DE602005006019T2 - Verfahren zur herstellung einer in volumen miniaturisierten vorrichtung - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Verbindens mikroelektronischer Bauteile. Genauer gesagt betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung einer in Volumen miniaturisierten Vorrichtung mit elektrischer und/oder optischer und/oder fluidalen Funktion, das heißt, einer heterogenen Vorrichtung.
- Die Erfindung findet eine besonders interessante Anwendung in der Herstellung von Vorrichtungen, die für chemische oder biologische Analysen bestimmt sind, wie zum Beispiel im Dokument
WO 03/035386 - Auf dem Gebiet der Mikrotechnik zielen die meisten Verbindungstechniken darauf ab, bei geringsten Kosten und Minimierung des endgültigen Platzbedarfs so viele Bauteile wie möglich auf demselben Substrat zu vereinen und miteinander zu verbinden.
- Die Verdichtung der Bauteile erfolgte zunächst in der Ebene. Heute findet sie mehr und mehr im Volumen statt, das heißt durch Stapeln der Komponenten bzw. Bauteile.
- Eine Methode besteht darin, die Bauteile auf einem flexiblen, ursprünglich flachen Substrat zu verbinden, danach durch Biegen einen Stapel zu bilden und ein Modul in einer allgemein parallelepipedischen Form zu erhalten. Eine andere Methode besteht darin, die starren, metallisierten Substrate auf der Scheibe zu stapeln, um Verbindungen zwischen den verschiedenen Schichten zu erhalten und sie danach zu laminieren, um ein monolithisches Ensemble zu bilden.
- Diese Technologien sind jedoch durch die minimale Breite der Leitungsbahnen (derzeit in der Größenordnung von 100 Mikron) begrenzt, was einer weiteren Verdichtung der Vorrichtungen entgegensteht. Des weiteren stellen die Herstellung der Substrate und die Verbindung der Komponenten zwei unterschiedliche Vorgänge dar, was für die Versorgung und die Logistik einige Probleme mitbringt.
- Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass diese Verfahren für die Integration von Elementen optischer oder fluidaler Bauart wie Wellenleiter, optische Mikrospektrometer oder mikrofluidale Kanäle wenig geeignet sind. Aller dings nehmen diese Elemente in Kombination mit elektronischen Bauteilen innerhalb heterogener komplexer Vorrichtungen und vor allem für medizinische und biomedizinische Anwendungen immer mehr Platz ein.
- Ein bereits im Hinblick auf die Herstellung dieser heterogenen Vorrichtungen vorhandenes Beispiel für einen Ansatz ist das ,PCB'-Verfahren.
- Der ,PCB'-Ansatz greift, wie bereits im bereits zitierten Dokument beschrieben, auf die Technologie der gedruckten Schaltungen zurück, um auf kostengünstigen Substraten komplexe Vorrichtungen herzustellen, die sowohl optische oder fluidale Elemente als auch elektronische Bauteile integrieren. Allerdings ist diese Technologie relativ schwierig und komplex, da sie mehrere Schritte des Aufbringens von Harz oder Kupfer beinhaltet, die sich mit Schritten der Fotolitographie, des Ätzens oder Rohrens abwechseln, was Know-how und sehr spezielle Ausrüstungen voraussetzt.
- Verfahren zur Herstellung komplexer Vorrichtungen mit Techniken des Aufbringens von Polymerschichten und der Fotolitographie sind ebenfalls in den Dokumenten
US 6,136,212 undUS 6,632,400 beschrieben. Diese Verfahren sind durch dieselben Nachteile wie der PCB-Ansatz gekennzeichnet. - Das Dokument
US2002/079219 - Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine einfache, kompakte und originelle Technologie zur Herstellung heterogener Volumen-Vorrichtungen vorzuschlagen, die ebenfalls Techniken des Tintenstrahldrucks verwendet und erlaubt, sich von Verfahren, die in der Technologie der gedruckten Schaltungen verwendet werden, vollkommen zu befreien.
- Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer miniaturisierten heterogenen Volumen-Vorrichtung, die mindestens eine Komponente bzw. ein Bauteil umfasst und dessen Verbindung, die in eine Haltematrize bzw. -matrix integriert sind. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix durch eine Depottechnik vom Typ Direktschreiben gebildet wird, die darin besteht, aufeinanderfolgende Materialschichten in fluider Form selektiv abzusetzen.
- Das Bauteil oder die Verbindung kann in vorteilhafter Weise:
- – entweder während der Herstellung mittels einer Standard- Verbundtechnik an einer Stelle in die Matrize bzw. Matrix integriert werden, die von Material leer gelassen und für diesen Zweck reserviert wurde,
- – oder direkt innerhalb der Matrize bzw. Matrix durch die besagte Depottechnik gebildet werden,
- – oder innerhalb der Matrize bzw. Matrix durch einen Depotschritt einer Opfersubstanz gebildet werden, der die Depottechnik verwendet, gefolgt von einem Schritt zur Eliminierung dieser Substanz.
- Hierbei ist anzumerken, dass ein Verfahren zur Bildung fluidaler Verbindungen auf einem Substrat durch Tintenstrahlruck auf der Basis von Wachs bereits im Dokument
US 2004/0115861 - Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die sich auf die Zeichnungen in der Anlage bezieht, von denen:
- die
1 eine perspektivische Ansicht einer heterogenen Vorrichtung darstellt, - die
2 eine Schichtansicht derselben Vorrichtung auf einem Trägersubstrat ist und - die
3 eine Schnittansicht gemäß der Achse AA der Vorrichtung auf1 ist. - Die auf der
1 dargestellte heterogene Vorrichtung ist ein Beispiel für eine Vorrichtung, die in das Volumen integrierte Komponenten bzw. Bauteile umfasst, die miteinander verbunden sind und von der Oberfläche aus anhand elektrischer, optischer und fluidaler Verbindungen zugänglich sind. Diese Komponenten können zum Beispiel einfache Bauteile sein, das heißt entweder elektrische oder optische oder fluidale wie resistive Elemente, optische Raster oder Kammern, die zum Mischen von Fluiden vorgesehen sind. Sie können ebenfalls komplexe Bauteile, zum Beispiel optoelektronischen Typs, sein wie optische Modulatoren, opto-fluidal-elektronischen Typs wie optische Mikrospektrometer oder auch fluidal-elektronischen Typs. Die Verbindungen, die dazu bestimmt sind, ein elektrisches oder optisches Signal oder Material in fluider Form zu transportieren sind in typischer Weise elektrische Bahnen, transparente Segmente oder Wellenleiter oder auch horizontale oder vertikale Kanäle. - Die auf der
1 dargestellte rechteckige Vorrichtung mit typischen Abmessungen von 20 × 10 mm weist auf ihrer Oberseite einen optischen Eingang10 , zwei elektrische Verbindungen11 und12 sowie einen jeweiligen fluidalen Eingang und Ausgang13 und14 auf, die für die Zirkulation eines zu analysierenden Fluids bestimmt sind. Weiterhin weist sie auf ihrer Unterseite drei elektrische Verbindungen15 ,16 und17 auf. Wenn diese Vorrichtung dazu bestimmt ist, in den Körper implantiert zu werden, ist sie in eine Umhüllung18 eingeschlossen, die von einem biokompatiblen Material gebildet wird, das vom menschlichen Organismus gut toleriert wird. - Die Schichtansicht der Vorrichtung auf der
2 erlaubt, ihre Struktur und ihr Herstellungsverfahren zu verstehen. Sie weist in ihrem Volumen zwei Komponenten bzw. Bauteile19 und20 auf und deren Verbindungen, wobei diese verschiedenen Elemente in eine Monoblock-Haltematrix integriert sind, die die Rolle eines dreidimensionalen Substrats erfüllt. Das Bauteil19 ist optoelektronischen Typs, seine Verbindungen sind optischen und elektrischen Typs. Das Bauteil20 ist opto-fluidal-elektronischen Typs, seine Verbindungen sind optischen, elektrischen und fluidalen Typs. - Die drei Leitungsbahnen
21 ,22 et23 , zwei fluidalen Kanäle24 und25 und ein Wellenleiter26 im Volumen sind dazu bestimmt, die Bauteile miteinander zu verbinden. Im weiteren sind diese verschiedenen Elemente nach außen über zwei obere elektrische Kontakte11 und12 , drei untere elektrische Kontakte15 ,16 und17 , zwei fluidale Verbindungen13 und14 und die optische Verbindung10 verbunden. - Die elektrischen Bahnen
21 und22 verbinden das Bauteil19 mit den jeweiligen unteren elektrischen Kontakten15 und16 . Die elektrische Bahn23 verbindet auf dieselbe Weise das Bauteil20 und den unteren elektrischen Kontakt17 . Die oberen elektrischen Kontakte11 und12 verbinden das Bauteil19 . Der optische Eingang10 gewährleistet die optische Verbindung zwischen dem Bauteil19 und außen, wogegen die fluidalen Eingänge und Ausgänge13 und14 jeweils mit den fluidalen Kanälen24 und25 verbunden sind. Diese kommen mit dem Bauteil20 in Kontakt und ermöglichen die Zirkulation des zu analysierenden Fluids durch dieses Bauteil. Der Wellenleiter26 schließlich dient als optische Verbindung zwischen den Komponenten bzw. Bauteilen19 und20 , wobei das Bauteil20 nicht direkt mit dem optischen Eingang10 ver bunden ist. - Die zur Herstellung dieser heterogenen Volumenvorrichtung verwendete Technologie ist additiven Typs. Sie besteht einerseits darin, eine Menge eines ausgewählten Materials an einer Stelle abzulagern, wo es zweckmäßig ist, um volle Bereiche, wie die Matrize bzw. Matrix, den Wellenleiter oder die elektrischen Bahnen zu bilden, und andererseits in der Ablagerung eines Opfermaterials, das bei einem späteren Schritt eliminiert bzw. entfernt wird, um die leeren Bereiche wie die fluidalen Kanäle zu bilden.
- Die verschiedenen Depotmethoden vom Typ Schreiben oder Direktdruck sind zum Beispiel der Tintenstrahldruck, besser unter der Bezeichnung ,inkjet printing' bekannt, wie im Dokument
WO02/47447A1 - Der Tintenstrahldruck besteht darin, feine Tröpfen eines abzusetzenden Materials auf ein Substrat kontrolliert mit hoher Präzision und mit Hilfe von Düsen mit einem sehr kleinen Durchmesser (unter 50 Mikron) zu projizieren. Systeme mit mehreren Köpfen oder Vielfachköpfen erlauben, verschiedene Materialien zu verteilen. Die Mikroverteilung verwendet eine Mikropipette oder eine Kapillare, die sich in der Nähe eines Substrats verschieben, um Material in flüssiger Form abzusetzen. Mit dem Laserdruck schließlich wird ein Feststoff in der Nähe eines Substrats zerstäubt, auf dem er sich absetzt.
- Die verwendeten Materialien können für die nicht leitenden Abschnitte Polyimide, für die elektrisch leitenden Abschnitte leitende Polymere oder leitende Tinten, für die Wellenleiter Polymere mit optischer Qualität und für die mikrofluidalen Kanäle Opfersubstanzen sein.
- Das Material wird mittels aufeinanderfolgender Durchläufe auf ein Trägersubstrat aufgetragen, das eine Opferschicht besitzt, mit deren Beseitigung am Ende des Verfahrens die Vorrichtung vom Substrat getrennt werden kann. Die Schichten, die in typischer Weise eine Dicke von 1 bis 500 Mikron haben, lagern sich übereinander ab und bilden auf diese Weise das Volumen der Vorrichtung. Die verschiedenen in der Vorrichtung vorhandenen Elemente werden entweder durch Direktschreiben hergestellt oder mit Hilfe eines Standard-Verbundverfahrens in die Vorrichtung integriert.
- Die Schichtansicht der heterogenen Vorrichtung auf
2 veranschaulicht eine Beispielsequenz zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung. -
2A - Der erste Herstellungsschritt besteht darin, sich mit einem Trägersubstrat
27 zu versorgen, das mit einer Opferschicht28 wie Aluminium bedeckt ist. Das Substrat kann zum Beispiel eine runde Silizium- oder Glasplatte mit einem Durchmesser von 20 cm sein, auf der mehrere Vorrichtungen gleichzeitig hergestellt werden. -
2B - Eine Schicht
29 mit einer Dicke von zirka 20 Mikron aus einem biokompatiblen Polymer, das dazu bestimmt ist, die Umhüllung18 der Vorrichtung zu bilden, sowie die drei elektrischen Kontakte15 ,16 ,17 werden durch Direktschreiben auf die Opferschicht28 aufgetragen. Für die Herstellung der elektrischen Kontakte werden ein leitendes Polymer oder eine leitende Tinte verwendet. -
2C - Ein dritter Schritt besteht darin, durch Direktschreiben die Leitungsbahnen
21 ,22 und23 aufzutragen und die fluidalen Kanäle24 und25 innerhalb der Haltematrix auszubilden. Um dies zu bewerkstelligen, wird eine Haltematrixschicht30 aus Polyimid durch Direktschreiben gleichzeitig wie die Leitungsbahnen21 ,22 und23 abgesetzt. Die fluidalen Kanäle24 und25 , die horizontale, materialfreie Räume sind, werden durch Absetzen eines Opfermaterials an ihrer Stelle gebildet. Dieses Material wird bei einem späteren Schritt des Herstellungsverfahrens entfernt. Eine Schicht31 aus einem biokompatiblen Polymer, das dazu bestimmt ist, die Umhüllung18 der Vorrichtung zu bilden, wird ebenfalls um die Schicht der Haltematrix30 über eine Breite von 50 bis 100 Mikron abgesetzt. -
2D - Es werden Stellen
32 und33 gebildet, die dazu bestimmt sind, die Komponenten bzw. Bauteile19 und20 aufzunehmen, und die fluidalen Verbindungen13 und14 werden in Angriff genommen. Dazu wird eine Haltematrixschicht34 in einer Dicke, die der Dicke der Bauteile19 und20 entspricht, das heißt 100 bis 500 Mikron, durch Direktschreiben auf die gesamte Oberfläche mit Ausnahme der Stellen32 und33 aufgetragen, die für die Bauteile re serviert sind. Auf dieselbe Art und Weise wird ein Opferpolymer in zwei kreisrunden Räumen, die auf den fluidalen Kanälen24 und25 münden, aufgetragen, um die fluidalen Verbindungen13 und14 zu bilden. Wie beim vorhergehenden Schritt wird eine Schicht35 aus einem biokompatiblen Polymer, das dazu bestimmt ist, die Umhüllung der Vorrichtung zu bilden, um die Halteschicht34 über eine Breite von 50 bis 100 Mikron abgesetzt. -
2E - Die Komponenten bzw. Bauteile
19 und20 werden in den Öffnungen32 und33 mit Hilfe einer Standard-Verbundtechnik angeordnet. -
2F - Eine Schicht Haltematrix
36 wird durch Direktschreiben gleichzeitig wie die elektrischen Kontakte11 und12 , der Wellenleiter26 und der optische Eingang10 aufgebracht. Diese zwei letztgenannten Verbindungen bestehen aus einem Polymer in optischer Qualität, dessen Brechungskoeffizient sich vom Koeffizienten der Haltematrix unterscheidet. Ein Opferpolymer wird an die Stelle der fluidalen Verbindungen13 und14 aufgetragen. Wie zuvor wird um die Halteschicht36 eine Schicht37 aus einem biokompatiblen Polymer aufgetragen. - In diesem Stadium der Herstellung der Vorrichtung ist es notwendig, das Opfermaterial zu eliminieren bzw. zu entfernen, typischerweise Polypropylencarbonat (PPC) oder Polyethylencarbonat (PEC), das die fluidalen Kanäle
24 und25 sowie die fluidalen Verbindungen13 und14 bildet. Das Entfernen dieses Materials erfolgt im allgemeinen durch Pyrolyse, wodurch eine vollständige und rückstandsfreie thermische Zersetzung erfolgt. Nach dem Verschwinden des Opfermaterials erscheinen die fluidalen Kanäle und Verbindungen wie leere Räume innerhalb der Haltematrix. -
2G - In einem siebenten Schritt wird eine Schicht
38 mit einer Dicke von zirka 20 Mikron aus einem biokompatiblen Material durch Direktschreiben aufgetragen, das dazu bestimmt ist, die Umhüllung18 der Vorrichtung zu bilden. Lediglich die Stellen der fluidalen Verbindungen13 und14 , der optischen Verbindung10 und der elektrischen Kontakte11 und12 bleiben materialfrei. - Ein letzter Schritt besteht schließlich darin, die Opferschicht
28 zu ent fernen, um die Vorrichtung von ihrem mechanischen Träger27 zu trennen. Dieser Schritt wird zum Beispiel durch anodische Auflösung des Aluminiums durchgeführt - Die
3 zeigt die Monoblockvorrichtung, die man letztendlich erhält, im Schnitt. - Die hier vorgestellte Herstellungssequenz stellt eine Umsetzungsform durch Direktschreiben der auf der
1 und2 dargestellten heterogenen Vorrichtung dar. Bei dieser Umsetzungsform werden die Verbindungen wie die elektrischen Bahnen, die fluidalen Kanäle, der Wellenleiter oder auch der optische Eingang direkt in der Matrix durch Direktschreiben hergestellt. Es wäre aber auch vorstellbar, aufgesetzte Elemente zu verwenden, um diese Verbindungen zu bilden und sie in die Matrix mit einem Standard-Verbundverfahren zu integrieren. Die elektrischen Verbindungen könnten einfache Metallbänder sein, die fluidalen Kanäle hohle Röhren und die optischen Verbindungen Elemente eines transparenten Materials oder mit einem bestimmten Brechungskoeffizienten. - Auf dieselbe Weise sind die Bauteile
19 und20 , die in die Vorrichtung integriert werden, in der vorgestellten Umsetzungsform komplexe Bauteile, die in der Matrix mit einem Standard-Verbundverfahren angeordnet werden und nicht durch Direktschreiben gebildet werden können. Es wäre jedoch auch möglich, in die Matrix durch Direktschreiben einfache Bauteile wie resistive Elemente, optische Raster oder fluidale Kammern, ja sogar komplexere Komponenten vom Typ integrierte Schaltkreise auf der Basis von Polymermaterialien zu formen. - Damit kann ein großer Teil der in die Matrix integrierten Elemente, die den aktiven Abschnitt der Monoblockvorrichtung bilden, entweder durch Direktschreiben hergestellt oder in der Matrix mit einem Standard-Verbundverfahren angeordnet werden.
- Damit wird ein Verfahren zur Herstellung kompakter heterogener Monoblock-Vorrichtungen vorgeschlagen, die von einer Matrix und verschiedenen Elementen gebildet werden und das es erlaubt, dank der Verwendung einer Direktschreib-Depottechnik:
- – eine dreidimensionale Monoblock-Matrix zu bilden, die die Steifigkeit der Vorrichtung und den Schutz der Elemente gewährleistet,
- – in diese Matrix elektrische und/oder optische und/oder fluidale Kom ponenten zu integrieren,
- – die Verbindung zwischen ihnen oder nach außen dieser verschiedenen Komponenten bzw. Bauteile dank der Integration optischer, fluidaler oder elektrischer Verbindungen in die Matrix zu gewährleisten. Diese Technik ist besonders vorteilhaft, da sie es unter anderem erlaubt, voll und ganz auf Depot-, Maskierungs-/Ätzsequenzen zu verzichten, die in der PCB-Technologie unabdingbar sind.
Claims (16)
- Verfahren zur Herstellung einer miniaturisierten heterogenen Volumen-Vorrichtung, die mindestens eine Komponente (
19 ,20 ) umfasst und deren Verbindung (10 ,11 ,12 ,13 ,14 ,15 ,16 ,17 ,21 ,22 ,23 ,24 ,25 ,26 ), die in eine Haltematrize integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (30 ,34 ,36 ) durch eine Depottechnik vom Typ Direktschreiben gebildet wird, die darin besteht, aufeinanderfolgende Materialschichten in fluider Form selektiv abzusetzen. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (
19 ,20 ) in die Matrize (30 ,34 ,34 ) während der Herstellung mittels einer Standard-Verbundtechnik an einer Stelle integriert wird, die von Material (32 ,33 ) leer gelassen und für diesen Zweck reserviert wurde. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente direkt innerhalb der Matrize (
30 ,34 ,36 ) durch die besagte Depottechnik gebildet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente innerhalb der Matrize (
30 ,34 ,36 ) durch einen Depotschritt einer Opfersubstanz gebildet wird, der die Depottechnik verwendet, gefolgt von einem Schritt zur Eliminierung dieser Substanz. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung in die Matrize (
30 ,34 ,36 ) während der Herstellung mittels einer Standard-Verbundtechnik an einer Stelle integriert wird, die von Material (32 ,33 ) leer gelassen und für diesen Zweck reserviert wurde. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (
10 ,11 ,12 ,15 ,16 ,17 ,21 ,22 ,23 ,26 ) innerhalb der Matrix (39 ,34 ,36 ) durch die besagte Depottechnik gebildet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (
13 ,14 ,24 ,25 ) innerhalb der Matrize (30 ,34 ,36 ) durch einen Depotschritt einer Opfersubstanz gebildet wird, der die Depottechnik verwendet, gefolgt von einem Schritt zur Eliminierung dieser Substanz. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Matrize (
30 ,34 ,36 ) bildende Material ein nicht leitendes Polymer ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verbindung (
11 ,12 ,15 ,16 ,17 ,21 ,22 ,23 ) oder die Komponente bildende Material ein leitendes Polymer ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verbindung (
11 ,12 ,15 ,16 ,17 ,21 ,22 ,23 ) oder die Komponente bildende Material eine leitende Tinte ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verbindung (
10 ,26 ) oder die Komponente bildende Material ein optisches Polymer ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Opfersubstanz ein Polycarbonat ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Depottechnik der Tintenstrahldruck ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Depottechnik der Laserdruck durch Versprühen eines festen Materials ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Depottechnik die Mikroverteilung ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material auf einem Trägersubstrat (
27 ) aufgetragen wird, das mit einer Schicht einer Opfersubstanz (28 ) bedeckt ist, deren Eliminierung erlaubt, die Vorrichtung von dem Substrat (27 ) zu trennen.
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