CN220772985U - 一种场效应晶体管生物传感器封装结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种场效应晶体管生物传感器封装结构,包括:电学连接模块、围堰栅极模块和封装基板。电学连接模块包括聚合物框架,聚合物框架中空部分设有第一定位槽,两侧边框中分别埋置多条引线,另外两侧设有第二定位槽,芯片通过第一定位槽与聚合物框架固定连接,芯片焊盘与引线电学连接。围堰栅极模块包括围堰框架和参比电极模块,参比电极模块嵌入于围堰框架,围堰栅极模块通过第二定位槽与电学连接模块固定连接,参比电极模块与芯片电学连接。封装基板在中部背栅处设有第三定位槽,芯片通过第三定位槽与背栅固定连接,封装基板的焊盘与引线锡焊连接。本实用新型提供的模块化封装结构电学连接可靠,为生物传感器阵列设计提供极大的灵活性。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物传感器技术领域,尤其涉及一种场效应晶体管生物传感器封装结构。
背景技术
在生物传感器设计制造过程中,传感器封装对性能的影响起到关键作用,封装目的是为了把芯片和参比电极模块集成在一起,使源漏通道和栅电极开放,液体样本限制在传感器窗口区域。保证芯片免受外界环境对电学连接的影响,稳定良好的运行,发挥其应有的作用。
现有封装方法一为采用共表平面技术是将单个芯片嵌入塑料基板中,并与塑料基板表面共面,然后进行金属沉积和剥离工艺以创建金属线,实现芯片和封装焊盘的电气互连。现有比较可行的生物传感器封装一般采用引线键合,载带自动焊或倒装芯片技术实现芯片和基板的电学连接。传统的芯片封装方式在整个芯片上浇铸光固化环氧树脂封装键合线,然后以光刻方式定义传感结构的高纵横比结构开口,但是光固化环氧树脂部分溶于乙醇,残留物较多。
现有封装方法二为利用微机械再分配焊盘框架(MRP)封装芯片,将芯片放置在空腔中并重新布线焊盘框架,从而实现微流体的集成。MRP方法需要直接接触芯片表面,目的是允许微流体后期集成。利用扇出晶圆级封装技术将单个芯片封装到环氧树脂基板中,芯片和封装焊盘通过剥离技术制造金属再分布层,并以扇出方式互连,通过切割得到封装好的芯片,从而实现电气互联和微通道集成。喷墨打印将钝化保护后的芯片经过切片后贴到封装体上,通过引线键合和参比电极模块的集成。采用表面牺牲层技术,通过喷墨打印在芯片表面沉积形成微流体系统。
由此可见,现有的封装结构将电路和芯片装置在一个腔室,并进行密封,这种封装方式无法满足生物传感器的可靠电学连接、以及保证液体样本与传感区域直接接触,金属互连与溶液之间良好电隔离的要求。
实用新型内容
鉴于此,本实用新型实施例提供了一种场效应晶体管生物传感器封装结构,以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷,解决现有生物传感器封装结构无法满足可靠电学连接、以及保证液体样本与传感区域直接接触,金属互连与溶液之间良好电隔离要求的问题。
本实用新型的技术方案如下:
本实用新型提供一种场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,包括:
电学连接模块;所述电学连接模块包括聚合物框架;所述聚合物框架为中空结构,其中空部分设有第一定位槽;所述聚合物框架沿第一方向的两侧边框中分别埋置有多条引线,与所述第一方向相对的另外两侧设有第二定位槽;所述聚合物框架基于所述第一定位槽固定生物传感芯片,其中,所述生物传感芯片两侧设有多个第一焊盘,所述第一焊盘与所述引线的数量与位置间隔均一致,以保证所述第一焊盘与所述引线对齐,所述第一焊盘与所述引线电学连接;
围堰栅极模块;所述围堰栅极模块包括围堰框架和参比电极模块;所述围堰框架为中空结构;所述参比电极模块嵌入于所述围堰框架中,且一端内置于所述围堰框架中,一端延伸至所述围堰框架外部;所述围堰栅极模块基于所述第二定位槽与所述电学连接模块固定连接,所述参比电极模块与所述电学连接模块电学连接;
封装基板;所述封装基板为PCB板;所述封装基板包括背栅和第二焊盘,所述背栅设置于所述封装基板中部,并在所述背栅部分设置第三定位槽;所述第二焊盘与所述引线的数量与位置间隔均一致;保证所述第二焊盘与所述引线对齐的情况下,所述电学连接模块基于所述第三定位槽与所述封装基板固定连接,所述生物传感芯片与所述背栅自动对准并固定连接,所述引线与所述第二焊盘电学连接。
在本实用新型的一些实施例中,所述引线采用铜带。
在本实用新型的一些实施例中,所述第一焊盘与所述引线通过加热固化导电胶以进行电学连接。
在本实用新型的一些实施例中,所述围堰框架采用聚二甲基硅氧烷材料。
在本实用新型的一些实施例中,所述参比电极模块由嵌入所述围堰框架中的银丝经三氯化铁溶液氯化得到。
在本实用新型的一些实施例中,所述围堰栅极模块基于所述第二定位槽与所述电学连接模块固定连接,还包括:
所述围堰框架利用氧等离子体处理所述围堰框架表面,使得所述围堰框架表面与所述生物传感芯片表面相贴合,以实现所述围堰栅极模块与所述电学连接模块键合。
在本实用新型的一些实施例中,所述参比电极模块与所述电学连接模块的导线结合处通过加热固化导电胶以进行电学连接。
在本实用新型的一些实施例中,所述生物传感芯片与所述背栅通过加热固化导电胶以进行固定连接。
在本实用新型的一些实施例中,所述引线与所述第二焊盘通过锡焊的方式进行电学连接。
在本实用新型的一些实施例中,完成所述电学连接模块、所述围堰栅极模块和所述封装基板的组装和电学连接后,还包括:所有焊点通过在所述生物传感芯片上及周围滴胶填充的方式进行灌封。
本实用新型的有益效果至少是:
本实用新型提供一种场效应晶体管生物传感器封装结构,构建独立的电学连接模块和围堰栅极模块,并将铜引线嵌入聚合物框架,参比电极模块嵌入PDMS材料的围堰框架,采用模块化式的封装技术可以为生物传感器阵列的设计提供极大的灵活性。通过简易组装的方式,将生物传感芯片放置于聚合物框架,实现电学连接;同时,通过氧等离子体键合生物传感芯片和围堰框架,使得封装后的生物传感器具备可靠电学连接的同时,保证液体样本与传感区域直接接触,金属互连与溶液之间的良好电隔离特性。
本实用新型的附加优点、目的,以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述,且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显,或者可以根据本实用新型的实践而获知。本实用新型的目的和其它优点可以通过在本公开内容以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是,能够用本实用新型实现的目的和优点不限于以上具体所述,并且根据以下详细说明将更清楚地理解本实用新型能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本实用新型的限定。附图中的部件不是成比例绘制的,而只是为了示出本实用新型的原理。为了便于示出和描述本实用新型的一些部分,附图中对应部分可能被放大,即,相对于依据本实用新型实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中:
图1为本实用新型一实施例中场效应晶体管生物传感器封装结构图。
图2为本实用新型一实施例中电学连接模块结构图。
图3为本实用新型一实施例中围堰栅极模块结构图。
图4为本实用新型一实施例中封装基板结构图。
图5为本实用新型一实施例中电学连接模块的组装示意图。
图6为本实用新型一实施例中围堰栅极模块与电学连接模块组装示意图。
图7为本实用新型一实施例中电学连接模块、围堰栅极模块与封装基板组装示意图。
附图标记说明:
100:电学连接模块; 200:围堰栅极模块; 300:封装基板;
110:聚合物框架; 120:生物传感芯片; 111:第一定位槽;
112:引线; 113:第二定位槽; 121:第一焊盘;
210:围堰框架; 220:参比电极模块; 310:背栅;
320:第二焊盘。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施方式和附图,对本实用新型做进一步详细说明。在此,本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型,但并不作为对本实用新型的限定。
在此,还需要说明的是,为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型,在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤,而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。
应该强调,术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在,但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此,还需要说明的是,如果没有特殊说明,术语“连接”在本文不仅可以指直接连接,也可以表示存在中间物的间接连接。
在下文中,将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中,相同的附图标记代表相同或类似的部件,或者相同或类似的步骤。
为了解决现有生物传感器封装结构无法满足可靠电学连接、以及保证液体样本与传感区域直接接触,金属互连与溶液之间良好电隔离要求的问题,本实用新型提出了一种场效应晶体管生物传感器封装结构,如图1所示,该封装结构包括电学连接模块100、围堰栅极模块200和封装基板300,具体包括以下内容:
如图2所示,电学连接模块100包括聚合物框架110。聚合物框架110为中空结构,示例性的,为中空矩形结构,其中空部分设有第一定位槽111。聚合物框架110两侧边框中分别埋置有多条引线112,另外两侧设有第二定位槽113。生物传感芯片120两侧设有多个第一焊盘121,第一焊盘121与引线112的数量与位置间隔均一致。保证第一焊盘121与引线112对齐的情况下,生物传感芯片120基于第一定位槽111放置于聚合物框架120中,同时,第一焊盘121与引线112电学连接。
如图3所示,围堰栅极模块200包括围堰框架210和参比电极模块220。围堰框架210为中空结构,示例性的,为中空矩形结构。参比电极模块220嵌入于围堰框架210中,且一端内置于围堰框架210中,一端延伸至围堰框架210外部。所述围堰栅极模块200基于第二定位槽113与电学连接模块100固定连接,同时,参比电极模块220与电学连接模块100电学连接。
在一些实施例中,参比电极模块220可以在在封装完成后,在测试时安装。
如图4所示,封装基板300包括背栅310和第二焊盘320。背栅310设置于封装基板300中部,并在背栅310部分设置第三定位槽330。第二焊盘320与引线112的数量与位置间隔均一致。保证第二焊盘320与引线112对齐的情况下,电学连接模块100基于第三定位槽330与封装基板300固定连接,生物传感芯片120与背栅310自动对准并固定连接,同时,引线112与第二焊盘320进行电学连接。其中,封装基板300为PCB板。
在一些实施例中,引线112采用铜带,实现电学连接模块100与生物传感芯片120电性连接。
在一些实施例中,生物传感芯片120面朝上放置于聚合物框架110的第一定位槽111中,同时实现第一焊盘121与引线112的对准。
在一些实施例中,第一焊盘121与引线112通过加热固化导电胶以进行电学连接。示例性的,对导电胶进行5分钟的不大于100℃的局部加热,以实现固化。
在一些实施例中,围堰框架210采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)材料。PDMS材料是一种高分子聚合物,具有光学透明的特性,且在一般情况下,具备惰性、无毒、不易燃等特性。
在一些实施例中,参比电极模块220由嵌入于围堰框架210中的银丝经三氯化铁溶液氯化得到,示例性的,采用0.1mol/L三氯化铁进行氯化处理。
在一些实施例中,围堰框架210利用氧等离子体处理其表面,使得围堰框架210的表面与生物传感芯片120的表面相贴合,并基于第二定位槽113,实现围堰栅极模块200与电学连接模块100键合。
在一些实施例中,参比电极模块220与电学连接模块100的导线结合处通过加热固化导电胶以进行电学连接。
在一些实施例中,生物传感芯片120与背栅310通过加热固化导电胶以进行固定连接。
在一些实施例中,引线112与第二焊盘320通过锡焊的方式进行电学连接。
在一些实施例中,完成电学连接模块100、围堰栅极模块200和封装基板300的组装和电学连接后,对所有的焊点采用在生物传感芯片120上及其周围滴胶填充的方式进行灌封,保证密封,防止锈蚀。
在实施中,本实用新型设计的场效应晶体管生物传感器封装结构的制备过程包括以下步骤S101~S103:
步骤S101:如图5所示,为电学连接模块的组装步骤。
获取聚合物框架和生物传感芯片。其中,聚合物框架为中空结构,其中空部分设有第一定位槽,两侧边框中分别埋置有多条引线(铜带),另外两侧设有第二定位槽。铜引线分布相对聚合物框架位置固定。
在铜引线前端涂导电胶,将生物传感芯片面朝上放置于聚合物框架的第一定位槽中,同时实现生物传感芯片上焊盘与铜引线的对准,加热固化导电胶,完成生物传感芯片焊盘与铜引线的连接。
步骤S102:如图6所示,为围堰栅极模块与电学连接模块组装的步骤。
获取围堰框架和银丝。其中,围堰框架为中空结构,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料。
将银丝嵌入围堰框架中,经三氯化铁溶液氯化得到参比电极模块。其中,参比电极模块嵌入于围堰框架中,且一端内置于围堰框架中,一端延伸至围堰框架外部。围堰框架与参比电极模块构成围堰栅极模块。
采用氧等离子体处理PDMS材料,在表面引入亲水性质的-OH基团。
围堰栅极模块对准聚合物框架上表面的第二定位槽,同时,经氧等离子体处理后的围堰框架表面与生物传感芯片上表面相贴合,完成围堰栅极模块与电学连接模块的键合。
在参比电极模块与电学连接模块的导线结合处点涂导电胶,加热固化后完成电学互连。
步骤S103:如图7所示,为电学连接模块、围堰栅极模块与封装基板组装的步骤。
获取封装基板,该封装基板是批量加工的PCB电路板,用于为生物传感芯片和测试电路提供电学连接。封装基板中部为背栅,在背栅部分设置第三定位槽。
在背栅部分涂导电胶,电学连接模块的定位边对准第三定位槽,生物传感芯片的背面自动对准封装基板的背栅,加热固定生物传感芯片。同时,铜引线后端和封装基板焊盘自动对准,采用锡焊的方式,完成铜引线和焊盘的电学互连。
滴胶填充生物传感芯片及其周围,灌封焊点。
基于步骤S101~S103,得到场效应晶体管生物传感器封装结构。
将基于本实用新型封装结构得到的场效应晶体管生物传感器在空气和缓冲溶液进行测试,检测效果好,同时,由于场效应晶体管芯片的尺寸非常小,本实用新型的封装结构可以大大降低传感器的成本。传感器芯片还可以任意放置在一个塑料基板上,以适应多个微流体通道,从而为传感器阵列的设计提供了极大的灵活性。
综上所述,本实用新型提供一种场效应晶体管生物传感器封装结构,构建独立的电学连接模块和围堰栅极模块,并将铜引线嵌入聚合物框架,参比电极模块嵌入PDMS材料的围堰框架,采用模块化式的封装技术可以为生物传感器阵列的设计提供极大的灵活性。通过简易组装的方式,将生物传感芯片放置于聚合物框架,实现电学连接;同时,通过氧等离子体键合生物传感芯片和围堰框架,使得封装后的生物传感器具备可靠电学连接的同时,保证液体样本与传感区域直接接触,金属互连与溶液之间的良好电隔离特性。
这些仅仅是想要明确表达的示例,可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其它元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”,旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地,单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其它的元件、成分、部件或步骤。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,对于本领域的技术人员来说,本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,包括:
电学连接模块;所述电学连接模块包括聚合物框架;所述聚合物框架为中空结构,其中空部分设有第一定位槽;所述聚合物框架沿第一方向的两侧边框中分别埋置有多条引线,与所述第一方向相对的另外两侧设有第二定位槽;所述聚合物框架基于所述第一定位槽固定生物传感芯片,其中,所述生物传感芯片两侧设有多个第一焊盘,所述第一焊盘与所述引线的数量与位置间隔均一致,以保证所述第一焊盘与所述引线对齐,所述第一焊盘与所述引线电学连接;
围堰栅极模块;所述围堰栅极模块包括围堰框架和参比电极模块;所述围堰框架为中空结构;所述参比电极模块嵌入于所述围堰框架中,且一端内置于所述围堰框架中,一端延伸至所述围堰框架外部;所述围堰栅极模块基于所述第二定位槽与所述电学连接模块固定连接,所述参比电极模块与所述电学连接模块电学连接;
封装基板;所述封装基板为PCB板;所述封装基板包括背栅和第二焊盘,所述背栅设置于所述封装基板中部,并在所述背栅部分设置第三定位槽;所述第二焊盘与所述引线的数量与位置间隔均一致;保证所述第二焊盘与所述引线对齐的情况下,所述电学连接模块基于所述第三定位槽与所述封装基板固定连接,所述生物传感芯片与所述背栅自动对准并固定连接,所述引线与所述第二焊盘电学连接。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,所述引线采用铜带。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,所述第一焊盘与所述引线通过加热固化导电胶以进行电学连接。
4.根据权利要求1所述的场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,所述围堰框架采用聚二甲基硅氧烷材料。
5.根据权利要求1所述的场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,所述参比电极模块由嵌入所述围堰框架中的银丝经三氯化铁溶液氯化得到。
6.根据权利要求1所述的场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,所述围堰栅极模块基于所述第二定位槽与所述电学连接模块固定连接,还包括:
所述围堰框架利用氧等离子体处理所述围堰框架表面,使得所述围堰框架表面与所述生物传感芯片表面相贴合,以实现所述围堰栅极模块与所述电学连接模块键合。
7.根据权利要求1所述的场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,所述参比电极模块与所述电学连接模块的导线结合处通过加热固化导电胶以进行电学连接。
8.根据权利要求1所述的场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,所述生物传感芯片与所述背栅通过加热固化导电胶以进行固定连接。
9.根据权利要求1所述的场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,所述引线与所述第二焊盘通过锡焊的方式进行电学连接。
10.根据权利要求1所述的场效应晶体管生物传感器封装结构,其特征在于,完成所述电学连接模块、所述围堰栅极模块和所述封装基板的组装和电学连接后,还包括:所有焊点通过在所述生物传感芯片上及周围滴胶填充的方式进行灌封。
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