CN114585413A - 混合软性-刚性电气互连系统 - Google Patents

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G·斯基亚沃内
S·P·拉库尔
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Abstract

公开了一种电气互连系统，其包括：i)互连板，包括本征非弹性衬底，所述衬底具有第一面和相对的第二面、以及在所述衬底的至少一部分上和/或内的至少一个导电轨道；ii)可拉伸互连件，包括本征弹性衬底，所述衬底包括至少一个凹处或凹槽，所述至少一个凹处或凹槽包括其中的至少一个顺从导电元件，所述至少一个凹处或凹槽被配置为容纳所述互连板的所述至少一个导电轨道；以及iii)至少一个导电膏团，位于所述至少一个凹处或凹槽内、被配置为将所述至少一个顺从导电元件与所述至少一个导电轨道电连接。

Description

混合软性-刚性电气互连系统
技术领域
本发明属于电子设备和电气设备领域。具体地，本发明涉及混合(软性/刚性)电气互连系统、用于生产其的方法以及低型面(low-profile)、混合(软性/刚性)多部件电子/电气电路和设备。
背景技术
在可穿戴设备和可植入设备领域，已经利用软性的并且可拉伸的材料来生产可以符合复杂的静态和动态3D形状的设备。具体而言，在植入式神经接口领域，最近已经表明，照惯例用作电子衬底的刚性材料尽管无毒，但是由于设备和软性宿主组织之间的机械失配而在被植入时引起炎症反应。使用适形的(conformable)、软性的并且可拉伸的材料——在机械属性上更接近目标组织，可以减轻此副作用并且准许在体内的安全并且可靠的植入。
可植入设备由衬底和封装件组成，该衬底和封装件通常决定设备的机械特征(mechanical signature)——取决于所使用的形状和材料，以及将电信号传输到受试者的身体内的目标位置和从受试者的身体内的目标位置传输电信号的嵌入的电气轨道和互连件(interconnect)。对于衬底，可以使用若干种材料种类，诸如弹性体(硅酮(silicone)、聚氨酯、天然橡胶等)、水凝胶(可以吸收大量水的聚合物网络)、热固性塑料和热塑性塑料(聚酰亚胺、聚对二氯甲苯(parylene C)，等)以及其他。嵌入的电气互连件必定伴随衬底和封装件的可拉伸行为，以保证设备功能。这是通过使用本征可拉伸的导体(例如导电聚合物)或通过在刚性导体中设计制造弹性(例如图案化金属弹簧结构)或在软性载体中设计制造嵌入的薄软性互连件来实现的。在设备设计中通常包含多个独立的互连件，使得多个通道可以将组织上的不同位置作为目标。这些电气线路(electrical line)的宽度通常是数十到数百微米，并且由相同大小的间隙隔开，目的是使设备的总体尺寸最小化。可植入/可穿戴电子设备中并行通道的典型数目是在8到128的范围内。
由于缺少与软性材料兼容的已建立的电子封装技术，普遍存在的挑战在于图案化在软性衬底上的众多电子线路到外部硬件(诸如激励器或处理单元)或植入式硬件(诸如植入式脉冲发生器)的可靠连接。软性衬底或载体的机械结构(mechanics)使得它们不适合常规连接技术(即表面安装刚性连接器、引线键合、硅封装)，如果可能的话，所述常规连接技术无论如何都会使设备变硬。用于软性电子设备的最广泛采用的连接方案依赖于将小引线连接到衬底上的每个单独的通道。这既是不可靠的又是劳动密集的，并且引起对连接点的大小(从数百微米到数毫米)的显著的按比例缩放限制——因为布线工艺几乎无法按比例缩小。
国际专利申请WO 2017/203441描述了一种用于获得本征可延伸导体与非本征可延伸导体之间或两个本征可延伸导体之间的电气互连的系统。该系统特别适合于生产可植入人体或动物体内的、适形的并且可变形的、用于神经刺激和/或神经记录的设备。尽管混合软性/刚性电气互连件领域的进步，但是所描述的互连系统存在一些缺点，所述缺点使得其对于可植入设备而言不是最佳的：具体地，在制造步骤期间，各种通道之间的对准应被准确地执行以组装各种电气通道/它们之间的轨道，这可能在制造过程期间带来质量问题，并且最终导致电气故障；此外，外部电导体经由已知的技术连结到互连系统，所述已知的技术诸如焊接(welding)、锡焊(soldering)、机械紧固或用任何种类的导电胶水胶接。在一个典型的实施方案中，借助于在电气板(electrical board)上制作的穿孔(through hole)形成连接，所述穿孔被填充有导电材料(例如锡)，导体的一端被嵌入在该导电材料中。这引起与制造负担、互连系统的软性部分伸长(应变)后应力的重新分布有关的一些问题，并且增大整个系统的庞大体积，这对于可植入设备而言是不期望的。
迄今为止，据发明人所知，仍然缺少一种在封装(foot print)方面无缝的、可靠的、可缩放到大量通道并且防止设备在连接点处过度变硬的方法。
发明内容
为了解决和克服上文提到的现有技术方案的缺点中的至少一些，本发明人开发了一种将软性电子接口与不可延长的电气设备(诸如电气板)无缝连接的方案，所述方案具有改进的特征和能力。
本发明的目的是提供一种电气互连系统，该电气互连系统克服或至少减少上文概述的影响根据现有技术的已知方案的缺点。
具体地，本发明的第一目的是提供一种电气互连系统，该电气互连系统在大小和形状方面被优化，以有利地被包含到薄形状因数设备中，并且所述设备特别是用于永久或临时植入受试者的身体内的顺从的生物医学设备。
本发明的另一个目的是提供一种用于生产具有混合弹性/非弹性性质的电气互连系统的简单并且可靠的方法。
如本文和所附权利要求中所描述的，所有这些目的已经通过本发明实现。
鉴于上文概述的影响现有技术的电气互连系统的缺点和/或问题，根据本发明，提供了一种根据权利要求1所述的电气互连系统。
本发明的另一个目的涉及一种根据权利要求16所述的制造物。
具体地，根据本发明，一种电气互连系统包括：
i)互连板，包括本征非弹性衬底，所述衬底具有第一面和相对的第二面、以及位于所述衬底的至少一部分上和/或内的至少一个导电轨道；
ii)可拉伸互连件，包括本征弹性衬底，所述衬底包括至少一个凹处(well)或凹槽(groove)，所述至少一个凹处或凹槽包括其中的至少一个导电元件，所述至少一个凹处或凹槽被配置为容纳所述互连板的所述至少一个导电轨道；以及
iii)至少一个导电膏团(bolus，块)，位于所述至少一个凹处或凹槽内、被配置为将所述至少一个导电元件与所述至少一个导电轨道电连接。
根据一个实施方案，所述至少一个导电膏团大体上由粘弹性聚合物组成，所述粘弹性聚合物被配置为将所述至少一个导电元件与所述至少一个导电轨道机械连接。
根据一个实施方案，所述互连板的所述衬底大体上由柔性材料组成。
根据一个实施方案，所述本征非弹性衬底在互连部位是平面的。
根据一个实施方案，所述互连板的所述至少一个导电轨道位于所述本征非弹性衬底的细长构件上。
根据一个实施方案，所述本征非弹性衬底的所述细长构件是平面的。
根据一个实施方案，所述互连板包括细长构件的阵列，每个所述细长构件包括至少一个导电轨道。
根据一个实施方案，所述可拉伸互连件包括凹处或凹槽的阵列，每个凹处或凹槽包括其中的所述至少一个导电元件中的一个。
根据一个实施方案，所述至少一个凹处或凹槽被配置为完全容纳所述互连板的所述至少一个导电轨道，使得所述至少一个导电轨道被完全嵌入所述至少一个导电膏团内。
根据一个实施方案，所述可拉伸互连件的所述至少一个导电元件包括可拉伸金属薄膜。
根据一个实施方案，所述可拉伸互连件的所述至少一个导电元件被嵌入所述本征弹性衬底内。
根据一个实施方案，所述导电膏团包括软性聚合物材料和多个导电微米或纳米颗粒、管引线(tubes wires)和/或片材的混合物。
根据一个实施方案，胶粘剂和电绝缘材料的封装层封装所述互连板的所述相对的第二面以及所述可拉伸互连件的至少一部分，所述可拉伸互连件的所述至少一部分包含所述至少一个凹处或凹槽的至少一部分。
优选地，所述封装层大体上由本征弹性材料组成。
根据一个实施方案，所述至少一个导电轨道和/或所述至少一个导电元件包括被配置为能电连接到外部设备的一端。
本发明还涉及一种包括如上文所公开的电气互连系统的制造物，例如一种被配置为将被临时地或永久地植入受试者的身体内的生物医学设备。
本发明的另外的实施方案由所附权利要求定义。
通过参考示出所述主题的一些优选方面的附图对在下面的描述的研究，本文所呈现的主题的以上和其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1a是根据本发明一个实施方案的互连板的俯视图；
图1b和图1c是在图1a的互连板的不同点处截取的截面视图。
图2a是根据本发明一个实施方案的可拉伸互连件的俯视图；
图2b和图2c是在图2a的可拉伸互连件的不同点处截取的截面视图。
图3a到图3e和图4a到图4e示意性地表示用于制造根据本发明的互连系统的方法的步骤，并且图3f和图4f是最终制造的系统的横截面。图3a至图3f和图4a至图4f中表示的实施方案之间的主要区别涉及导电元件的定位，该导电元件被放置在衬底上(图3a)或被放置在衬底内(图4a)；
图5a是根据本发明的一个实施方案的包括指状物的阵列的互连板的俯视图，每个指状物包括其上的一个导电轨道；
图5b和图5c是在图5a的互连板的不同点处截取的截面视图。
图6a是根据本发明的一个实施方案的包括凹处或凹槽的阵列的可拉伸互连件的俯视图，每个凹处或凹槽包括其上的一个导电元件；
图6b和图6c是在图6a的可拉伸互连件的不同点处截取的截面视图。
图7a至图7f、图9a至图9f和图11a至图11f示意性地表示制造根据本发明的互连系统的方法的不同实施方案，并且图8、图10和图12表示最终制造的系统的对应的横截面，其中该系统包括：互连板，该互连板包括指状物的阵列，每个指状物位于可拉伸互连件的对应的凹处或凹槽中(图7a-图7f和图8)；互连板，该互连板包括指状物的阵列，所有所述指状物位于可拉伸互连件的单个凹处或凹槽中(图9a-图9f和图10)；互连板，该互连板包括指状物的阵列，所述指状物成对地位于可拉伸互连件的对应的凹处或凹槽中(图11a-图11f和图12)；
图13示意性地表示根据本发明的电气互连系统，其中至少一个导电轨道和/或所述至少一个导电元件包括被配置为能电连接到外部设备的一端。
具体实施方式
将借助于在附图中描绘的那些方面的描述来阐明在下面描述的主题。然而，应理解，本发明的保护范围不限于在下面描述的以及在附图中描绘的那些方面；相反，本发明的保护范围由权利要求限定。此外，应理解，在下面描述的和/或示出的特定条件或参数不是对本发明的保护范围的限制，并且本文所使用的术语仅是出于通过示例的方式描述特定方面的目的并且不意在是限制性的。
除非另外定义，否则本文所使用的技术术语和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。此外，除非上下文另外要求，否则单数术语应包含复数，并且复数术语应包含单数。除非另外指示，否则通常根据本领域众所周知的以及如在整个本说明书中所引用和讨论的各种一般的和更具体的参考文献中所描述的常规方法来执行本公开内容的方法和技术。此外，为了清楚起见，术语“大约”的使用在本文中意在包含给定值的+/-10％的变化。
借助于下面的定义将更好地理解下面的描述。
除非上下文另外明确规定，否则如在下面和在所附权利要求中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包含复数指示物。此外，除非另外说明，否则“或”的使用意味着“和/或”。类似地，“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”、“包含(includes)”和“包含(including)”是可互换的并且不意在是限制性的。应进一步理解的是，在为了描述各实施方案而使用术语“包括(comprising)”的情况下，本领域技术人员将理解，在一些具体实例中，可以使用语言“基本上由……组成”或“由……组成”来替代地描述一个实施方案。
在本公开内容的框架中，表达“操作性地连接”以及类似表达反映了设备或系统的数个部件之间的功能关系，换言之，该术语意味着所述部件以一种方式相关联以执行指定的功能。“指定的功能”可以根据连接中涉及的不同部件而改变；例如，与连接装置操作性地连接的电极的指定的功能是例如将电流递送到神经以对其进行电刺激。本领域技术人员基于本公开内容将容易地理解和明白本发明的设备或系统的每一个部件的指定的功能以及它们的关联。
表达“导电轨道”是指本质上导电的任何膜、路径、条带(stripe)、线束(strand)、引线等。为了清楚起见，词语“电极”在本文中被用来表示与受试者的组织直接接触的导电轨道的远端部分。然而，在本发明的实施方案中，术语“电极”被用来表示导电轨道以及其被配置为与生物组织接合(interface，连接)的远端、末端部分。根据本公开内容的导电轨道被用来连接和/或闭合电路，并且因此通常是电连接器或“互连件”。导电轨道通常是将电流传导朝向或远离电路的金属元件，但是可以由任何合适的导电材料制成，所述导电材料包括但不限于诸如Au、Pt、Al、Cu等的金属，以及任何合金、氧化物和/或其组合；导电聚合物材料；复合材料，诸如嵌入金属颗粒和/或金属线束或条带的聚合物材料，包括用导电薄片(flake)或纤维功能化的绝缘材料，例如碳填充聚合物；液态金属，包括合金或其氧化物，诸如镓；导电油墨；以及其任何合适的组合。可以采用微光刻法和/或微集成电子设备以及本领域可容易获得的其他技术来制造电极的部件。
表达“膜”或“薄膜”涉及本发明的设备的元件——诸如支撑衬底和/或导电轨道——的薄形状因数。一般而言，如本文所使用的“膜”或“薄膜”涉及具有比其他尺寸小得多——例如与其他尺寸相比为至少五分之一——的厚度的材料层。通常，膜是如下固体层：该固体层具有上表面和底表面、具有任何合适的形状以及具有的厚度通常在纳米、微米或甚至毫米的量级——取决于需要和环境，例如用来生产它的制造步骤。在一些实施方案中，根据本发明的膜具有包括在1nm和10mm之间、诸如在1nm和10nm之间、在20nm和100nm之间、在5μm和5mm之间、在5μm和1mm之间、在10μm和1mm之间、在5μm和500μm之间、在50μm和500μm之间、在50μm和150μm之间、在100μm和500μm之间，或在200μm和500μm之间的厚度。当提到薄电极膜时，它们可以具有包括在1nm和500μm之间、诸如在20nm和200nm之间或在50nm和100nm之间的厚度。这些尺寸在本发明的框架中被认为是最佳的，因为涉及到将与身体组织接合的设备的可拉伸性和机械顺从性(compliance)。
当提到诸如电极、轨道和/或互连件的导电元件时，术语“顺从的”是指所述导电元件根据它粘附到的支撑件的形状改变而适应以改变它的形状的行为，而不显著损害机械性能和/或电气性能。术语“顺从的”意在包含可压缩的、可逆压缩的、弹性的、柔性的、可弯曲的、可拉伸的或其任何组合的任何适形结构。本领域已知的顺从电极的示例包含金属薄膜(包含图案化电极、平面外弯曲电极(out-of-plane buckled electrode)和波纹膜(corrugated membrane))、金属-聚合物微米/纳米复合材料、碳粉末、碳油脂(carbongrease)、导电橡胶或导电涂料，其综述在Rosset和Shea(Applied Physics A，2013年2月，第110卷，第2期，281-307)中提供，其通过引用整体并入本文。如对于本领域技术人员将是明显的，以上聚合物材料、复合材料、金属材料和/或氧化物材料以及其组合中的任何一种的内置多层或数个层的堆叠被包含在顺从互连件的定义中。优选地，但不限于，根据本发明的电极、轨道和/或互连件本质上是顺从的。优选地，但不限于，根据本发明的电极、轨道和/或互连件本质上是可拉伸的。在一些实施方案中，可以使用如在国际专利申请WO 2004/095536、WO 2016/110564和/或WO 2018/100005A1中描述的可拉伸电极，所述国际专利申请通过引用整体并入本文。
如本文所使用的，术语“可拉伸的”是指一个物品的弹性行为。具体地，可拉伸的物品在单个或多个循环后可以承受包括在静止时其大小的1和500％之间、优选地至少5％、诸如大约50％、大约100％或大约200％的伸长或多向应变，而不破裂或丧失其物理属性和/或机械属性，这在其中可以预见随时间的过去机械应力的数个循环的那些上下文和/或身体结构中代表了一个优点。
在本发明的框架中，“物理属性和/或机械属性”通过示例的方式指的是应力-应变行为、弹性模量、断裂应变、对曲线表面的适形性、对软性表面的顺从性、厚度、面积和形状，在根据本发明的一组实施方案中它们必须尽可能类似于在受试者的身体的组织中发现的那些。
在本发明的框架内，表达“本征非弹性材料”必须被理解为指的是一旦遭受应变(压力、应力、拉伸、扭曲等)就断裂或永久变形——即不以自发和/或自然的方式再次获得其原始形状和尺寸——的材料。相反，“本征弹性材料”是一旦遭受应变就以自发和/或自然的方式再次获得其原始形状和尺寸的材料。
如本文所使用的术语“受试者”是指动物，包括鸟类和哺乳类。例如，本发明设想的哺乳类包含人类、灵长类、驯养动物，诸如牛、羊、猪、马、实验室啮齿类等。
如本文所使用的，“治疗(treatment)”和“治疗(treating)”等通常意味着获得期望的生理效果。该效果在预防或部分预防疾病、其症状或病症方面可以是预防性的和/或在部分或完全治愈疾病、病症、症状或归因于疾病的不良作用方面可以是治疗性的。如本文所使用的，术语“治疗”涵盖对哺乳类——特别是人类——的疾病的任何治疗，并且包含：(a)预防疾病发生在可能易患疾病但尚未被诊断为具有它的受试者中，例如，基于家族史、超重状态或年龄；(b)抑制疾病，即阻止它的发展；或缓解疾病，即导致疾病和/或其症状或病症的消退，诸如损害的改善或补救。术语“诊断”、“诊断的”等是指识别受试者中病理状况的存在或性质。
参考图1至图12，本发明的特征在于一种电气互连系统，该电气互连系统包括：
i)互连板100，包括本征非弹性衬底101，所述衬底101具有第一面102和相对的第二面103、以及位于所述衬底101的至少一部分上或内的至少一个导电轨道104(图1a至图1c)；
ii)可拉伸互连件200，包括本征弹性衬底201，所述衬底201包括至少一个凹处或凹槽202，所述凹处或凹槽202包括其中的至少一个导电元件203，所述凹处或凹槽202被配置为容纳所述互连板100的所述至少一个导电轨道104(参见例如图2至图4)；以及
iii)至少一个导电膏团300，所述导电膏团300位于所述凹处或凹槽202内并且被配置为将所述导电元件203与所述互连板导电轨道104电连接(参见例如图3a至图3f或图4a至图4f)。在本发明的实施方案中，该系统还包括位于互连板100的第二面103和可拉伸互连件200两者上的胶粘剂和电绝缘材料的封装层400(参见例如图3a至图3f或图4a至图4f)。
例如，参考图3f，互连板100被容纳在凹处或凹槽202中，第一面102朝向衬底201，即朝向凹处或凹槽202的底部，导电轨道104面向导电元件203。互连板100的相对的第二面103被布置在凹处或凹槽202的开孔(aperture)处，例如从该开孔突出。封装层400将互连板100的相对的第二面103与凹槽202的凹处的至少一部分在其开孔处封装，以便将互连板100封闭在凹处或凹槽202中。凹处或凹槽202的剩余部分可以没有封装层400。
互连板100的衬底101可以具有从一侧101a延伸到相对侧101b的预定长度，第一表面102和第二表面103沿该预定长度布置。衬底101在其部分101c、101d处可以具有不同的厚度，所述部分101c、101d布置在距一横向侧101a不同的距离处并且导电轨道104可以在所述部分中的一个部分101c处从第一表面102暴露出来，所述部分101c的厚度小于导电轨道104未暴露的另一个部分101d。
为了解决影响现有技术的缺陷，表征本发明的系统的关键发明构思之一依赖于在混合弹性/非弹性电气互连系统的本征弹性衬底201上单独的电子触点的存在，所述电子触点被实施为包括其中的至少一个导电元件203的凹处或凹槽202，所述凹处或凹槽202被图案化在弹性衬底201中。通过在初步规划阶段调整位于配合的(mating，配对的)互连板100的本征非弹性衬底101上的导电轨道104的设计以匹配凹处或凹槽202的大小(宽度和间隙)，导电轨道104可以被容易地放置在弹性设备衬底上，因为导电轨道104与凹处202结构的壁204自对准。有利地，在存在不止一个导电轨道104的情况下，在一个实施方案中，每个导电轨道104安置在凹处202内部并且通过凹处壁204彼此隔离。
本发明提出的设计的另一个优点是显著减小互连系统的庞大体积，特别是在厚度方面：因为互连板100的导电轨道104最终位于可拉伸互连件200的匹配的凹处或凹槽202内、互连板100和互连件200导致共面并且不以堆叠配置耦合。与本领域已知的方案相比，如此获得的布置允许显著减小整个系统的大小，从而创建无缝混合软性/刚性互连。不受任何理论约束，认为所提出的配置进一步允许在沿电气互连系统的可拉伸部分的伸长应力后应变的更均匀分布，因此降低由于断裂而导致故障的风险。
可拉伸互连件200可以用诸如微加工和光刻的本领域已知的方法制造，如将在下面的描述中将变得明显的。首先在诸如刚性硅晶片的临时衬底上提供本征弹性衬底201。衬底201大体上由软性聚合物基质组成，该软性聚合物基质由软性聚合物材料或许多软性聚合物材料的组合制成——所述软性聚合物材料每当需要时可能是生物相容的材料，以适应生物医学应用。术语“软性”在本文中意在包含可压缩的、可逆压缩的、弹性的、柔性的、可拉伸的或其任何组合的任何材料。具体地，软性材料包含如下材料：所述材料具有小杨氏模量(通常<100MPa，诸如在0.01和100MPa之间)、在应变应力后提供大伸长，通常大于静止时软性结构的伸长的5％。以这样的方式，所获得的设备在经历变形后即使对于数毫米到数厘米的厚度也是高度顺从的。
在本发明的优选的实施方案中，软性材料优选地在更多方向上是可拉伸的，即在伸长后可弹性变形。支撑件201的可拉伸性由该材料提供，这大体上由组成；在此上下文中，在优选的实施方案中，支撑衬底201大体上由软性聚合物材料或许多软性聚合物材料的组合制成——所述软性聚合物材料可能是生物相容的材料——或涂有软性聚合物材料或水凝胶的聚合物材料制成，或由复合材料制成。用于构成衬底201的软性聚合物基质的合适的材料的示例是例如热固性塑料或热塑性塑料，诸如苯乙烯丁二烯苯乙烯(SBS)或苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯(SEBS)，软性泡沫诸如聚氨酯——包含网状聚氨酯、聚氯乙烯(PVC)、氯丁橡胶、非交联氯丁橡胶、交联聚乙烯、聚醚、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯-醋酸乙烯酯(PEVA)、聚丙二醇(PPG)、乳胶，弹性体材料诸如硅橡胶(例如聚二甲基硅氧烷PDMS)或氟硅橡胶，热塑性弹性体诸如苯乙烯嵌段共聚物(SBC)、三元乙丙(Ethylene Propylene DieneMonomer，乙烯丙烯二烯单体，EDPM)橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶，或任何前述的组合。
因此，在发明的优选的实施方案中，支撑件201具有包括在大约1kPa和1GPa之间、诸如例如在大约100kPa到大约1GPa之间、在大约100kPa到大约1GPa之间、在大约5MPa到约1GPa之间、在大约100kPa到大约100MPa之间、在大约100kPa到大约5MPa之间、在大约10kPa到大约300kPa之间或在大约10kPa到大约10MPa之间、优选地在大约1MPa到大约10MPa之间的杨氏模量，这是与许多生物组织和表面的杨氏模量匹配以避免所述组织和生物医学设备之间的机械失配和/或用于模仿身体组织的物理属性和/或机械属性的值的合适范围。
在第二步骤中，在衬底201上提供至少一个导电元件203。通过示例的方式，可以通过经由例如物理气相沉积(诸如热蒸发或溅射、化学气相沉积、喷涂、层压、簇离子注入或超音速簇束注入)沉积金属(诸如Au、Pd、Pt、Ir或其合金)在固化的软性并且可拉伸的弹性体材料(诸如PDMS)的至少一个表面上提供导电元件203。术语“固化”在本文中被用来指聚合物材料通过聚合物链的交联的增韧(toughening)或硬化，所述交联是由电子束、热量和/或化学添加剂诸如交联剂引起的，如本领域技术人员众所周知的。当添加剂由紫外线辐射活化时，该过程也被称为UV固化。在此非限制性并且可组合的实施方案中，至少一个导电元件203包括可拉伸金属薄膜或由可拉伸金属薄膜组成，该薄膜具有包括在10nm和80nm之间的厚度、具有包括在50μm和300μm之间的轨道宽度。
附加地或替代地，所述至少一个导电元件203可以大体上由通过例如喷涂、溅射、丝网印刷或喷墨印刷沉积在固化的软性材料表面上的复合材料组成，所述复合材料是诸如金属和/或碳基油墨和膏。复合材料可以替代地由“掺杂”或嵌入微米或纳米颗粒的软性聚合物基质组成，所述微米或纳米颗粒是诸如碳纳米管或微米/纳米颗粒、金微米/纳米颗粒、铂微米/纳米颗粒等。
附加地或替代地，所述至少一个导电元件203可以大体上由通过例如物理气相沉积、化学气相沉积、喷涂、热蒸发/凝结、直接书写丝网印刷(direct writing screenprinting)、刮刀涂布(doctor blading)或喷墨印刷沉积在固化的软性材料表面上的液态金属或其合金——优选地镓和镓基合金之一——组成。任何以上方案的组合也是可设想的。
在第三步骤中，导电元件203的至少一部分被封装到大体上由软性聚合物材料组成的相同的或不同的软性基质内。为此目的，根据本领域已知的方法，诸如包覆成型、喷涂、分配(浇注)、成型、压缩成型、浸涂等，以嵌入导电元件203这样的方式提供软性可固化材料。优选地，导电元件203被封装到相同的或不同的软性基质内，并且此后者随后通过例如光刻被图案化，以1)通过通孔(via)暴露导电元件203和2)创建由图案化工艺产生的壁204界定的凹处或凹槽202。那些步骤结束时的结果是衬底201包括至少一个凹处或凹槽202，所述凹处或凹槽202包括其中的至少一个导电元件203：因此，封装覆盖衬底的所有地方，除了可拉伸互连件202的一端，其中来自导电元件203的“垫”被用于电接触。选择凹处或凹槽202的尺寸以容纳互连板100的至少一个导电轨道104，如稍后将在说明书中详述的。
根据图4a至图4f中示例性描绘的一个实施方案，可拉伸互连件200的至少一个导电元件203被嵌入本征弹性衬底201内。优选地，嵌入本征弹性衬底201内的导电元件203由掺杂有或嵌入诸如碳纳米管或微米/纳米颗粒、金微米/纳米颗粒、铂微米/纳米颗粒等的微米或纳米颗粒的软性聚合物基质组成。
至于本发明的可拉伸互连件，根据本公开内容的互连板100可以用本领域已知的方法制造。根据本发明的互连板100包括本征非弹性衬底101和位于其上——例如位于至少第一面102和/或相对的第二面103上——的至少一个导电轨道104。附加地或替代地，所述导电轨道104可以被嵌入所述衬底101内并且通过通孔——可能是金属化的通孔——而被暴露或部分暴露。导电轨道104可以在其至少一部分上用构成衬底101的相同材料或不同材料钝化，并且通孔可以被打开以访问轨道104的导电部分。在一些优选的实施方案中，互连板100的衬底101大体上由柔性材料组成。在此上下文中，术语“柔性的”是指可弯曲的、本征非弹性材料，诸如例如塑料、热塑性塑料(例如聚酰亚胺或聚对二甲苯)、液晶聚合物(LCP)、环氧树脂中的薄玻璃纤维复合材料(例如FR4)以及类似物。柔性衬底101对于实施到诸如神经接口的生物医学植入物/设备中的互连系统是特别感兴趣的，因为它可以减少设备部分和身体组织(诸如例如皮层)之间的机械失配，同时是顺从的和足够有抵抗力的，以避免机械故障的风险。
优选地，并且仍然在本发明的范围内，所述互连板本征非弹性衬底101至少在互连部位处——换言之，至少在导电轨道104所在的衬底的部分处——是平面的，并且其功能是建立与可拉伸互连件200的配对部分的电连接。此配置允许在厚度方面减少最终的组件的形状因数的可能性，即一旦至少一个导电轨道104与可拉伸互连件200耦合，使得轨道104位于已分配的凹处或凹槽202内。此外，根据一些实施方案，可拉伸互连件200是平面的。
在实施方案中，互连板100的至少一个导电轨道104位于本征非弹性衬底101的细长构件1000上，该细长构件1000可能是平面细长构件。在发明的实施方案中设想了多个细长构件1000或细长构件1000的阵列(图5a至图5c)，每个细长构件1000包括其上/其中的至少一个导电轨道104，所述阵列可能允许复用最终的互连系统的功能，从而提供多个分立的通道。细长构件1000的阵列在下文中可能被称为“指状物”。根据以上实施方案，可拉伸互连件200包括衬底201，该衬底201具有多个凹处或凹槽202或凹处或凹槽202的阵列，所述凹处或凹槽202包括其中的至少一个导电元件203，凹处202被配置为容纳匹配的导电轨道104(图6a至图6c)，取决于需要和环境。在图7a、图7b、图7c、图8、图9a、图9b、图9c、图10、图11a、图11b、图11c和图12中描绘了阵列配置的以及可由此获得的根据本发明的互连系统的一些示例性实施方案。
参考图3a至图3c和图4a至图4c，示出了根据本发明的互连系统的一种制造方法的两个非限制性实施方案，以及在横截面中描绘的所述系统的一个实施方案。图3a-图3c和图4a-图4c中所示出的实施方案之间的主要区别在于导电元件203的定位，该导电元件203放置在衬底201上(图3a)或放置在衬底201内(图4a)。在第一步骤中(图3a或图4a)，提供可拉伸互连件200，在图2a中被更好地示出为俯视图。
在第二步骤中(图3b或图4b)，至少一个导电膏团300位于凹处或凹槽202内。导电膏团300被配置为将导电元件203与互连板导电轨道104电连接。在一些实施方案中，所述至少一个导电膏团300大体上由粘弹性聚合物组成，所述粘弹性聚合物被配置为将所述导电元件203与所述互连板导电轨道104机械连接。此配置便于组成系统的不同元件的机械链接，因此减少最终的组件的“软性”部件和“刚性”部件之间的机械失配。
在一个实施方案中，所述导电膏团300包括软性聚合物材料和多个导电微米或纳米颗粒、管引线和/或片材的混合物。通常，所述元件由以下组成：选自银(例如银粉末)、金、铂等的金属材料的微米或纳米颗粒、管引线和/或片材、以及氧化物和/或其组合；碳粉末、碳纳米管、石墨烯纳米片材等。
在第三步骤中(图3c至图3e或图4c至图4e)，包括导电轨道104的互连板100的本征非弹性衬底101以与可拉伸互连件200建立牢固的物理和电连接的方式放置在接收凹处202中。为此目的，导电轨道104被嵌入导电膏团300中，取决于需要和环境，该导电膏团300可以大体上由粘弹性聚合物组成，该粘弹性聚合物被配置为将可拉伸互连件200的导电元件203与所述互连板导电轨道104机械连接。团300的粘弹性聚合物最初可以为液体或半固体形式，并且随后一旦导电轨道104在凹处202内在平面内(in plane)，借助于本领域已知的手段，诸如光聚合、化学聚合、热量(例如在80℃的烤箱中1小时来固化)等将其固化。团300可能包含充当交联剂(例如光引发剂)的反应性化学物类以帮助、加速和/或增强固化过程。因此，在本公开内容的框架中，“膏”还包含软性固体材料，所述软性固体材料由(一种或多种)初始非软性固体前体的固化过程产生。在一个实施方案中，所述至少一个凹处或凹槽202被配置为完全容纳所述互连板100的所述至少一个导电轨道104，使得所述至少一个导电轨道104被完全嵌入所述至少一个导电膏团300内。在其他实施方案中，至少一个凹处或凹槽202被配置为完全容纳所述至少一个导电轨道104以及包括所述至少一个导电轨道104的本征非弹性衬底101。
在最后、可选的步骤中(图3f或图4f)，用胶粘剂和电绝缘材料的封装层400封装电气互连系统，该封装层400位于互连板100的第二面103和可拉伸互连件200上。为了尽可能多地维持最终的组件的柔性和可拉伸性，按照本发明的一般精神，所述封装层400优选地大体上由本征弹性材料——例如诸如硅橡胶、聚丁基橡胶、聚氨酯、热塑性硫化产品等的弹性体材料——组成。封装层400不仅保证整个系统的机械鲁棒性，而且避免与周围环境和/或系统的数个部件之间的短路(shortcut)的风险。
在优选的实施方案中，在根据本发明的电气互连系统中，所述至少一个导电轨道104和/或所述至少一个导电元件203包括被配置为能电连接到外部设备(图13)的一端。如将是明显的，作为本发明的系统的“电气互连”系统，构成该系统的元件应创建在至少两个元件之间的合适的电连接。出于在下面的描述中将变得明显的原因，两个元件可能是电气、电子或机电外部设备，或这些元件中的一个可能是受试者的身体的组织、器官或其他部分，如在用于身体接口的生物医学设备的情况下。
如对于本领域技术人员将是明显的，本发明的互连系统可以被使用和实施以连接系统、设备等的“软性”部件和“刚性”部件。因此，本发明的一个方面涉及包括如本文所描述的电气互连系统的制造物。可以享受本文所描述的发明的制造物包含医疗设备和生物医学设备——包含可植入设备、可穿戴设备，诸如“智能”服装(嵌入电子部件的衬衫、帽子、鞋子等)、腕带、薄形状因数制造物品，诸如(柔性)显示器、嵌入电子部件的家具，诸如椅子等。
具体地，如预料的，在本发明的框架中，电气互连系统可以有利地被使用并且被并入生物医学设备，特别是被配置为临时地或永久地植入受试者的身体内的设备。如本文所使用的术语“受试者”指哺乳类或甚至鸟类。例如，本发明设想的哺乳类包含人类、灵长类、驯养动物，诸如牛、羊、猪、马、实验室啮齿类等。在本发明的意义内，“固定植入物”定义了如下一种生物医学设备：该生物医学设备能够符合已建立的和/或定制的外科手术程序，并且能够在体内存在，而不在延长的时间段——诸如例如超过7天——产生不良生物反应。仍然在本发明的意义内，“可移除植入物”定义了如下一种生物医学设备：该生物医学设备能够符合已建立的和/或定制的外科手术程序，并且能够在体内存在有限量的时间，诸如例如外科手术的时间。
有利地，在生物医学设备的框架中，本发明的电气互连系统可以主要允许1)减小包含该系统的设备的形状因数，2)在偏转刺激(例如膨胀、收缩、弯曲、扭转、扭曲、线性或面积应变(area strain))后优化机械应力沿设备的分布，以及3)更好地符合周围生物组织的机械属性，从而减少机械失配并且因此减少受试者内的不良反应(例如炎症或纤维化反应)。
根据本发明的生物医学设备可以被用于感测、测量和/或监测有需要的受试者内的生理参数和/或生理病理参数，目的是治疗受试者。有利地，本发明的互连系统可以被实施到易于承受物理应力和/或机械应力(诸如植入后的偏转)的设备中。例如，用于治疗中枢神经系统和/或外周神经系统紊乱的神经接口包含通常被包含到根据本发明的此方面的一组设备中。替代地，旨在与诸如心脏、肝脏、肠道、膀胱、视网膜等的软性组织的表面接合的电极阵列植入物也被包含到本发明的此方面中。举例而言，微电极阵列特别适合于被用作与脊髓、脑或周围神经或软性生物组织的神经接口，例如用于刺激和/或记录神经或心脏活动的目的，以及用于监测外伤性脑损伤或膀胱传入活动之后的海马电气活动，或甚至用于刺激易兴奋细胞的电势等，并且可以有利地享受本发明的互连电气系统。
示例
在根据本发明的一个实施的、非限制性示例中，一种互连电气系统已经被制造并且被包含到生物医学设备中。
被实施为柔性PCB(FPCB)的梳状物结构100——包括多个指状物，所述指状物每个具有由金属材料的薄膜制成的导电轨道104——已经被放置在软性互连件200上，使得每个指状物1000位于它的已分配的通道202中：该梳状物的指状物自动地自对准设备上的凹处结构的壁并且通过凹处壁彼此隔离。
在放置梳状物之前或之后，通道202被填充有导电膏300——例如通过模板印刷(stencil printing)，以在设备上的柔性结构100和可拉伸互连件200之间提供本征弹性的电气接触。一旦被放置，FPCB被固定就位并且通过硅酮密封剂400进行电气隔离，以将部件锁定就位并且提供相对于衬底的机械稳定性。因为指状物1000未刚性地连接到软性衬底200，所以组件可以维持弹性以允许挠曲和伸展，而导电膏300保持电气接触功能。FPCB的另一端经由标准连接器或电缆连接到外部硬件。互连系统的总体厚度因此仅受软性衬底和封装的厚度限制，因为指状物位于凹处内部。
尽管在此演示中，软性设备是使用改编自半导体工业的工艺制造的，但是此技术可以被应用于任何可以被机械加工有所需的凹处/壁结构的封装材料。在此示例中，衬底和封装的厚度都等于200μm。垫到垫的节距(pitch)可以是在数百微米的量级，例如500μm，并且受图案化/机械加工工艺的分辨率限制。通道(凹处202)的长度是大约1mm。FPCB的总厚度可以是大约100μm，取决于制造工艺。金属薄膜的厚度是23nm。此技术独立于金属化材料，只要兼容的导电膏是可得的。
此连接结构可以在通道数目上按比例放大以及在大小上按比例缩小——因为这仅取决于金属轨道的分辨率(通过光刻)和衬底图案化(激光机械加工)。此外，柔性印刷电路板可以被扩展为被用作承载所有通道的扁平带状电缆的窄条带，或以可以使用常规技术焊接和捆绑在一起的小引线终止(因为软性材料造成的限制不适用)。此外，可以使用标准电子封装技术在指状物附近集成小型有源电子芯片，以便为设备提供增强的功能。
虽然已经参考某些优选的实施方案公开了本发明，但是在不脱离本发明的范畴和范围的情况下，对所描述的实施方案以及其等同物的许多修改、变更和改变是可能的。因此，意在使本发明不限于所描述的实施方案，并且根据所附权利要求的语言给予最宽泛合理的解释。

Claims (17)

1.一种电气互连系统，包括：
i)互连板(100)，包括本征非弹性衬底(101)，所述衬底(101)具有第一面(102)和相对的第二面(103)、以及位于所述衬底(101)的至少一部分上和/或内的至少一个导电轨道(104)；
ii)可拉伸互连件(200)，包括本征弹性衬底(201)，所述衬底(201)包括至少一个凹处或凹槽(202)，所述至少一个凹处或凹槽(202)包括其中的至少一个导电元件(203)，所述至少一个凹处或凹槽(202)被配置为容纳所述互连板(100)的所述至少一个导电轨道(104)；以及
iii)至少一个导电膏团(300)，位于所述至少一个凹处或凹槽(202)内、被配置为将所述至少一个导电元件(203)与所述至少一个导电轨道(104)电连接。
2.根据权利要求1所述的电气互连系统，其中所述至少一个导电膏团(300)大体上由粘弹性聚合物组成，所述粘弹性聚合物被配置为将所述至少一个导电元件(203)与所述至少一个导电轨道(104)机械连接。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的电气互连系统，其中所述互连板(100)的所述衬底(101)大体上由柔性材料组成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电气互连系统，其中所述本征非弹性衬底(101)在互连部位是平面的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电气互连系统，其中所述互连板(100)的所述至少一个导电轨道(104)位于所述本征非弹性衬底(101)的细长构件(1000)上。
6.根据权利要求5所述的电气互连系统，其中所述本征非弹性衬底(101)的所述细长构件(1000)是平面的。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的电气互连系统，其中所述互连板(100)包括细长构件(1000)的阵列，每个所述细长构件包括至少一个导电轨道(104)。
8.根据权利要求7所述的电气互连系统，其中所述可拉伸互连件(200)包括凹处或凹槽(202)的阵列，每个凹处或凹槽(202)包括其中的所述至少一个导电元件(203)中的一个。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电气互连系统，其中所述至少一个凹处或凹槽(202)被配置为完全容纳所述互连板(100)的所述至少一个导电轨道(104)，使得所述至少一个导电轨道(104)被完全嵌入所述至少一个导电膏团(300)内。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电气互连系统，其中所述可拉伸互连件(200)的所述至少一个导电元件(203)包括可拉伸金属薄膜。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的电气互连系统，其中所述可拉伸互连件(200)的所述至少一个导电元件(203)被嵌入所述本征弹性衬底(201)内。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电气互连系统，其中所述导电膏团(300)包括软性聚合物材料和多个导电微米或纳米颗粒、管引线和/或片材的混合物。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电气互连系统，还包括胶粘剂和电绝缘材料的封装层(400)，所述封装层封装所述互连板(100)的所述相对的第二面(103)以及所述可拉伸互连件(200)的至少一部分，所述可拉伸互连件(200)的所述至少一部分包含所述至少一个凹处或凹槽(202)的至少一部分。
14.根据权利要求13所述的电气互连系统，其中所述封装层(400)大体上由本征弹性材料组成。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电气互连系统，其中所述至少一个导电轨道(104)和/或所述至少一个导电元件(203)包括被配置为能电连接到外部设备的一端。
16.一种制造物，包括根据权利要求1至15中任一项所述的电气互连系统。
17.根据权利要求16所述的制造物，其中该制造物是被配置为临时地或永久地植入受试者的身体内的生物医学设备。
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