品盒与配置成对制备的流体样品进行受控流体控制的平面反应管的示例性使用，该申请的全部内容通过引用出于所有目的并入本文。于2000年8月25日提交的题目为“流体控制和处理系统”的第6374684号美国专利和于2002年2月25日提交的题目为“流体处理和控制”的第8048386号美国专利中也示出和描述了样品盒和相关联的模块的示例，这些专利的全部内容通过引用出于所有目的全部并入本文。
通过参考第6374684号美国专利，可进一步理解图3中所示的样品盒100的各个方面，该专利更详细地描述了样品盒的某些方面。这种样品盒可包括连接到样品盒的腔室的流体控制机构(诸如旋转流体控制阀)。旋转流体控制阀的旋转允许腔室和阀之间的流体连通，以便控制沉积在盒中的生物流体样品流入不同腔室中，在不同腔室中可根据需要的特定协议提供各种试剂以制备用于分析的生物流体样品。为了操作旋转阀，盒处理模块包括通常联接到传动系的马达(诸如步进马达)，该传动系与样品盒中的阀的特征结合，以根据期望的样品制备协议控制阀的移动和产生的流体样品的移动。可利用和控制旋转阀的流体计量和分配功能来执行特定的样品制备方案。
应当理解，上述样品盒仅仅是根据本文中描述的实施方式的适于与芯片载体装置一起使用的样品处理装置的一个示例。虽然允许使用这种样品盒的芯片载体配置特别有利，因为芯片载体配置允许利用现有的样品盒和样品处理装置，但是应当理解，本文中描述的关于芯片设计的构思可应用于其他样品处理装置，例如，通过引用并入本文的第7032605号美国专利中描述的双活塞旋转阀装置。还应当理解，本文描述的芯片设计可配置为与各种其他芯片载体装置、样品盒配置或其他流体样品处理装置和组件兼容，例如，通过引用并入本文的于2018年9月20日提交的第62/734079号美国临时申请中描述的那些中的任一个。
D.仪器接口
在另一个方面，模块包括仪器接口，以便于为芯片供电和与芯片通信。仪器接口可包括电路板，该电路板适于结合芯片装置的电接口以允许模块为芯片供电、控制芯片、和与芯片通信。在一些实施方式中，仪器接口位于模块的公共壳体内，以在样品盒与芯片装置之间提供更无缝的处理。仪器接口可由协调流体样品从样品盒到芯片的传送的模块控制。
在一些实施方式中，仪器接口板包括探针接触点并且机械地安装在枢轴上，当枢轴容纳在模块内时，该枢轴朝向芯片载体装置移动。仪器接口板配置为从在装载样品盒之前的打开位置枢转到当装载样品盒时的结合位置。凸轮(未示出)定位接口板，使得探针接触芯片装置的电接口。探针接触点通常是仪器接口板上的引脚，该引脚接触芯片装置的电接口上的相应探针接触点焊盘，以允许模块控制用芯片分析流体样品。
除了芯片载体的组件外，仪器接口板还可接纳各种其它任务所需的无源和有源电子组件。例如，这种组件可包括信号完整性、扩增、多路复用或其它这类任务所需的任何组件。
E.示例系统
图1示出了利用与芯片载体装置200流体联接的常规样品盒100的系统的概览。样品盒100适于插入到样品处理模块的隔间中，样品处理模块配置为通过样品盒的操作对包含在样品盒内的流体样品执行一个或多个处理步骤。模块的仪器接口300被集成到模块中隔间内，该隔间中容纳有样品盒100，并且模块的仪器接口300包括具有插座开口302的板301，当盒100被放置在隔间内时，芯片载体装置200延伸穿过该插座开口302。仪器接口300还包括沿着芯片载体装置200的主平面表面延伸并且包括电接触点312的仪器接口板310(诸如PCB)，电接触点312布置成与芯片装置的主平面表面上的相应探针接触点焊盘电联接。
图2A示出了模块的仪器接口板310和用于与芯片装置的电接触点焊盘相连接的电接触点312。通常，接触点312以与芯片装置的接触点相对应的图案(诸如矩形阵列)布置。在该实施方式中，接触点312配置为引脚，以便当芯片载体装置200通过插座开口302插入时偏转，以在探针接触点312与固定在芯片载体装置200内的芯片装置的仪器接口上的相应的探针接触点焊盘之间提供牢固的电联接，如图2B中所示。虽然这里描绘了矩形的引脚阵列，但是可理解的是，根据相应的芯片载体装置，电接触点可以以各种其他图案布置，并且可实现各种其他接触点结构。在一些实施方式中，电接触点可配置为一个或多个边缘连接器或其他类型的多针连接器布置。还可理解的是，仪器接口不需要利用每个接触点，以便如期望的那样，与具有不同数量或不同布置的接触点焊盘的芯片载体装置的使用兼容。在一些实施方式中，电接触点可包括附加的适配器，以便适于与各种不同类型的芯片载体装置一起使用。在一些实施方式中，将半导体控制器封装为芯片载体装置的辅助部使得信号连接性最小化可以是成本有效的。这种方法可使用任何合适的可包括标准连接器类型(诸如USB接口(例如，[+1，-2，sig 3，sig 4]))的连接器装置。
图3示出了根据一些实施方式的与具有集成流体流量控制的芯片载体装置200流体联接的样品盒100的详细视图。通常，芯片载体装置200是平面装置，其包括用于抵靠芯片的有源区结合的流动单元腔室和流体地联接到流体样品容器(诸如样品盒100)的流体接口201。在该实施方式中，流体接口201流体地联接到样品盒100，并且包括与样品盒的相应流体端口联接的一对流体端口(不可见)。流动单元腔室，例如，如图9A所示，在平面装置的一侧上。平面装置的另一侧可包括一个或多个流体控制特征，诸如扩增腔室。芯片载体装置可由合适的刚性材料形成，使得芯片载体装置200从样品盒100向外延伸，这允许用于各种其它组件(诸如，模块的仪器接口板和/或热循环单元)的间隙。
芯片载体装置200包括流体接口201，流体接口201可配置有流体端口(例如，鲁尔型端口)和与典型的PCR反应管的凸缘布置相同或相似的凸缘布置，使得流体样品适配器可容易地与现有的样品盒相连接，如前所述。然而，可理解的是，在各种其它布置中可使用各种其它类型的流体端口(例如，鲁尔型端口、压力配合、摩擦配合、卡扣配合、插接配合、螺钉型连接器等)。通常，流体通路被限定在第一衬底中并由第二衬底(诸如薄膜)密封，类似于常规PCR反应管的构造。在一些实施方式中，流体样品适配器还具有对准和组装凸起以及机械卡扣，使得芯片载体组件或芯片能够容易地牢固地抵靠流动单元部分的流动单元固定。在一些实施方式中，芯片载体装置包括一个或多个通道，其中，通道在流体密封联接器之间延伸而在近端和远端之间不具有任何腔室、阀或端口。在其他实施方式中，该装置包括一个或多个阀或端口。在一些实施方式中，一个或多个通道可包括可用于处理或分析流体样品的一个或多个腔室或区域，例如，用于核酸靶的热扩增、样品的过滤、样品的色谱分离、杂交和/或用一种或多种分析试剂孵育样品的腔室或区域。
如可在图9A的示例中可见，流体路径通过流动单元内的一组流动单元端口953a、953b通向流动单元腔室953。在该实施方式中，流动单元腔室953包括入口流动单元端口953a和出口流动单元端口953b，该入口流动单元端口953a和出口流动单元端口953b允许受控的流体通过流体样品适配器951经由流体入口951a和流体出口951b传送到流动单元腔室953中。通常，当流体样品适配器201竖直定向以便于受控流体流过流动单元腔室953时，流动单元入口953a设置在流动单元出口953b下方。应当理解，术语“入口”和“出口”的使用并不限制本文描述的任何流体入口或出口的功能。流体可从这两者或其中之一引入和排出。应当理解，芯片载体装置可形成为整体组件或者由多个组件组装，并且可集成各种其它特征(例如，阀、过滤器)。
在一些实施方式中，芯片载体装置(或至少部分组件)设置成预附接到具有与盒的相应流体端口联接的流体密封联接器的样品盒。例如，样品盒可设置成已经与流体样品适配器201联接，使得终端用户可将芯片载体装置200内的任何芯片抵靠流动单元腔室插入以便于用芯片检测样品。
芯片载体装置的流动单元部分配置有开放腔室，当与芯片载体内的芯片的有源区相连接时，该开放腔室形成封闭的流动单元腔室以便于用芯片分析流体样品。流动单元成形并配置为与附接到流体样品适配器201的芯片载体内的芯片流体联接。通常，流体流动部分的流体通路通过位于流动单元腔室的顶部和底部的流体端口流体地连接到流动单元腔室。腔室由与检测方案中使用的有源硅或玻璃元件接触的凸台或凸脊形成。有源元件位于芯片载体内承载的芯片上，并通过接合和密封固定到流动单元，接合和密封可由各种装置(例如，使用环氧树脂预制件、分配的环氧树脂或其它粘合剂、垫圈、具有粘合剂的垫圈、机械特征或各种其它装置)实现。流动单元适配器的目的是创建由一侧上的检测表面和剩余侧上的流动单元适配器限定的完整的流动单元腔室。流动单元可包括一个或多个联接特征，该一个或多个联接特征限定为容纳在相应的孔中的对准和装配凸起以及机械卡扣，以当芯片被固定在内部时便于芯片的对准。
芯片载体装置可包括被确定尺寸以在其中容纳芯片的轮廓区域。轮廓区域包括沿着其周边的凸脊，以结合流动单元部分的相应部分并有效地密封芯片载体装置内的芯片。开放流动单元腔室周围的凸台或凸脊结合芯片的有源表面以便形成封闭的流动单元腔室。芯片载体可包括窗口，以提供对限定在芯片本身上或芯片装置的电接口上的多个探针接触点的接入。可选地，芯片载体装置可被确定尺寸使得芯片或芯片装置的电接口延伸超过芯片载体装置的远端，以便可由模块的仪器接口接入。
应当理解，具有集成流体控制的芯片载体装置可包括本文描述的特征或结构中的任一个，或包括于2018年9月20日提交的第62/734079号美国临时申请中描述的那些中的任一个。
II.诊断芯片装置和组件
在一个方面，描述了集成诊断芯片设计，该设计进一步简化了芯片装置的基本设计，从而降低了制造成本并允许芯片装置的进一步集成和简化。
先前在第62/734079号美国临时申请中描述的实施方式假定使用根据常规技术制造的芯片设计。目前技术的低成本状态是使用板上芯片(COB)策略来去除分离的半导体封装元件。通常，COB技术依赖于安装有芯片的PCB衬底，并且在装置上执行引线接合操作和随后的接合保护操作。PCB用于为芯片创建安装表面的目的，并且利用PCB上的通孔将芯片电连接到设置在芯片相对的侧上的连接点(例如，探针接触点焊盘)。这种方法允许大量接触点焊盘分布在芯片的相对侧上的相对大的表面面积上。以这种方式使用单独的PCB有助于半导体处理工作流程，并且是被广泛接受的最常见的方法。这种方法的一个显著缺点是它相当昂贵，需要PCB内的附加材料(通常成本与芯片本身一样高)，并且在需要清洁和将芯片安装在PCB上的工作流程步骤内引起进一步的费用。因此，本文描述的本发明提供了设计和制造诊断芯片的可替代的集成方法，以便于在芯片载体装置内使用并利用现有样品制备技术，同时进一步降低芯片的制造和工作流程成本。这些方法与常规的COB技术相比是有利的，并且允许进一步的简化，而不需要对芯片设计进行任何修改或仅对芯片设计稍微进行修改。
提出了几种不同的方法来精简与本文描述的样品处理系统和方法一起使用的诊断芯片设计。这些方法包括：(i)利用与芯片相邻的单独PCB上的探针接触点，这允许另外的替代方法，包括：(ii)鉴于诊断芯片的任何PCB或支撑衬底的减小的大小/厚度要求，用更便宜的支撑衬底(例如，更薄的、更轻的、更柔性的等)代替PCB(iii)利用柔性PCB和突片接合技术；(iv)使用金属芯板作为导热安装部来支撑芯片；(v)完全去除衬底并且在芯片本身中形成探针接触点焊盘。这些不同的方法在图4A至图9C中进一步详细描述。
A.单独PCB上的探针接触点
在第一方面，精简芯片设计需要大大地减小PCB的大小，并将PCB沿着芯片装置(例如，半导体/MEM)移动，并在组件的共邻的区中执行引线接合/引线接合保护。在该方法中，诊断芯片被设计成与设置在单独的PCB板上的探针接触点电连接。这允许减小芯片的PCB板或衬底的大小，并且还允许从与芯片相同的侧探测探针接触点。在一些实施方式中，这种方法通常在半导体封装工作流程的相同拾取和放置操作期间将PCB和装置两者安装到单独的表面上。这使得安装衬底(诸如，塑料和复合材料)非常便宜，并且也让使用导热金属或陶瓷作为支撑衬底成为可能。该策略通常优选从与装置相同的侧进行到完成的装置的连接。在一些实施方式中，可使用和配置该构思，使得探针接触点仍然面对相对的方向。主要的成本降低是PCB的大小和通过允许不同的PCB和芯片装置匹配而无需显著的重新设计而给予该过程的灵活性。图4A至图4E示出了利用具有如上所述的设置在单独的PCB上的相关联的探针接触点焊盘的芯片来组装芯片装置组件400的顺序步骤。
图4A示出了支撑衬底401，支撑衬底401可比如果探针通过通孔连接在PCB的背侧上接触时习惯上使用的更小和更薄。图4B示出了诊断芯片410，该诊断芯片410被模切并安装在支撑衬底401上，有源区411面向上并且具有电接触点阵列412。在一些现有的芯片设计中，该接触点阵列比探针接触点焊盘小得多，并且用于在芯片制造期间的测试目的。与芯片410相邻的是PCB420，PCB420具有比芯片面积小的面积并且具有设置在与芯片相同的侧上的探针接触点焊盘。图4C示出了通过引线接合430连接到PCB420的探针接触点422的电接触点阵列。图4D示出了接合保护2140(例如，环氧树脂层)的添加。图4E示出了固定在具有与有源区411结合的集成流动单元的芯片装置450内的组件。可见，探针接触点焊盘422保持可接入，以由其中插入有装置450的样品处理模块内的电接口探测，如先前实施方式中所述。
B.可替代的芯片衬底/连接类型
鉴于探针接触点焊盘设置在单独的PCB上，芯片的支撑衬底不仅可更小和更薄，而且可使用更便宜和/或具有提供进一步优点的附加机械性能的各种不同的材料。例如，衬底可以是更经济的柔性材料，诸如柔性叠层。此外，减小的面积允许更容易地安装衬底，例如，可使用自粘接柔性叠层特征，因为粘接剂为较小的较轻的柔性叠层提供足够的接合强度(与常规PCB组件相比)。
图5A至图5B示出了另一芯片装置组件500的组件。在该示例中，组件包括精简的芯片510和安装到衬底501的柔性PCB 530。探针接触点通过引线接合520电连接到芯片510，在引线接合520上添加接合保护540。
在另一方面，其上设置有探针接触点的PCB也可以是柔性PCB。这使其可采用较便宜的接合方法，诸如TAB接合技术，TAB接合技术在非常高的产量下通常比引线接合更便宜和更快。
图5C至图5D示出了这种示例性芯片装置组件500’，该芯片装置组件500’包括精简芯片510和安装到衬底501的柔性PCB 530，探针接触点通过TAB接合522电连接到芯片510接触点，在TAB接合522上添加接合保护540。
C.片上探针电接触点/连接
在又一个方面，可设计使用限定在芯片本身中的探针接触点焊盘的集成的精简芯片。这种方法利用芯片的附加部分(与有源区相同的侧)，使得避免通过PCB的引线接合连接。这种设计避免了用于探针接触点的单独PCB组件的必要性，并且还避免了任何接合工序和各种工作流程步骤。在一些实施方式中，可在可替代的支撑衬底(诸如本文中描述的那些中的任一个)上制造芯片。有利地，可制造不具有任何单独的支撑衬底的芯片，例如，其中限定芯片的半导体晶圆可用作支撑。在这种实施方式中，减薄半导体晶圆的步骤是不必要的，从而提供了与常规封装的芯片装置相比更具成本效益且更精简的制造。在这种实施方式中，可使用任何可用的晶圆，例如厚度(厚度通常与晶圆直径相对应)为925um、775um、725um、675um、625um或525um的晶圆。然而，可理解的是，可使用任何合适厚度的晶圆。
这种方法允许完全消除单独PCB的更具成本效益的方法，并且因此消除对芯片的任何电接合要求。通过将到芯片的电连接的责任全部放在仪器上，可完全消除对单独的PCB、PCB柔性组件以及引线接合或TAB接合和保护的需要。这允许芯片(例如裸硅/MEMS装置)可直接安装到集成的流动单元/芯片载体装置中的设计。消除关于PCB和相关联的电连接的步骤节省了时间和成本，该成本和芯片本身的成本相当。通常，这种方法优选芯片(例如，硅/MEMS装置)具有相当低数量的连接，使得可将装置上的足够的面积分配给连接。这种方法关于用于接触连接的硅的附加面积可能会引起一些附加的成本，但是对于大多数芯片设计，消除单独的PCB的节省和相关联的工作流程的减少显著抵消了这种成本的增加。
图6A至图6C示出了根据以上方法的示例性芯片装置组件600的组件。图6A示出了具有有源区611和沿着相同的侧的一侧形成的探针接触点阵列620的精简芯片610。在该实施方式中，芯片610包括12个焊盘单行接触点，虽然可理解的是，可包括更少或更多的接触点焊盘。图6B示出了具有集成流动单元的芯片载体装置650内的芯片610的组件。图6C示出了芯片610牢固地结合在芯片载体装置650内，使得有源区与集成的流动单元(未示出)密封地结合。如在图6C中可见，芯片载体装置650包括窗口652，接触点焊盘阵列620可通过窗口652被其中插入有芯片载体装置650的模块的电接口的探针接入。在该实施方式中，接触点焊盘相当小(例如，12个焊盘的间距为0.8mm)。这种设计需要相当精确和较小的仪器连接接口设计，以确保探针一致和可靠地结合相应的接触点焊盘。
图7A至图7C示出了基本上相似的芯片组件700，然而，芯片710包括以双行焊盘布置限定的集成探针接触点阵列740，该双行焊盘布置牺牲了芯片装置的一些附加面积以允许足够大数量的焊盘，其中，每个焊盘具有足够的面积以使得仪器设计更加容易。在该实施方式中，焊盘之间的间隔和焊盘的布置允许使用常见可用的电接触布置(例如，1.27mm间距、双排、16Pogo pin连接头)。可理解的是，探针接触点焊盘可根据考虑到可用芯片面积的任何期望尺寸来设计。如在前述实施方式中，芯片710固定在具有流体接口751和窗口752的芯片载体装置750内，探针接触点阵列740可通过窗口752接入。
图8示出了在插入到模块的仪器接口860中之前根据图6A至图7C中描述的那些芯片载体装置的芯片载体装置850，其中，仪器接口860包括具有与通过窗口852暴露的相应片上接触点焊盘结合的探针(不可见)的接头865。通常根据图1至图3和图8中的实施方式中所讨论的构思利用芯片使用和操作仪器接口。
图9A至图9C示出了根据图6A至图6C中描述的那些芯片装置组件的芯片装置组件900的详细视图。图9A示出了具有与流体接口951流体连通的集成的流动单元腔室953的芯片载体装置950。流动单元腔室设置在凹入部分内，凹入部分被确定尺寸以适于将芯片910容纳在内，以便抵靠流动单元腔室密封地结合芯片的有源区。该装置可包括单独的垫圈以便于密封，或者垫圈可以是限定在该装置本身内的凸起部分。在一些实施方式中，芯片载体装置950形成为单一组件，并且可通过注射模制或任何合适的方法形成。在其它实施方式中，芯片载体装置可由，例如，如在先前描述的实施方式中的多个组件组装。流动单元通过与流体接口951的入口/出口951a、951b流体连通的流动单元入口/出口953a、953b填充制备的流体样品。
如在图9B的俯视图中可见，芯片910的大小和尺寸与芯片载体装置950中的凹槽相对应。芯片载体装置950可包括各种保持或联接特征，以将芯片910固定在例如保持突片955和卡扣式联接器954内，保持突片955和卡扣式联接器954被确定尺寸并布置成柔性地容纳芯片并固定芯片，其中有源区抵靠流动单元腔室密封地结合。如在图9C的底视图中可见，集成的流动单元/芯片载体装置950包括与流体接口951的流体入口951a流体连通的流动单元入口通道930a和与951b流体连通的流动单元出口通道930b，使得该装置附接到的样品盒和模块精确地控制流体样品通过流动接口从流体样品盒流入流动单元腔室。芯片910包括在与有源区911相同的侧的上的芯片表面上的集成探针接触点焊盘阵列920，该阵列放置成可通过集成流动单元/芯片载体装置950的探针接触窗口952接入。
在上述说明书中，参考本发明的具体实施方式描述联本发明，但是本领域技术人员将认识到本发明不限于此。上述本发明的各种特征、实施方式和方面可单独使用或共同使用。此外，在不背离说明书的更宽泛的精神和范围的情况下，可在本文所描述的环境和应用之外的任何数量的环境和应用中利用本发明。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。应当认识到，如本文所使用的术语“包括(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”具体地旨在被理解为本领域的开放端术语。

Claims (17)

1.一种诊断芯片装置组件，包括：
芯片载体，配置为用于支撑和联接诊断芯片装置；
其中，所述芯片载体包括流动单元腔室，所述流动单元腔室配置为当固定在所述芯片载体内时与所述诊断芯片装置的诊断芯片的有源表面密封地结合；以及
其中，所述芯片载体还包括流体接口，所述流体接口配置为用于与样品盒流体联接并且与所述流动单元腔室流体连通，
其中所述芯片载体包括窗口，当所述诊断芯片装置固定在所述芯片载体内并且与所述流动单元腔室密封地结合时，所述诊断芯片装置的探针接触点焊盘通过所述窗口保持可接入，使得所述芯片载体没有任何电子接口或电子组件。
2.根据权利要求1所述的诊断芯片装置组件，其中，所述芯片载体包括平面框架，其中，所述流体接口设置在所述平面框架的一个端部处以便于与所述样品盒的流体联接。
3.根据权利要求1所述的诊断芯片装置组件，还包括：
所述诊断芯片，具有有源区并且电联接到所述诊断芯片装置的多个探针接触点焊盘。
4.根据权利要求3所述的诊断芯片装置组件，其中，所述探针接触点焊盘可从所述诊断芯片的与所述有源区相同的侧接入。
5.根据权利要求3所述的诊断芯片装置组件，其中，所述诊断芯片包括CMOS、ISFET、体声、非体声、压电声和孔阵列传感器芯片中的任一种。
6.根据权利要求3所述的诊断芯片装置组件，其中，所述诊断芯片装置包括电接口，在所述电接口上具有所述多个探针接触点焊盘，其中，所述电接口设置为与所述诊断芯片共邻。
7.根据权利要求6所述的诊断芯片装置组件，其中，所述电接口包括具有比所述诊断芯片小的面积的PCB。
8.根据权利要求6所述的诊断芯片装置组件，其中，所述电接口包括柔性PCB。
9.根据权利要求6所述的诊断芯片装置组件，其中，所述电接口的所述探针接触点焊盘通过TAB接合电连接至所述诊断芯片的相应接触点。
10.根据权利要求3所述的诊断芯片装置组件，其中，所述诊断芯片设置在包括柔性PCB、聚合物膜或自粘接柔性叠层的支撑衬底上。
11.根据权利要求3所述的诊断芯片装置组件，其中，所述诊断芯片不具有与半导体晶圆分离的任何支撑衬底，在所述半导体晶圆中限定有所述诊断芯片。
12.根据权利要求11所述的诊断芯片装置组件，其中，所述诊断芯片包括限定在所述诊断芯片本身内的多个探针接触点焊盘。
13.根据权利要求3所述的诊断芯片装置组件，其中，所述诊断芯片包括导热金属的支撑衬底。
14.根据权利要求13所述的诊断芯片装置组件，其中，所述支撑衬底包括铜。
15.根据权利要求1所述的诊断芯片装置组件，其中，所述芯片载体的流体接口配置为与所述样品盒流体联接，所述样品盒配置为保存未制备的试样，所述样品盒包括通过可移动的阀体流体互连的多个处理腔室。
16.根据权利要求1所述的诊断芯片装置组件，其中，所述芯片载体形成为整体组件。
17.根据权利要求16所述的诊断芯片装置组件，其中，所述芯片载体通过注射模制形成。
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