JP2009532857A - 流体及び電気的機能を有するデバイスの構築方法 - Google Patents

Abstract

流体の及び電気的な機能を有するデバイス（１）を構築する方法であって、流体回路（４）を設けた基板（３）に流体の及び電気的な機能を有する構成部（２）を装着すること、上記構成部を上記基板に流体的に接続すること、上記構成部を上記基板に電気的に接続すること、及び上記構成部を上記基板に機械的に接続することを備え、フリップチップ技術が使用され、シールはガスケット（６）によりなされることを特徴とする。そのような方法により、個々の工程が互いに独立して大いに最適化可能なように種々の（流体的な、機械的な、及び電気的な）接続を実現する材料及び工程が原則として互いに独立して選択可能である混成のマイクロ流体システムが構築可能である。フリップチップ技術の適用により、構成部の位置決めを高い精度で達成することができる。電気的接続は、現在の材料及び良く発達した工程によりなされる。原則として、従来の利用可能な装置及び技術は使用可能であるので、開発及び生産コストは、低く抑えることができる。

Description

本発明は、流体及び電気的機能を有するデバイスの構築方法に関し、
− 流体回路を設けた基板に流体の及び電気的な機能を有する構成部（２）を装着すること、
− 上記構成部を上記基板に流体的に接続すること、
− 上記構成部を上記基板に電気的に接続すること、及び
− 上記構成部を上記基板に機械的に接続すること、
を備える。
このような方法により、混成のマイクロ流体システムが構築可能である。

過去数十年間で、多くの開発がマイクロ流体システムの分野でなされた。重要な応用分野は、生化学分析及び環境測定である。注目しているある応用例、システムの生産量及び複雑さにより、設計及び製造のためのアプローチについて選択肢がある。より少ない生産量でより複雑な場合には、標準部品から離れた構造、つまり金属、ガラスあるいはプラスチックのチューブ、ホース及び電線によって接続される構造が選択可能である。生産は、手間がかかるであろうし、システムのデッドボリュームはむしろ大きくなるであろう。しかし、多くの場合、これは、経済的及び技術的に最良の方法かもしれない。大きな生産量に関しては、あつらえの解決法を開発することは経済的に興味あるかもしれない。このあつらえの解決法は、好ましくは一体のシステム及び統合され自動化された生産工程から成る。正当な設計で、内部デッドボリュームは小さくすることができる。開発費は比較的高くなるであろうが、しかし、システム及び生産工程は、この特別の応用例のために完全に最適化することができる。

中位の生産量及び比較的複雑なシステムに関して、所望のシステムを構築するために目的に合うように設計され、多かれ少なかれ一般に使用可能な工程に従い標準部品が寄せ集められた混成の解決法を選択することができる。この場合、最小のあるいは調節不要で使用可能な標準部品及び既知の工程が使用できるという利点がある。そのような混成の解決法に関して多くの提案がなされており、例えばＵＳ ５，６４０，９９５、ＵＳ ２００４／００８７０４３、ＷＯ ２００４／０２２２３３がある。しかしながら、提案された工程は、あまり一般的ではなく、また、それに加えて、それらは一般に十分に自動化することができず、よって、製造は比較的手間がかかるままである。更に、部品を装着するのに要する精度は、行うとしても、その達成は、しばしば困難である。典型的な問題は、漏れ、接着剤及びその他同種のものによる経路の障害、使用された材料の塗布液体による腐食、及び使用された材料による塗布液体及び気体の汚染である。

ＵＳ ５，６４０，９９５ ＵＳ ２００４／００８７０４３ ＷＯ ２００４／０２２２３３

混成のマイクロ流体システムの構築において、流体的な、電気的な、及び機械的な接続は、なされなければならない。これら接続用の生産条件及び機能要求は、一致させるのが多くの場合困難である。従って、既知の解決法は、設計、並びに材料及び工程の選択における妥協により特徴付けられる。理想的には、各種の接続を個々に最適化し、自由に材料及び工程を選択することが望まれるであろう。ＵＳ ６，５４０，９６１は、分析及び診断法用のフローセルを記載し、上記フローセルは、流体の及び電気・電子的な部品を有する第１支持基板１０２（可撓回路／ＰＣＢ／半導体材料）と、第２基板／フリップチップ１１２とを備え、それらはシーラント１３０により機械的に接続され、導電性バンプ１２８により電気的に接続される。シーラントは、機械的な接続及びシールの両方を提供する。両方の機能は分離されないので、流体の接続及び機械的な接続の独立した最適化は、可能でない。ＥＰ １４１５７１０では、実施形態として、一若しくは複数の（ＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白質）のアレイを備えた生化学分析用のデバイスが記述されている。それらの中で、統合された（マイクロ流体アレイ）デバイス３１０は、相互に機械的及び流体的に接続されるが電気的には接続されていない、一若しくは複数のアレイ部品３１２と一若しくは複数のマイクロ流体部品３１４とを構成する。アレイ部品は、一若しくは複数のアレイ基板３３２を備える［００６６］。アレイ部品は、クランプ、クリップ、あるいはブラケット及びそのような物により、又は、接着剤、超音波溶接などによって、マイクロ流体部品と機械的に接続可能である。一方、密封は、ガスケット又はシーラント材により達成可能である［００７１］。しかしながら、この方法では電気的接続はなされない。マイクロ流体部品は、電子部品／集積回路５１２のような電気的特徴を備えることができ［００９１］、ここで電子部品及びマイクロ流体部品は、フリップチップ接続によって相互に接続されるが［００９４］、しかしここでは流体の接続はなされない。電子部品は、また、経路又はチャンバのようなマイクロ流体の特徴部上に装着可能である［１０２］が、しかしながら、どのようにシールがなされるのか示されていない。述べた文献のいずれにおいても、機械的、流体的、及び電気的な接続の各々が他から独立して原則的に最適化可能な状態で上記接続をなすことは、記載されていない。

従って、できるだけ一般的で、大いに自動化可能な、多かれ少なかれ標準部品の組から混成のマイクロ流体システムを構築するための技術に関する要求がある。工程及び材料は、流体的な、電気的な、及び機械的な各種の接続に関して、できるだけ自由に選択可能であるべきである。本発明の目的は、この要求を満たすことである。

上記目的のために、本発明は、流体及び電気的機能を有するデバイスの構築方法を提供し、上記方法は、
− 流体回路を設けた基板に流体の及び電気的な機能を有する構成部を装着すること、
− 上記構成部を上記基板に流体的に接続すること、
− 上記構成部を上記基板に電気的に接続すること、及び
− 上記構成部を上記基板に機械的に接続すること、を備え、
− フリップチップ技術が使用され、及び
− シールはガスケットによりなされる、ことを特徴とする。

フリップチップ技術は、マイクロプロセッサー、スマート・カード、時計、ＬＣＤのドライバーチップ等の様々な製品の全ての種類において約４０年間使用されている。したがって、これは、ＩＣ産業において非常に重要なパッケージ技術になった。特徴的には、チップは、その活性面で基板に実装される。チップと基板との間の電気的接続は、半田バンプ、冶金バンプ、弾性的なバンプ、導電性ポリマー、異方性導電接着剤、又はクランプ接続によりなされる。例えば、Rao Tummalaによる、Fundamentals of Microsystems Packaging, 2002, ISBN O-07-137169-9を参照。

かかる方法で、個々の工程が互いに独立して大いに最適化されるように、種々の接続を実現するための材料及び工程が原則として互いに独立に選択可能である混成のマイクロ流体システムが構築可能である。フリップチップ技術の適用により、構成部の位置決めにおける高い精度は、達成可能である。電気的接続は、現状の材料及び良く発達した工程によってなされる。原則として、従来の利用可能な装置及び方法が使用可能なので、開発及び生産費は、低く維持することができる。

基板は、少なくとも部分的にガスケットを受け入れるために収容スペースを設けることができる。収容スペースは、ガスケットを位置決めするのに役立つ。幾何学的に正確な設計において、つまり例えば収容スペースの深さ、及び／又はその端部に設けられた部分の高さを考慮することにおいて、ガスケットは、機械的な接続により及びその接続の間に、十分に規定された圧迫下に置くことができる。従って、シールは、例えばガスケットと構成部又は基板との間の接着に依存しない。ガスケット材は、例えばエラストマーとすることができる。ガスケットは、例えばスピニング又は吹き付けによりその場に製造することができる、あるいは例えばシート材から所望の形状に切断することによりその場所以外に製造することができる。

電気的接続は、アセンブリーが金のパッドに押圧されている間に、例えば金のスタッドバンプにより達成可能である。寸法の変動は、柔軟で順応性のある金により一様にすることができる。しかしまた、硬いメッキバンプあるいは半田材料を用いることができる。好ましくは、基板上あるいは基板内に存在する、及び／又は構成部上あるいは構成部内に存在する電気部品は、ガスケットによってデバイス中に存在する流体から分離される。この方法で、流体による電気部品の腐食は、流体の汚染及び望まない短絡と同様に防止することができる。

機械的な接続を達成するために、接着特性を有する接着剤のような副材料、例えばエポキシ接着剤が使用可能である。このことは、迅速で安価な加工を可能にする。副材料は、また、例えば高温の応用例では、半田であってもよい。また、クランプも可能であり、よって、接続は、例えば試験、調査あるいは修理のために取り外し可能な状態を残している。好ましくは、基板上あるいは基板内に、及び／又は、構成部上あるいは構成部内に存在する流体部品は、接着特性を有する副材料からガスケットによって分離される。この方法で問題の汚染及び部品の妨害は、回避することができる。

ガスケットもまた柔軟な膜を形成するために用いることができる。よって、例えばバルブを作ることができる。このことは、本発明による方法の実施形態の以下の記述にてさらに説明される。

本発明は、本発明による方法の実施形態の２つの非限定の例により説明される。
構成部つまりモジュール（２）は、一般的にガラス又はシリコンベースの材料のチップである、例えば３×５ｍｍ^２の外側面積を有する。構成部（２）は、流れセンサ、圧力センサ、バルブ、ポンプ、反応器、注水器、分離カラム、加熱エレメント、あるいは検出器備えることでも可能である。マイクロ流体デバイス（１）は、基板つまり流路プレート（３）に構成部（２）及び他の必要なモジュールを装着することにより組み立てられる。典型的には、構成部（２）は、１０ミクロン以下の精度で基板（３）に位置決めされる必要がある。フリップチップ技術により、これは容易に達成することができる。基板つまり流路プレート（３）は、一般的にガラス及び／又はシリコンベースの材料のチップであり、例えば２０×３０ｍｍ^２の外側面積を有し、流体回路（４）及び電気回路（５）を設ける。回路（４，５）は、構成部（２）と、デバイス（１）の入力若しくは出力と、又は基板（３）に装着される一若しくは複数の他の構成部との間の接続を構成する。流路（４）の一般的な面積は、２５〜２５０ミクロン平方である。

一般的な１００ミクロン厚のエラストマーのガスケット（６）は、基板（３）の表面における端部に設けられた凹部（７）に置かれる。ガスケットは、固体であってもよいし、あるいはいくつかの部分で作製することもできる。ガスケット（６）の厚さは、構成部の製造誤差、組立誤差、化学的若しくは熱的な自然及び経年の影響に対して大きく、よって、これらは全て順応可能である。ガスケットは、また、全体又は部分として、例えばスプレー又はコーティングによりその場に作製可能である。

基板（３）は、また、金製パッド（８）及び一般的に５０ミクロンの厚さを有する金のスタッドバンプ（９）を有する構成部（２）が設けられる。この厚さにより、製造誤差は、再度吸収可能である。組み立ての間、スタッドバンプ（９）は、パッド（８）に対して押圧される。必要であれば、圧迫つまり変形を加えることができ、それにより、ガスケット（６）における圧迫つまりそれぞれの関係する空間の高さ（１０）を決定することができる。電気的接続のため、半田材料、又は導電性接着剤を有する硬いメッキバンプが、また、使用可能であるかもしれない。接着剤（１１）により、この場合、エポキシの接着剤により、機械的な接続がなされる。又、例えば熱的条件が高い場合には、このために、例えば金及び錫での半田付け工程が使用可能である。

ガスケット（６）は、一方の流体部品（４、１２）と、他方の電気部品（５，８，９）及び接着剤（１１）との間に絶縁を提供する。したがって、使用される液体あるいは気体は、汚染に対して保護され、流体部品（４，１２）は、汚染及び妨害に対して保護される。また、使用される流体又は気体による電気部品（５、８、９）の腐食は、防止される。

ガスケットは、また、図２に示す例えばバルブ（１０１）における柔軟な膜（１０６）として作用する。この目的のために、基板（１０３）は、膜（１０６）がバルブ（１０１）の閉位置に置かれる弁座（１１４）を設ける。類似の形態において、他の水力の又は気体の部品、例えばメンブレン・ポンプを構成することができる。

本発明による典型的な方法は、次の工程を備える：
− 構成部つまりモジュールの準備；
−清浄化；
−スタッドバンプの適用；
− 基板つまり流路プレートの準備；
−清浄化；
−フリップチップ機器に基板を置く；
− 基板に設けた凹部にガスケットを置く；
− 基板に接着剤を塗布する；
− 構成部の位置決め；
−構成部を受け取る；
−構成部を整列させる；
−基板に構成部を押圧する；
− 接着剤を固める。

必要な他の構成部のために、全工程は、連続して、及び／又は並列して繰り返すことができる。したがって、完全なマイクロ流体システムを組み立てることができる。

そのような方法の利点は、とりわけ以下のものである：
− 機械的な、電気的な、及び流体の接続は、互いから大部分は独立して最適化することができる；
− 関連した厚さの一つの又は複数のガスケットにより、製造誤差、組立誤差、化学的な又は熱的な影響及び経年劣化は、吸収可能である；
− 基板上のガスケット及び流体回路の正確な製造の可能性、及び基板に構成部を置く精度は、最小の内部デッドボリュームを生み出す；
− 従来のフリップチップ装置を用いることができるので、必要な投資は低い；
− 既知のフリップチップ技術の使用は、信頼性と歩留まりを増加させて、開発及び生産費をかなり縮小する；及び
− 工程の一般的な特性のおかげで、生産ラインの変更は速やかに安く行うことができる。

本発明は、提供した実施態様に制限されず、多くの変形が発明の範囲内で可能なことは明白だろう。

（ａ）は、アセンブリーの間で本発明の方法により作製された第１デバイスの一部の概略断面図を示し、（ｂ）は、アセンブリー後に第１デバイスの概略断面を示す。 本発明の方法により作製された第２デバイスの一部の概略断面図を示す。

Claims (9)

1. 流体の及び電気的な機能を有するデバイス（１）を構築する方法であって、
   − 流体回路（４）を設けた基板（３）に流体の及び電気的な機能を有する構成部（２）を装着し、
   − 上記構成部を上記基板に流体的に接続し、
   − 上記構成部を上記基板に電気的に接続し、及び
   − 上記構成部を上記基板に機械的に接続することを備え、
   − フリップチップ技術が使用され、及び
   − ガスケット（６）によってシールがなされる、
   ことを特徴とする構築方法。
2. 機械的接続のため、接着特性を有する副材料（１１）が使用されることを特徴とする、請求項１記載の構築方法。
3. 接着特性を有する副材料に関して接着剤が使用されることを特徴とする、請求項２記載の構築方法。
4. 接着特性を有する副材料に関して半田材料が使用されることを特徴とする、請求項２記載の構築方法。
5. 上記基板は、上記ガスケットを少なくとも部分的に受け入れるために受け入れ空間（７）を設けることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の構築方法。
6. 上記ガスケットは、機械的接続まで及び機械的接続の間、圧迫された状態に置かれることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の構築方法。
7. 上記ガスケットは、また、柔軟な膜（１０６）を形成するために使用されることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の構築方法。
8. 電気部品は、上記ガスケットによりデバイスに存在する流体から分離されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の構築方法。
9. 流体部品は、上記ガスケットにより接着特性を有する副材料から分離されることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の構築方法。

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