TWI841638B

TWI841638B - 用於整合生物晶片的系統和方法

Info

Publication number: TWI841638B
Application number: TW108143275A
Authority: TW
Inventors: 亮王; 劍龔; 林彥佑; 李世峰
Original assignee: 中國商深圳華大智造科技有限公司
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2024-05-11

Abstract

本發明係有關於一種具有多個生物晶片的裝置，包括：基板；設置在所述基板上的第一黏合劑層；第一生物晶片和第二生物晶片，其設置在所述第一黏合劑層上並通過所述第一黏合劑層附接於基板。所述裝置還包括設置在所述第一生物晶片和所述第二生物晶片之間的填充物。所述填充物包括第二黏合劑層，其在所述第一生物晶片的側表面和所述第二生物晶片的側表面之間延伸，所述第二黏合劑層將所述第一生物晶片附接於所述第二生物晶片。所述填充物還包括設置在所述第二黏合劑層上的表面層。所述表面層具有與所述第一生物晶片的頂表面和所述第二生物晶片的頂表面形成共面的疏水性表面。

Description

用於整合生物晶片的系統和方法

本申請要求於2018年11月28日提交的名稱為“System And Method For Integration Of Biological Chips”的美國臨時專利申請No.62/772,477的優先權，該臨時專利申請被共同轉讓並通過引用整體併入本文以用於所有目的。

本發明本質上涉及用於在基板上整合多個生物晶片以形成微流體(microfluidic)裝置的系統和方法。

化學物質和/或生物品種的高通量分析是診斷和治療領域中的重要工具。可以將附接的一系列化學物質和/或生物物質設計為定義特定的靶序列，分析基因表達模式，識別特定的等位基因變異，確定DNA序列的複製數以及在全基因組範圍內識別蛋白質的結合位點(例如轉錄因數和其他調節分子)。在一個具體的示例中，人類基因組計畫的到來要求開發改進的核酸測序方法，例如DNA(去氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)測序方法。單倍體人類基因組的整個3,000,000,000鹼基序列的確定為鑑定多種疾病的遺傳基礎提供了基礎。

高通量分析，例如大規模平行的DNA測序，經常利用流通池，該流通池包含可用於分析的一系列化學物質和/或生物物質。流通池通常由與生物晶片(例如矽基感測器晶片)整合在一起的微流體殼體製成，以形成微流體裝置。積體實驗室晶片可以包括傳感和微滴處理功能。許多當前的微流體裝置的製造和使用是複雜且昂貴的，並且通常是不可靠的。

本發明的技術內容提供了用於在微流體裝置中將多個生物晶片整合在基板上的方法和裝置。使用多個晶片可以組合具有不同功能的晶片，或者組合多個相似的晶片以提高產量。現有的微流體裝置傾向於使用單個大型積體晶片，以執行多種功能或提供更高的容量。然而，大晶粒(die)區域的單個晶片往往具有不良的成品率，從而增加了系統的成本。在本發明的技術內容中，多個已知良好晶粒(known-good-die、KGD)晶片在基板上組合以形成微流體裝置。用於在基板上整合多個生物晶片的方法和結構可以導致成本有效的微流體裝置。而且，這樣的低成本裝置可以用作一次性裝置。

在本發明的一些技術內容中，相鄰晶片之間的填充材料可包括用於給微流體操作提供相容性的疏水性表面層和用於黏結相鄰晶片的在下面的黏合劑層，並為該填充材料提供機械強度。

根據本發明的一些技術內容，一種具有多個生物晶片的裝置包括：基板；設置在所述基板上的第一黏合劑層；第一生物晶片和第二生物晶片，其設置在所述第一黏合劑層上並通過所述第一黏合劑層附接於基板。所述裝置還包括設置在所述第一生物晶片和所述第二生物晶片之間的填充物。所述填充物包括第二黏合劑層，其在所述第一生物晶片的側表面和所述第二生物晶片的側表面之間延伸，所述第二黏合劑層將所述第一生物晶片附接於所述第二生物晶片。所述填充物還包括設置在所述第二黏合劑層上的表面層。所述表面層具有與所述第一生物晶片的頂表面和所述第二生物晶片的頂表面形成共面(co-planar)的疏水性表面。

在上述裝置的一些技術內容中，所述填充物中的所述表面層可以包含脫模材料。在另一的技術內容中，所述填充物中的所述表面層可以包括鈦材料。在其他的技術內容中，所述填充物中的所述表面層可以包含聚(對苯撐二甲基)聚合物[poly(p-xylylene)polymer]。

在一些技術內容中，所述第一黏合劑層可以包含環氧黏合劑。在一些技術內容中，所述第一黏合劑層可以包含晶粒黏結黏合劑。在一些技術內容中，所述第二黏合劑層包含環氧黏合劑。在一些技術內容中，所述第二黏合劑層包括所述第一黏合劑層的在所述第一生物晶片的側表面與所述第二生物晶片的側表面之間延伸的部分。

在一些技術內容中，所述裝置還可以包括在所述第二黏合劑層和所述表面層之間的中間層。例如，所述中間層包括密封劑。

在一些技術內容中，所述第一生物晶片可以是生物感測器晶片，並且所述第二生物晶片是流體液滴操縱晶片。在一些技術內容中，所述第一生物晶片和第二生物晶片都可以是生物感測器晶片。在一些技術內容中，所述基板是印刷電路板(printed circuit board、PCB)。

根據本發明的一些技術內容，一種裝置包括：具有孔穴的印刷電路板(PCB)，並且所述PCB具有頂表面和底表面。生物晶片設置在所述孔穴中。所述生物晶片具有頂表面和底表面，並且所述生物晶片的所述頂表面與所述PCB的所述頂表面形成共面。所述裝置具有設置在所述生物晶片與所述PCB之間的填充物。所述填充物包括：設置在所述生物晶片的側表面和所述PCB的側表面之間的黏合劑層，並且所述黏合劑層將所述生物晶片附接於所述PCB。所述填充物還包括表面層，所述表面層設置在所述黏合劑層上，並且與所述生物晶片的頂表面和所述PCB的頂表面形成共面，所述表面層具有疏水性表面。

根據具體技術內容，所述填充物中的所述表面層可以包括脫模材料、鈦材料或者聚(對苯撐二甲基)聚合物等。所述黏合劑層可以包含環氧黏合劑。

在一些技術內容中，所述PCB中的所述孔穴部分地延伸穿過所述PCB，並且在所述孔穴的底部處暴露所述PCB的表面。在這些技術內容中，所述第一生物晶片的底表面通過焊球被電耦合到所述PCB的在所述孔穴的底部處的表面。

在一些技術內容中，所述PCB中的孔穴是從所述PCB的所述頂表面延伸至所述PCB的所述底表面的通孔。在這種情況下，所述第一生物晶片的底表面通過引線接合而電耦合至所述PCB的底表面。

根據一些技術內容，提供一種用於形成具有多個生物晶片的裝置的方法，所述方法包括：提供基板；在所述基板上設置黏合劑層；並且將第一生物晶片和第二生物晶片設置在所述基板上的所述黏合劑層上，其中所述第一生物晶片和所述第二生物晶片通過間隙間隔開。所述方法還包括：在所述第一生物晶片和所述第二生物晶片之間的間隙中形成填充物。所述填充物包括：所述黏合劑層的在所述第一生物晶片的側表面和所述第二生物晶片的側表面之間延伸的部分。所述黏合劑層將所述第一生物晶片附接於所述第二生物晶片。所述填充物還包括：設置在所述黏合劑層上的表面層。所述表面層具有與所述第一生物晶片的頂表面和所述第二生物晶片的頂表面形成共面的疏水性表面。

根據上述方法的技術內容，所述填充物中的所述表面層可以包含脫模材料、鈦材料或者聚(對苯撐二甲基)聚合物等。所述黏合劑層可以包含環氧黏合劑。在一些技術內容中，所述基板是印刷電路板(PCB)。

在上述方法的一些技術內容中，形成所述填充物的過程可以包括：使用所述黏合劑層將所述第一生物晶片和所述第二生物晶片附接於所述基板，其中所述第一生物晶片和所述第二生物晶片通過間隙間隔開，並且所述黏合劑層的一部分填充在所述第一生物晶片和所述第二生物晶片之間的所述間隙的下部。所述過程還可以包括：在所述間隙中形成疏水性表面層，使得所述疏水性表面層的頂表面與所述第一生物晶片的頂表面以及所述第二生物晶片的頂表面形成共面。

在上述方法的一些技術內容中，所述填充物還可以包括在所述表面層和所述黏合劑層之間的中間層。在一些技術內容中，所述中間層包含密封劑。

根據另一的技術內容，一種用於形成具有多個生物晶片的裝置的方法可以包括：提供第一基板；提供具有正表面和背表面的第一生物晶片；並且提供具有正表面和背表面的第二生物晶片。所述方法可以包括：將所述第一生物晶片和所述第二生物晶片面朝下放置在所述第一基板上，其中所述第一生物晶片和所述第二生物晶片的所述正表面面向所述第一基板，並且所述第一生物晶片和所述第二生物晶片通過間隙間隔開，所述間隙使所述第一基板的表面暴露。所述方法還可以包括：在所述第一生物晶片和所述第二生物晶片之間的所述間隙中形成填充物。所述填充物包括表面層和黏合劑層。所述表面層設置在所述第一生物晶片的所述正表面和所述第二生物晶片的所述正表面之間。所述黏合劑層設置在所述表面層上方且在所述第一生物晶片的側表面和所述第二生物晶片的側表面之間。此外，所述黏合劑層延伸到所述第一生物晶片的所述背表面和所述第二生物晶片的所述背側。所述方法還包括：將第二基板附接於所述第一生物晶片和所述第二生物晶片的所述背表面上的所述黏合劑層；以及去除所述第一基板以形成多晶片結構。所述多晶片結構包括附接於所述第二基板的所述第一生物晶片和所述第二生物晶片，其中所述第一生物晶片和所述第二生物晶片之間的所述間隙被所述填充物中的所述表面層覆蓋。所述表面層具有與所述第一生物晶片的頂表面和所述第二生物晶片的頂表面形成共面的疏水性表面。

在上述方法的一些技術內容中，在所述間隙中形成所述填充物包括：形成覆蓋所述第一基板的所述表面和所述間隙的在所述第一生物晶片與所述第二生物晶片之間的所述間隙的底部處的側壁的所述表面層。其還包括：在所述表面層上方形成所述黏合劑層，並且覆蓋所述第一生物晶片的所述底表面和所述第二生物晶片的所述背表面。

在一些技術內容中，所述填充物中的所述表面層包含脫模材料，並且所述方法包括通過模板將脫模劑噴塗到所述第一生物晶片與所述第二生物晶片之間的所述間隙中以形成所述表面層。

在一些技術內容中，所述填充物中的所述表面層包含鈦材料，並且所述方法包括通過模板將所述鈦材料濺鍍(sputtering)到所述第一生物晶片和所述第二生物晶片之間的間隙中以形成所述表面層。

在一些技術內容中，所述填充物中的所述表面層包括聚(對苯撐二甲基)聚合物，並且所述方法包括通過模板將所述聚(對苯撐二甲基)聚合物噴塗到所述第一生物晶片和所述第二生物晶片之間的間隙中以形成所述表面層。

在一些技術內容中，所述黏合劑層包含環氧黏合劑。在一些技術內容中，所述方法還包括在所述黏合劑層上方形成中間層並填充所述間隙的中間部分。

在一些技術內容中，所述第一基板為真空台；並且所述第二基板是印刷電路板(PCB)。

通過參考說明書的其餘部分和圖式，可以實現對本發明的本質和優點的進一步理解。

100:裝置

101:基板，PCB，印刷電路板

102:接合焊墊

103:接合焊墊

110:第一生物晶片，生物晶片

111:正表面(也稱為頂表面)

112:背(或底)表面

114:側壁

115:接合焊墊

117:接合引線

120:第二生物晶片，生物晶片

121:正表面(也稱為頂表面)

122:背(或底)表面

124:側壁

125:接合焊墊

127:接合引線

130:填充物

132:第一層，表面層

134:第一黏合劑層，黏合劑層，黏合劑

135:第二層，第二黏合劑層，部分，下部

136:中間層

138:邊緣

140:間隙

150:模板

152:開口

160:真空台

162:開口

300:方法

310:過程

320:過程

330:過程

340:過程

350:過程

360:過程

500:方法

510:過程

520:過程

530:過程

540:過程

550:過程

560:過程

570:過程

600:多晶片結構

601:多晶片結構

700:微流體裝置

710:PCB(印刷電路板)

712:晶粒黏結黏合劑層

720:第一生物晶片

725:第二生物晶片

727:填充區段

731:入口

732:出口

733:第一孔穴

735:內側壁

736:外側壁

737:生物樣品

740:流通池

741:第一黏合劑層

742:第二黏合劑層

780:微流體殼體

800:裝置

801:基板，PCB

810:第一生物晶片

820:第二生物晶片

830:填充物

832:第一層(表面層)

834:第二層(黏合劑層)

840:間隙

860:焊球

870:矽通孔(TSV)

871:感測器層

900:裝置

901:印刷電路板(PCB)

902:接合焊墊

903:孔穴

910:生物晶片

917:接合引線

930:填充物

932:第一層(表面層)

934:第二層(黏附層)

970:矽通孔(TSV)

1000:裝置

1001:印刷電路板(PCB)

1003:孔穴，半孔穴

1010:生物晶片

1030:填充物

1032:第一層

1034:第二層，黏合劑層

1036:中間層

1039:下填充層

1060:焊球

1070:矽通孔(TSV)

圖1是表示根據本發明的一些技術內容的包括多個生物晶片的裝置的簡化截面圖；圖2是表示根據本發明的一些技術內容的圖1的多生物晶片裝置的俯視圖；圖3是表示根據本發明一些技術內容的用於形成多生物晶片裝置的方法的流程圖；圖4A-4G是表示根據本發明的一些技術內容的在圖2的流程圖中概括的方法的截面圖；圖4A是表示可以在圖2的方法中使用的印刷電路板(PCB)的截面圖；圖4B是表示可用於圖2的方法的佈置在印刷電路板(PCB)上方的黏合劑和模板的截面圖；圖4C是表示了可以在圖2的方法中使用的附接到印刷電路板(PCB)的生物晶片的截面圖；圖4D是表示圖4C的結構在模板去除後的截面圖；圖4E是表示在生物晶片之間的間隙中形成的中間層的截面圖；圖4F是表示在生物晶片之間的間隙中形成的頂表面層的截面圖；圖4G是表示兩個生物晶片和在生物晶片之間的間隙中形成的頂表面層的俯視圖；圖5是表示根據本發明的一些技術內容的另一種形成生物晶片裝置的方法的流程圖；圖6A-6H是表示根據本發明的一些技術內容的在圖5的流程圖中概括的方法的截面圖；圖6A是表示可以在圖5的方法中使用的第一基板的截面圖。

圖6B是表示在圖5的方法中的附接到第一基板的第一生物晶片和第二生物晶片的截面圖。

圖6C是表示在圖5的方法中在生物晶片之間的間隙中形成的表面層的截面圖。

圖6D是表示生物晶片之間並且在生物晶片的背側的間隙中的中間層的截面圖。

圖6E是表示生物晶片之間並且在生物晶片的背側的間隙中的黏合劑層的截面圖；圖6F是表示利用黏合劑層附接於生物晶片的背側的第二基板的截面圖。

圖6G是表示從圖6E的結構中的生物晶片去除的第一基板的截面圖；圖6H是表示了在圖5的方法500中利用生物晶片之間的填充物佈置在第二基板上的兩個生物晶片的俯視圖；圖7是表示根據本發明的一些技術內容的具有附接到PCB的多個生物晶片的微流體設備的簡化圖；圖8是表示根據本發明一些技術內容的包括多個生物晶片的另一裝置的簡化截面圖；圖9是表示根據本發明的一些技術內容的另一裝置的簡化截面圖，該裝置包括與印刷電路板(PCB)整合的生物晶片；以及圖10是表示根據本發明的一些技術內容的另一裝置的簡化截面圖，該裝置包括與印刷電路板(PCB)整合的生物晶片。

在微流體裝置中，期望在同一包裝中具有多個晶片。例如，生物晶片中的一個可以是用於檢測來自生物模式的信號的感測器，而另一個生物晶片可以是控制流體液滴的產生和操縱的設備。提供不同功能的多個生物晶片的整合可以使得能實現小型化的生物檢測平臺。微流體裝置還可包括多個感測器或液滴操縱裝置以增加通量。為此，由於大晶片的良品率下降，因此與製造具有更高容量的單個大晶片相比，多晶片包裝是更合乎期望的。

在本發明的一些技術內容中，相鄰晶片之間的填充材料可包括疏水層(更靠近多個晶片的表面)和下層(underlying layer)。在一些技術內容中，可以通過各種方法來沉積疏水層，所述方法如PVD(物理氣相沉積)、CVD(化學氣相沉積)、ALD(原子層沉積)、噴塗或印刷製程等。下層可以包括環氧黏合劑。用於多個生物晶片的基板可以基於矽、玻璃、陶瓷、印刷電路板(PCB)等。

本發明的技術內容提供了填充製程和在操作循環中為固體的材料，對晶片(例如，矽基晶片)提供良好黏附力，並形成與多個晶片共面的填充物結構。例如，共面性可以在小於設備結構的XY平面中的幾何尺寸的最小值的10%以內。此外，填充物結構對微流體裝置中使用的水性流體具有抗性。在一些技術內容中，在微流體裝置的操作期間，填充物結構可以維持至少5 PSI的流體壓力。在一些技術內容中，填充物結構具有疏水性表面以在微流體裝置的操作期間促進水性流體流動。這樣的結構可以促進數位流體設備和感測器之間的平穩流體控制。

如本文所用，術語“生物相容性材料”或“相容性材料”是指具有適合用於如上所述的生物設備的性質的材料。例如，期望相容性材料在操作循環期間為固體，可以提供對晶片的良好黏附性，耐水性流體，可以使水性流體平穩流動，並且可以在生物設備的操作期間維持流體壓力。在一些技術內容中，疏水性材料被用作填充物材料以促進流體流動。

設備的各種組合可以與填充物結構組合。例如，可以將多個感測器、單個感測器的單個數位流體設備、多個感測器的單個數位流體設備、單個感測器的多個數位流體設備、多個感測器的多個數位流體設備等都整合到具有多個已知良好晶粒(KGD)感測器的生物設備中，而不是使用大面積但良品率低的單個晶粒。本發明的技術內容提供了可用作一次性裝置的經濟有效的包裝方法和結構。

在一些技術內容中，相鄰晶片之間的間隙或間隔的寬度可以小於5mm。在一些技術內容中，間隔可以小於1mm。在一些技術內容中，間隔可以小於200μm。在一些技術內容中，間隔可以小於50μm。在一些技術內容中，多個晶片或設備可以通過填充物結構在側壁上接合。在一些技術內容中，可以將小型設備放置在較大設備的孔穴中。較大的設備可以具有多個孔穴。此外，多個設備可以在側壁上和在孔穴中接合。孔穴可以是長方體形、梯形或階梯形。在一些設備中，可以用承載信號或功率的電極對設備的底表面進行圖案化。在其他設備中，在所述設備的底表面上可以不存在電極。替代地，可以用承載信號或功率的電極對所述設備的頂表面進行圖案化。在其他技術內容中，在所述設備的頂側上可以不存在電極。

圖1是表示根據本發明的一些技術內容的包括多個生物晶片的裝置的簡化截面圖。如圖1所示，裝置100包括基板101。第一生物晶片110和第二生物晶片120通過第一黏合劑層134附接到該基板，其中第一生物晶片和第二生物晶片通過間隙140間隔開。第一生物晶片110具有正表面(也稱為頂表面)111和背(或底)表面112。第二生物晶片120具有正表面(也稱為頂表面)121和背(或底)表面122。設備100還包括設置在第一生物晶片110和第二生物晶片120之間的間隙140中的填充物130。填充物可以具有第一層132和第二層135。第一層132設置在第一生物晶片110的頂表面111和第二生物晶片120的頂表面121之間。第一層132被配置為與設置在第一生物晶片110和第二生物晶片上的生物樣品和試劑相容。在一些技術內容中，第一層132是疏水性的。第二層135設置在第一層132下方。第二層135設置在第一生物晶片110的側壁114與第二生物晶片120的側壁124之間。第二層135被配置為提供在第一生物晶片110和第二生物晶片120之間的黏附力，並且為裝置提供機械強度。在第一層132和第二層135之間也可以存在中間層136。

在一些技術內容中，第二黏合劑層135可以是第一黏合劑層134的延伸到間隙140中的部分。在這種情況下，第一黏合劑層134和第二黏合劑層135可以以相同的製程步驟形成，如下所述。在一些技術內容中，第二黏合劑層135可以與第一黏合劑層134分開形成。第一生物晶片和第二生物晶片的側壁之間的間隙的寬度可以根據應用來選擇。例如，間隙可以小於500微米。

在一些技術內容中，可以使用引線接合方法將生物晶片連接至基板101。如圖1所示，生物晶片110通過接合引線117電連接到基板101，接合引線117將基板101上的接合焊墊102連接到生物晶片110上的接合焊墊115。類似地，生物晶片120通過接合引線127電連接到基板101，接合引線127將PCB 101上的接合焊墊103連接到生物晶片120上的接合焊墊125。在一些技術內容中，基板101可以是印刷電路板(PCB)。

生物晶片110和120可以包括處理或分析生物或化學樣品的設備。如本文所使用的“生物晶片”是指締合(associate)、固定(immobilized)或捕獲(captured)生物分子以進行分析的結構。通常，生物晶片由諸如矽之類的半導體製成，並且具有基本平坦的表面和該表面上的多個特徵。示例性特徵包括孔、由化學或生物惰性表面隔開的衍生的離散間隔區域等。可以以規則的圖案(regular pattern)佈置特徵，諸如僅出於說明的目的，以行和/或列佈置特徵。通常，生物晶片包括一系列結合位點，其中每個結合位點可以獨立地被諸如蛋白質、核酸、抗體、多糖等生物分子佔據。通常，可以檢測到在一個或多個結合位點產生的可檢測信號。例如，在一個結合位點的酵素催化、結合或化學反應可以產生可檢測的信號，例如螢光或化學發光發射，該信號被檢測並識別該位點處的生物分子的特徵或特性。如下文所述，生物晶片可用於核酸測序。在某些情況下，生物晶片可以包括感測器(即，生物感測器)。如本文所用，術語“生物感測器”或“生物學感測器”可用於表示用於確定生物分子內或附接於生物分子(特別是由DNA例示的核酸大分子以及分支或以其他方式衍生的核酸)的發光物質的裝置。在一示例中，生物晶片可以從生物樣本中檢測信號，例如螢光或化學發光信號，並且處理器可以處理檢測到的信號並通過觸發致動器來回應該信號。生物晶片的示例可以包括2018年9月11日提交的美國專利申請No.16/128,120中的CMOS生物感測器，其全部內容通過引用併入本文。例如，生物感測器可包括覆蓋互補金屬-氧化物-半導體(CMOS)層的流通池。CMOS層可以包括：具有多個光電二極體的光感測層；以及耦合到光感測層以處理感測到的信號的電子電路層。生物晶片的其他示例還可以包括微滴處理晶片，例如在2007年11月1日提交的美國專利申請No.12/513,157，在2010年4月22日公佈的美國專利公佈No.20100096266中描述的積體實驗室晶片盒，其全部內容通過引用併入本文。應當理解，本文所述的微流體裝置可以用於檢測與生物反應無關的信號產生事件(例如，由不涉及生物分子的化學轉化產生的信號)。即，術語“生物晶片”、“生物感測器”和“生物學感測器”是指裝置用於生物分子分析(例如，核酸分析或測序)的一般用途，但並不意指是限制性的。

在一些技術內容中，第一生物晶片可以是生物感測器晶片，並且第二生物晶片可以是流體液滴操縱晶片。在其他技術內容中，第一生物晶片和第二生物晶片都可以是生物感測器晶片。

圖2是表示根據本發明的一些技術內容的圖1的多生物晶片裝置的俯視圖。圖2表示了第一生物晶片110的頂表面111和第二生物晶片120的頂表面121。圖2還表示了填充物130的第一層132的頂表面。在一些技術內容中，在第一層132的邊緣138處去除了第一層材料。如上所述，在一些技術內容中，第一層132是疏水性的，並且用作第一生物晶片110和第二生物晶片120之間的介面。然而，疏水性表面可能與微流體殼體結合以形成流通池不相容。因此，在邊緣的疏水性材料被去除以容納黏合線。

在一些技術內容中，第一生物晶片可以是檢測晶片，而第二生物晶片可以是控制晶片。在一些技術內容中，第一生物晶片可以是生物感測器晶片，而第二生物晶片可以是液滴操縱晶片。在一些技術內容中，第一生物晶片和第二生物晶片都可以是生物感測器晶片。

如上所述，第一層132被配置為與設置在第一生物晶片和第二生物晶片上的生物樣品和試劑相容。在一些技術內容中，第一層132具有疏水性表面。

圖3是表示根據本發明的一些技術內容的用於形成多晶片裝置的方法的流程圖。圖4A-4G是表示根據本發明的一些技術內容的在圖3的流程圖中概括的方法的截面圖。形成諸如圖1的多生物晶片裝置100之類的多晶片裝置的方法現在參考圖3的流程圖和圖4A-4G的截面圖描述。

如圖3所示，用於形成多生物晶片裝置的方法300可以概括如下。

在310-提供基板；在320-在基板上設置黏合劑層，並在黏合劑層上方設置模板；在330-通過模板將第一生物晶片和第二生物晶片附接到基板；在340-去除模板，以留下第一生物晶片和第二生物晶片附接到基板；在350-在生物晶片之間的間隙中形成中間層(可選)；以及在360-在第一生物晶片和第二生物晶片之間的間隙中形成頂層。

這些過程將在下面更詳細地描述。

在方法300的過程310中，從提供基板開始。在一些技術內容中，基板可以是印刷電路板(PCB)。例如，圖4A表示了印刷電路板(PCB)101，其是可以在圖3的方法300中使用的基板的示例。PCB可以包括用於與電路板上的電子部件進行電連接以及與外部部件進行電連接的接合焊墊。例如，圖3A表示了接合焊墊102。也可以用於多種生物的其他基板，例如，矽、其他半導體、玻璃、陶瓷等。

在方法300的過程320中，包括將黏合劑設置在基板上並將模板設置在基板上方。例如，在圖4B中，在作為基板的示例的PCB 101上設置黏合劑層134。在一些技術內容中，黏合劑層134可以是環氧黏合劑。環氧黏合劑由環氧樹脂製成，環氧樹脂也稱為聚環氧化物，其是一類含有環氧基的反應性預聚物(reactive prepolymer)和聚合物。

再者，黏合劑層134可以是用於將半導體晶粒附接至基板的晶粒黏結膜(die attach film、DAF)。晶粒黏結膜可以包括諸如環氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸橡膠、二氧化矽填充物或其組合的材料，並且可以使用層合技術來施加。晶粒黏結黏合劑的一個示例是由Henkel Chemicals Company(Düsseldorf,德國)製造的ABLEBOND® 789-3^TM。但是，可以替代地使用任何其他合適的替代材料和形成技術。

過程320還包括在基板上設置模板。例如，圖4B表示了設置在PCB 101和黏合劑134上方的模板150。如本文所使用的，模板是指材料薄片，例如塑膠或金屬薄片，其切有圖案，以用於引導晶片在基板(例如PCB上)上的放置，或使得材料能在基板的選定區域上形成。模板可以設置在基板上或通過支撐結構支撐在基板上方。如圖4B所示，開口152標記用於將生物晶片佈置在PCB 101上的黏合劑層134上的位置，該黏合劑層可以是晶粒黏結膜。

在方法300的過程330中，包括將第一生物晶片和第二生物晶片附接到基板。如圖4C所示，使用基板上的黏合劑層134將第一生物晶片110和第二生物晶片120附接到PCB 101。使用模板150執行該附接過程，以引導生物晶片的定位，並且將生物晶片插入穿過模板150的開口152。可以看出，第一生物晶片110和第二生物晶片120通過間隙140間隔開。間隙140的尺寸由模板150中的圖案確定。還可以看出，在圖4C中，黏合劑134的一部分135被向上推，並且現在位於間隙140的下部。選擇地，在去除模板之後，可以在黏合劑層134上方的間隙中形成單獨的第二黏合劑。

在方法300的過程340中，將模板去除。如圖4D所示，去除模板150，使用黏合劑層134將第一生物晶片110和第二生物晶片120附接到PCB 101。圖4D還表示了由間隙140間隔開的第一生物晶片110和第二生物晶片120。從圖4中還可以看出，黏合劑134的一部分被向上推，並且現在位於間隙140的下部135中。

在一些技術內容中，黏合劑層134然後可以經歷固化(curing)過程以硬化。可以使用各種不同的固化過程，例如加熱固化、濕氣固化或紫外線照射固化。

在方法300的過程350中，包括在生物晶片之間的間隙140中形成中間層。在一些技術內容中，如圖4E所示，在黏合劑層134上方的間隙140中形成中間層136。中間層136可以在黏合劑134和中間層136上方的頂表面層之間提供黏合力。過程350可以是可選步驟。在一些技術內容中，不需要中間層。頂表面層的更多細節在下面結合過程360和圖4F和4G進行描述。在一些技術內容中，中間層可以是密封劑。密封劑是用於阻止流體通過表面或材料中的接縫或開口的物質。密封劑可由丙烯酸聚合物、丁基聚合物和矽酮(silicone)聚合物或基於合成聚合物的密封劑製成。可以通過具有開口的模板將密封劑注入印刷到中間層136上，該開口使得用於中間層的材料能沉積在黏合劑層134上方的間隙中。

在方法300的過程360中，包括在生物晶片之間的間隙中形成表面層。如圖4F所示，在中間層136上方的間隙中形成表面層132。圖4F中的表面層132類似於圖1中的第一層或表面層132。表面層132被配置為與設置在第一生物晶片和第二生物晶片上的生物樣品和試劑相容。在一些技術內容中，表面層132是疏水性的。

在一些技術內容中，填充物中的表面層可包括脫模材料。例如，脫模劑是用於防止其他材料黏合到表面的化學物質。它可以在涉及脫模、壓鑄脫模、塑膠脫模、黏合劑脫模以及輪胎和幅材(web)脫模的過程中提供解決方案。有幾種不同的脫模劑類別：犧牲型(sacrificial)、PVA(聚乙烯醇)、PTFE(聚四氟乙烯)和反應性聚矽氧烷(reactive polysiloxane)。也有基於矽氧烷的脫模劑。可以通過模板將脫模材料噴射到第一生物晶片和第二生物晶片之間的間隙中以形成表面層。

在一些技術內容中，填充物中的表面層可包括鈦材料。可以通過模板將鈦材料濺鍍到第一生物晶片和第二生物晶片之間的間隙中以形成表面層。

在一些技術內容中，填充物中的表面層可包括聚(對苯撐二甲基)聚合物。聚(對苯撐二甲基)聚合物，例如商標為Parylene的聚(對苯撐二甲基)聚合物，是疏水性的，耐化學腐蝕的塗料，對無機和有機介質、強酸、腐蝕性溶液，氣體和水蒸氣具有良好的阻隔性能。疏水性表面層可以使用具有開口的遮罩層以暴露生物晶片之間的間隙通過化學氣相沉積來形成。

方法300還可以包括從表面層去除邊緣以促進與微流體殼體的結合。圖4G是表示兩個生物晶片和在生物晶片之間的間隙中形成的頂表面層的俯視圖。圖4G表示了第一生物晶片110的頂表面111和第二生物晶片120的頂表面121。圖4還表示了填充物130的表面層132的頂表面。在一些技術內容中，在表面層132的邊緣138處去除了表面層132。如上所述，在一些技術內容中，表面層132是疏水性的，並且用作第一生物晶片110和第二生物晶片120之間的介面。然而，疏水性表面可能與用以形成流通池的微流體殼體不相容。因此，如圖4G所示，疏水性材料在邊緣被去除。可以例如通過雷射研磨以在黏合線處暴露表面層132下方的層的方式進行去除，在該黏合線處，包裝將與微流體殼體接合。

圖5是表示根據本發明的一些技術內容的用於形成多生物晶片裝置的另一方法的流程圖。圖6A-6H是表示根據本發明的一些技術內容的在圖5的流程圖中概括的方法的截面圖。形成諸如圖1的多生物晶片裝置100之類的多生物晶片裝置的該替代方法現在參考圖5的流程圖和圖6A-6H的截面圖描述。

如圖5所示，用於形成多生物晶片裝置的方法500可以概括如下。

在510-提供第一基板；在520-將第一生物晶片和第二生物晶片面朝下附接到第一基板；在530-在生物晶片之間的間隙中形成表面層；在540-在生物晶片之間的間隙中的表面層上形成中間層；在550-在生物晶片之間的間隙中以及生物晶片的背側上形成黏合劑層；在560-使用黏合劑層將第二基板附接到生物晶片的背側；以及在570-去除第一基板。

這些過程將在下面更詳細地描述。

圖6A是表示可以在圖5的方法中使用的第一基板的截面圖。在過程510中，方法500開始於提供第一基板。在一些技術內容中，第一基板可以是用於保持生物晶片以進行處理的真空台。例如，圖6A表示了可以在圖5的方法500中使用的真空台160。真空台可以包括用於將生物晶片保持在適當位置的開口162。可以關閉真空以釋放生物晶片。

圖6B是表示在圖5的方法中的第一生物晶片和第二生物晶片附接到第一基板的截面圖。在過程520，方法300包括將第一生物晶片和第二生物晶片附接到基板。如圖6B所示，使用通過真空台160中的開口162提供的真空將第一生物晶片110和第二生物晶片120附接到真空台160。選擇地，可以在基板上使用黏合劑層將第一生物晶片110和第二生物晶片120附接到基板。該附接過程可以使用模板來進行，以引導生物晶片的定位，其中生物晶片通過模板的開口插入，類似於以上結合圖4A-4C描述的過程。可以看出，第一生物晶片110和第二生物晶片120被間隙140間隔開。間隙140的尺寸由模板150中的圖案確定。在圖4C中，黏合劑134的一部分被向上推，並且現在位於間隙140的下部135中。

在過程530，該方法包括在生物晶片之間的間隙中形成表面層。圖6C是表示在圖5的方法中在生物晶片之間的間隙中形成的表面層的截面圖。如圖6C所示，在生物晶片之間的間隙140中形成表面層132。圖6C中的表面層132類似於圖4F的第一層或表面層132。表面層132被配置為與設置在第一生物晶片和第二生物晶片上的生物樣品和試劑相容。在一些技術內容中，表面層132是疏水性的。

在一些技術內容中，填充物中的表面層可包括脫模材料。脫模劑是用於防止其他材料黏合到表面的化學物質。它可以在涉及脫模、壓鑄脫模、塑膠脫模、黏合劑脫模以及輪胎和幅材脫模的過程中提供解決方案。有幾種不同的脫模劑類別：犧牲型、PVA(聚乙烯醇)、PTFE(聚四氟乙烯)和反應性聚矽氧烷。也有基於矽氧烷(silicone-based)的脫模劑。可以通過模板將脫模材料噴射到第一生物晶片和第二生物晶片之間的間隙中以形成表面層。

在方法500的過程540中，包括在生物晶片之間的間隙中的表面層上形成中間層。圖6D是表示在生物晶片之間的間隙中形成的中間層的截面圖。如圖6D所示，在表面層132上方的間隙140中形成中間層136。在一些技術內容中，中間層136在表面層132和形成在中間層136上方的黏合劑134之間提供黏附力。下面結合過程550和圖6E描述黏附層134的更多細節。在一些技術內容中，中間層可以是密封劑。密封劑是用於阻止流體通過表面或材料中的接縫或開口的物質。密封劑可由丙烯酸聚合物、丁基聚合物和矽酮聚合物或基於合成聚合物的密封劑製成。可以通過具有開口的模板將密封劑注入印刷到中間層136上，該開口使得用於中間層的材料能沉積在表面層132上方的間隙中。

在方法500的過程550中，包括在生物晶片之間的間隙中以及在生物晶片的背側上形成黏合劑層。圖6E是表示生物晶片之間的間隙中以及在生物晶片的背側上的黏合劑層的截面圖。如圖6E所示，黏合劑層134設置在生物晶片之間的間隙中以及生物晶片的背側上。圖6E中的黏合劑層134類似於圖4B中的黏合劑層134。在一些技術內容中，黏合劑層134可以是環氧黏合劑。環氧黏合劑可以由環氧樹脂製成，環氧樹脂也稱為聚環氧化物(polyepoxide)，其是一類含有環氧基的反應性預聚物和聚合物。

選擇地，黏合劑層134是用於將半導體晶粒附接至基板的晶粒黏結膜(DAF)。晶粒黏結膜可以包括諸如環氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸橡膠、二氧化矽填充物或其組合的材料，並且可以使用層合技術來施加。晶粒黏結黏合劑的一個示例是由Henkel Chemicals Company(Düsseldorf,德國)製造的ABLEBOND® 789-3^TM。但是，可以替代地使用任何其他合適的替代材料和形成技術。

在方法500的過程560中，使用黏合劑層將第二基板附接到生物晶片的背側。圖6F是表示使用黏合劑層附接到生物晶片的背側的第二基板的截面圖。圖6F表示了使用黏合劑層134附接到生物晶片的印刷電路板(PCB)101。圖6F的PCB101可包括用於與電路板上的電子部件進行電連接以及與外部部件進行電連接的接合焊墊。

在方法500的過程570中，包括去除第一基板。圖6G是表示第一基板160從圖6E的結構中的生物晶片去除的截面圖，從而得到多晶片結構601。圖6E的多晶片結構601上下顛倒放置。圖6E中的多晶片結構601可以旋轉到直立位置，如圖6H所示。

圖6H是表示在方法500中佈置在第二基板上的兩個生物晶片的在生物晶片之間具有填充物的截面圖。如圖6H所示，表示了與圖1中的裝置100相似的多晶片結構600。多晶片結構600包括分別附接到PCB 101的第一和第二生物晶片110和120，第一生物晶片和第二生物晶片之間的間隙140被填充物中的表面層132覆蓋。表面層132設置在黏合劑層134上。表面層132具有與第一生物晶片110的頂表面和第二生物晶片120的頂表面形成共面的疏水性表面。

圖7是表示根據本發明的一些技術內容的具有附接到PCB的多個生物晶片的微流體設備的簡化圖。如圖7所示，微流體裝置700包括PCB(印刷電路板)710，覆蓋在PCB上的第一生物晶片720和第二生物晶片725以及覆蓋在生物晶片和PCB上的微流體殼體780。使用第一黏合劑層741將微流體殼體780附接到生物晶片720和725以形成流通池，並且使用第二黏合劑層742將微流體殼體780附接到PCB 710以提供機械支撐。例如，可以使用將生物晶片附接到PCB的晶粒黏結黏合劑層712，將生物晶片720和725附接到PCB 710。此外，可以形成填充區段727以填充生物晶片720和725之間的空間。

在一些技術內容中，填充區段727可以類似於以上結合圖1-6G描述的填充物130。填充區段727可以包括在第一生物晶片的側表面和第二生物晶片的側表面之間延伸的黏合劑層，第二黏合劑層將第一生物晶片附接到第二生物晶片。填充區段還包括設置在第二黏合劑層上方的表面層。表面層具有與第一生物晶片的頂表面和第二生物晶片的頂表面形成共面的疏水性表面。

在圖7中，微流體殼體780具有入口731、出口732和第一孔穴733。微流體殼體780可具有與孔穴733相鄰的內側壁735，並且使用第一黏合劑層741將內側壁附接到生物晶片720和725，以形成具有氣密密封的流通池740。流通池740包括由微流體殼體780、微流體殼體的內側壁735與生物晶片720和725之間的孔穴733形成的通道。可通過入口731將生物樣品737引入孔穴733中，在孔穴733中，晶片720和725可以確定生物樣品737的特性。此後，可以通過出口732從孔穴733中移出生物樣品737。

如圖7所示，微流體殼體780還可以具有使用第二黏合劑層742附接到PCB 710的外側壁736，以提供機械支撐。在一些技術內容中，類似於圖1中所描述的，生物晶片720和725使用接合引線電耦合至PCB 710。就這一點而言，微流體殼體780還可以包括用於容納接合引線的第二孔穴。

第一黏合劑層741在微流體殼體780與生物晶片720和725之間形成氣密和液密的氣密密封。此外，第一黏合劑層741與流通池及其操作中使用的材料相容。另一方面，第二黏合劑層742被配置為在微流體殼體780和PCB 710之間的接合處提供機械強度。

在上述微流體裝置的一些技術內容中，第一黏合劑材料在固化之前是固體，並且在固化之後基本上保持其厚度以提供微流體裝置的高度的精確性和均勻性。第二黏合劑材料在固化之前是液體，以根據外側壁的底表面與PCB之間的距離的變化進行調節。在一些技術內容中，第二黏合劑材料具有比第一黏合劑材料高的固化收縮率。在一些技術內容中，第一黏合劑材料包括晶粒黏結膜(DAF)，而第二黏合劑材料包括液態環氧樹脂。

在上述微流體裝置的一些技術內容中，第一黏合劑材料固化後是柔性黏合劑，以通過操作期間的熱循環來適應生物晶片與微流體殼體之間的不匹配的熱膨脹。第二黏合劑材料在固化前為液體形式。在一些技術內容中，第一黏合劑材料包括柔性聚氨酯黏合劑材料，而第二黏合劑材料包括液態環氧樹脂。在可替代的技術內容中，第一黏合劑材料包括壓敏黏合劑(PSA)，而第二黏合劑材料包括液態環氧樹脂。

圖8是表示根據本發明的一些技術內容的包括多個生物晶片的另一整合裝置的簡化截面圖。如圖8所示，裝置800包括設置在基板801上的第一生物晶片810和第二生物晶片820，第一生物晶片和第二生物晶片通過間隙840間隔開，類似於以上結合圖1所述的裝置100。裝置800還包括設置在第一生物晶片810和第二生物晶片820之間的間隙840中的填充物830。類似於圖1中的填充物130，圖8中的填充物830具有第一層(表面層)832和第二層(黏合劑層)834。第一層832設置在第一生物晶片810的頂表面和第二生物晶片820的頂表面之間。第一層832與第一生物晶片810的頂表面和第二生物晶片820的頂表面形成共面。第一層832被配置為與設置在第一生物晶片和第二生物晶片上的生物樣品和試劑相容。在一些技術內容中，第一層832具有疏水性表面。第二層834是設置在第一層832下方的黏合劑層。第二層834的至少一部分設置在第一生物晶片810的側壁與第二生物晶片820的側壁之間。第二層834配置為提供生物晶片810和820之間的黏附力，並提供對基板801的黏附力。第二層834也被配置為提供整合裝置的機械強度。在一些技術內容中，填充物830還可包括類似於圖1中的中間層136的中間層。

在以上裝置的一些技術內容中，填充物中的第一層832可以包括脫模材料。在替代技術內容中，填充物中的第一層832可以包括鈦材料。在其他技術內容中，填充物中的第一層832可以包含聚(對苯撐二甲基)聚合物。在一些技術內容中，第二層834可以包含環氧黏合劑。在一些技術內容中，第二層可包括晶粒黏結黏合劑。

在圖1的裝置100中，生物晶片通過引線接合而電連接至基板101，例如，PCB。相比而言，在圖8中的裝置800中，通過設置在生物晶片的背表面與PCB之間的焊球860將生物晶片電連接至PCB 801。焊球可以通過矽通孔(through-silicon via、TSV)870連接到生物晶片前部的設備，例如生物感測器。在封裝技術中，矽通孔(TSV)或晶片通孔是完全穿過矽晶圓(wafer)或晶粒的豎直電連接(通孔)。與替代技術相比，TSV可以提高設備密度並縮短連接長度。

在一些技術內容中，第一生物晶片810可以是生物感測器。生物感測器可以包括覆蓋互補金屬氧化物半導體(CMOS)感測器層871的流通池。CMOS感測器層871可以通過TSV 870和焊球860耦合到基板801，例如PCB。連接到PCB的處理器等其他設備可以處理由CMOS感測器層871提供的信號。

在積體電路封裝中，焊球(也稱為焊錫凸塊)是在晶片封裝和印刷電路板之間提供接觸的焊料球。焊料是一種易熔的金屬合金，其用於在金屬工作件之間建立永久的結合。過去通常使用鉛和錫的合金，但是無鉛焊料的使用卻在增加。軟焊料的熔點範圍通常為90℃到450℃。例如，無鉛焊球的熔化溫度為240℃-250℃。共晶焊球的熔化溫度約為183℃。特殊的焊球可以具有低的熔化溫度。例如，含鉍(bismus)的焊球的熔化溫度較低，約為138-140℃。錫基焊料，例如錫-鉛-鉍焊料Sn₄₃Pb₄₃Bi₁₄的熔化溫度可低至96℃。

焊球可以通過自動化設備放置。在圖8中，製造裝置800的方法可以包括例如通過自動化設備將焊球860放置在基板801上。然後，可以在焊球上設置黏合劑層834或NCF(non-conductive film、非導電膜)。接下來，可以使用以上結合圖3和4A-4G描述的方法將第一生物晶片810和第二生物晶片820放置在焊球和黏合劑層或NCF上。焊球可以穿過黏合劑層或NCF伸出以與生物晶片的底表面接觸。可以在黏合劑層834上形成第一層832。可以在形成第一層832之前在黏合劑層834上形成可選的中間層。

在製造裝置800的替代方法中，使用以上結合圖3和4A-4G描述的方法，將焊球放置在PCB上，並將生物晶片放置在焊球上。此時，焊球與生物晶片以及PCB形成電接觸。接下來，可以使用底部填充製程，將黏合劑層834設置在生物晶片之間的間隙中，並填充位於生物晶片和PCB之間的焊球之間的空間。可以在黏合劑層834上形成第一層832。可以在形成第一層832之前在黏合劑層834上形成可選的中間層。

在一些技術內容中，裝置800還可包括覆蓋生物晶片和PCB的微流體殼體，以形成微流體裝置。類似於圖7中的微流體殼體780，使用第一黏合劑層將微流體殼體附接到生物晶片以形成流通池，並且使用第二黏合劑層將微流體殼體附接到PCB以提供機械支撐。第一黏合劑層和第二黏合劑層的性質和材料與以上關於圖7中的微流體殼體780描述的那些相似。

圖9是表示根據本發明一些技術內容的另一裝置的簡化截面圖，該裝置包括與印刷電路板(PCB)整合的生物晶片。如圖9所示，裝置900包括設置在印刷電路板(PCB)901的孔穴903中的生物晶片910。在其他技術內容中，可以在孔穴中設置一個以上的生物晶片。在圖9中，孔穴903是從PCB的正表面延伸到背表面的通孔。裝置900還包括設置在生物晶片910和PCB 901之間的間隙中的填充物930。類似於圖1中的填充物930，圖9中的填充物930可以包括第一層(表面層)932和第二層(黏附層)934。第一層932設置在生物晶片910的頂表面和PCB 901的頂表面之間。在一些情況下，第一層923與PCB 901的頂表面形成共面，以使得生物樣品或試劑能移動。第一層932被配置為與設置在第一生物晶片和第二生物晶片上的生物樣品和試劑相容。在一些技術內容中，第一層 932是疏水性的。第二層934設置在第一層932下方。第二層934的至少一部分設置在生物晶片910的主體部分與PCB 901的主體部分之間。第二層934被配置為在生物晶片910與基板901之間提供黏附力。第二層934還被配置為給整合裝置提供機械強度。在一些技術內容中，填充物930還可包括類似於圖1中的中間層136的中間層。

在以上裝置的一些技術內容中，填充物中的第一層932可以包括脫模材料。在替代技術內容中，填充物中的第一層932可以包括鈦材料。在其他技術內容中，填充物中的第一層932可以包括聚(對苯撐二甲基)聚合物。在一些技術內容中，第二層934可以包括環氧黏合劑。在一些技術內容中，第二層可包括晶粒黏結黏合劑。

在圖9的裝置900中，生物晶片910通過設置在生物晶片910的背表面上的接合引線917而電連接至PCB 901。接合引線917可以將PCB 901的背表面處的接合焊墊902連接至設置在生物晶片背表面的矽通孔(TSV)970。

在一些技術內容中，裝置900還可以包括覆蓋生物晶片和PCB以形成微流體裝置的微流體殼體。類似於圖7中的微流體殼體780，使用第一黏合劑層將微流體殼體附接到生物晶片以形成流通池，並且使用第二黏合劑層將微流體殼體附接到PCB以提供機械支撐。第一黏合劑層和第二黏合劑層的性質和材料與以上參照圖7中的微流體殼體780描述的那些相似。

用於製造裝置900的方法可以包括以上結合圖5和6A-6H所描述的方法中的過程。首先，將PCB和生物晶片面朝下放置在基板或膠帶上。使第一層932形成在生物晶片和PCB之間的間隙中，類似於圖6A-6C中描繪的過程。可選的中間層可以設置在第一層上，類似於圖6D中所示的過程。接下來，可以在生物晶片和PCB之間形成接合引線917。然後，類似於圖6E中所描繪的過程，可以將黏合劑層934設置在結構上。然後將該結構翻轉(flipped over)為裝置900。

圖10是表示根據本發明一些技術內容的另一裝置的簡化截面圖，該裝置包括與印刷電路板(PCB)整合的生物晶片。如圖10所示，裝置1000包括設置在印刷電路板(PCB)1001的孔穴1003中的生物晶片1010。在其他技術內容中，可以在孔穴中設置一個以上的生物晶片。在圖10中，孔穴1003稱為從PCB 1001部分延伸的半孔穴。裝置1000還包括設置在生物晶片1010和PCB 1001之間的間隙中的填充物1030。類似於圖1中的填充物1030，圖10中的填充物1030可以包括第一層1032和第二層1034。第一層和第二層也分別稱為表面層和黏合劑層。第一層1032設置在生物晶片1010的頂表面和PCB 1001的頂表面之間。第一層1032被配置為與設置在第一生物晶片和第二生物晶片上的生物樣品和試劑相容。在一些技術內容中，第一層1032是疏水性的。第二層1034設置在第一層1032下方。第二層1034的至少一部分設置在生物晶片1010的主體部分與PCB 1001的主體部分之間。第二層1034被配置為在生物晶片1010與基板2001之間提供黏附力。第二層1034還被配置為給整合裝置提供機械強度。在一些技術內容中，填充物1030還可包括類似於圖1中的中間層136的中間層。

在以上裝置的一些技術內容中，填充物中的第一層1032可以包括脫模材料。在替代技術內容中，填充物中的第一層1032可以包括鈦材料。在其他技術內容中，填充物中的第一層1032可以包括聚(對苯撐二甲基)聚合物。在一些技術內容中，第二層1034可以包括環氧黏合劑。在一些技術內容中，第二層可包括晶粒黏結黏合劑。

在圖10的裝置1000中，參照圖10，生物晶片1010通過設置在生物晶片1010的背表面的在半孔穴1003的底表面上的焊球1060電連接至PCB 1001。焊球1060可以例如通過矽通孔(TSV)1070在生物晶片的前部連接至器件，例如生物感測器。焊球1060可以通過半孔穴1003底表面的接合焊墊連接到PCB，以到達PCB 1001的背表面的接合焊墊，從而連接到外部設備。下填充層(under fill layer)1039可以設置在生物晶片1010的底表面與PCB 1001中的半孔穴1003的底表面之間。該下層可以分佈來自焊球的熱機械應力以提高焊球的可靠性。

在一些技術內容中，裝置1000還可以包括覆蓋生物晶片和PCB以形成微流體裝置的微流體殼體。類似於圖7中的微流體殼體780，使用第一黏合劑層將微流體殼體附接到生物晶片以形成流通池，並且使用第二黏合劑層將微流體殼體附接到PCB以提供機械支撐。第一黏合劑層和第二黏合劑層的性質和材料與以上參照圖7中的微流體殼體780描述的那些相似。

在製造裝置1000的方法中，將焊球放置在PCB 1001中的半孔穴的底表面上，並且使用以上結合圖3和4A-4G描述的方法將生物晶片放置在焊球上。此時，焊球與生物晶片以及PCB形成電接觸。接下來，使用底部填充製程，可以將黏合劑層1034設置在生物晶片之間的間隙中，並填充位於生物晶片和PCB之間的焊球之間的空間。可以在黏合劑層1034上形成第一層1032。可以在形成第一層1032之前在黏合劑層1034上形成可選的中間層1036。可以將中間層1036配置為用作第一層1032和黏合劑層1034之間的膠。

本發明的一些技術內容可以用於生物或化學樣品的分析。生物或化學樣品可包括許多組分中的任何一種。例如，樣品可含有核酸大分子(例如模板(template)、DNA、RNA等)、蛋白質等。可以分析樣品以確定基因序列、DNA-DNA雜交、單核苷酸多態性、蛋白質相互作用、肽相互作用、抗原-抗體相互作用、葡萄糖監測、膽固醇監測等。

在一些技術內容中，生物樣品可以是核酸，例如DNA。參見美國專利No.8,778,849；No.8,445,194；No.9,671,344；No.7,910,354；No.9,222,132；No.6,210,891；No.6,828,100；No.6,833,246；No.6,911,345和專利申請公佈No.2016/0237488，其全部內容通過引用併入本文。DNA生物分子可以是但不限於DNA奈米球(單鏈多聯體)，該DNA奈米球(單鏈多聯體)與標記探針雜交(例如，通過附接或cPAL方法在DNB測序中)或與互補生長鏈雜交(例如，在通過合成方法的DNB測序中)或與兩者雜交；或與單個DNA分子雜交(例如，在單分子測序中)；或者與無性的的DNA分子群雜交，例如在基於橋式PCR的測序中產生的。因此，提及的“生物分子”、“DNA大分子”或“核酸大分子”可以包括多於一個分子(例如，與多個生長的互補鏈相關的DNB或包含數百或數千個DNA分子的無性的群的DNA簇)。用於製造DNB(例如，DNB庫)和用於製造由區域間區域隔開的離散間隔區域的陣列的示例性方法在本領域中是眾所周知的。參見，例如，美國專利No.8,133,719；No.8,445,196；No.8,445,197；和No.9,650,673，其全部內容通過引用併入本文。在一些技術內容中，DNB或其他大分子通過有吸引力的非共價相互作用(例如，范德華力、氫鍵和離子相互作用)固定在離散的間隔開的區域或斑點上。在一些技術內容中，離散的間隔開的區域包含功能性部分(例如，胺)。在一些技術內容中，離散的間隔開的區域包含附接於其上的寡核苷酸，以結合模板DNA(例如，DNB)。通常，離散的間隔開的區域以直線圖案佈置；然而，可以使用具有其他佈置的規則陣列(例如，區域的同心圓、螺旋形圖案、六邊形圖案等)。

在一些技術內容中，核酸大分子可以是基因組DNA片段或cDNA文庫的擴增子(amplicon)。如本文所使用的，“擴增子”可以是核酸分子擴增的產物，通常是基因組DNA片段或cDNA文庫的片段。擴增的方法包括但不限於滾環擴增，如例如美國專利No.8,445,194(其全部內容通過引用併入本文)中所述，或橋式聚合酵素鏈式反應(PCR)，如例如在美國專利No.7,972,820(其全部內容通過引用併入本文)中所述。擴增可以在核酸與生物感測器接觸之前進行，或者原位進行，例如，如美國專利No.7,910,354中所述，該專利其全部內容通過引用併入本文。

例如，可以將與螢光或化學發光染料締合的生物樣品(諸如DNA大分子、寡核苷酸(oligonucleotide)或核苷酸(nucleotide))置於光電二極體上方。在螢光的情況下，可以通過來自激發光源的激發光照射染料。激發光可以對應於任何合適類型或強度的光，所述光包括例如可見光、紅外線(IR)、紫外線(UV)等。激發光(excitation light)還可以來自任何合適的光源，例如發光二極體(LED)、燈、雷射器、它們的組合等。當用特定波長的激發光照射染料時，生物樣品可以吸收光，然後發射不同波長的光。例如，生物樣品可以吸收具有450nm波長的激發光，但是發射具有550nm波長的光。換句話說，當染料被具有不同特徵波長的光(即激發光源)照射時，可以發射具有特徵波長的螢光。然而，因為激發光用於照射染料，從而產生螢光，所以必須將其濾除以便在光電二極體處對螢光進行精確測量。

在化學發光的情況下，光電二極體檢測發射的光不需要激發光源。相反，生物樣品可能由於以下原因而發光：生物樣品和化學發光染料(或其他溶液)之間可能發生化學或酵素催化，導致由於破壞或形成化學鍵(例如，螢光酵素蛋白對螢光素底物的作用)而發光。

對於螢光和化學發光(chemiluminescence)兩者，光電二極體可以檢測發射光的強度並將其轉換成可以經由金屬佈線提供給外部裝置的基於該光的強度的電子信號。外部裝置可以基於電子信號將電子信號與特定波長和亮度相關聯。

在一些技術內容中，生物感測器的表面上的有效斑點或孔和核酸大分子可以相互配置，使得每個斑點僅結合一個核酸大分子。例如，這可以通過使表面與尺寸對應於有效斑點的擴增子(例如，直徑有效地與有效斑點的直徑一樣大或大於有效斑點的直徑的擴增子)接觸來實現。參見美國專利No.8,445,194，其全部內容通過引用併入本文。替代地，有效斑點可以在化學上適合於結合單個DNA片段，然後可以擴增該片段以填充原始結合位點處和周圍的較大區域。

本發明的一些技術內容可用於確定對應於不同波長的光的不同標記。標記可以是例如螢光標記、化學發光標記或生物發光標記。例如，在基因測序(或DNA測序)中，本發明的技術內容可用於確定核酸大分子(例如DNA鏈)內核苷酸鹼基的精確順序。可以用特定螢光標記物標記核苷酸鹼基(例如腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)或胸腺嘧啶(T))。替代地，可以使用例如一種顏色、兩種顏色或三種顏色的測序方法。

關於螢光，可以通過用激發光連續激發核酸大分子來依次確定每個核苷酸鹼基。核酸大分子可以吸收激發光並將不同波長的發射光傳輸到生物感測器上，如本文所述。生物感測器可以測量由光電二極體接收的發射光的波長和強度。每個核苷酸(例如，螢光標記的核苷酸)當被特定波長和/或強度的激發光激發時可以向光電二極體發射特定波長和/或強度的光，從而使得能夠識別在核酸大分子的特定位置存在特定的核苷酸鹼基。一旦確定了特定的核苷酸鹼基，就可以將其從核酸大分子中除去，從而可以根據類似的方法確定下一個連續的核苷酸鹼基。

為了任何目的，核酸大分子在附接於生物感測器之前或之後，可以用一種或多種不同的螢光標記物、化學發光標記物或生物發光標記物標記。例如，核酸大分子可以與標記的寡核苷酸探針或擴增引物(amplification primer)雜交。替代地，核酸大分子可以與未標記的寡核苷酸雜交，未標記的寡核苷酸然後可以附接到標記的探針上，或者使用標記的核苷酸類似物擴增。舉例來說，可以進行標記以用於表徵核酸大分子(例如，存在與疾病相關的單核苷酸多態性(SNP))，或者用於核酸大分子的全部或部分的核酸測序，如上文所述。通過探針雜交(probe hybridization)進行的DNA測序描述於例如美國專利 No.8,105,771中，其全部內容通過引用併入本文。通過錨定探針附接的測序描述於例如美國專利No.8,592,150中，其全部內容通過引用併入本文。通過合成測序描述於例如美國專利No.7,883,869中，其全部內容通過引用併入本文。通常，通過合成測序是一種方法，其中將核苷酸連續地添加到與模板序列雜交的測序引物所提供的游離3'羥基上，從而導致在5'至3'方向上的核酸鏈的合成。在一種方法中，可以使用另一種示例性類型的SBS，焦磷酸測序(pyrosequencing)技術(Ronaghi等人，1998,Science 281：363)。

在一些技術內容中，生物感測器可以可逆地耦合到流通池(未表示)。通過使生物感測器與流通池中的液體樣品接觸，可以將核酸大分子附接到生物感測器。流通池可包括一個或多個與反應位點流體連通的流動通道。在一個示例中，生物感測器可以流體地和電氣地耦合到生物測定系統。生物測定系統可根據預定方案將試劑遞送至反應位點並執行成像事件。例如，生物測定系統可以引導溶液沿著反應位點流動。該溶液可包括具有相同或不同螢光標記的四種類型的核苷酸。在一些技術內容中，然後，生物測定系統可以使用激發光源照射反應位點。激發光可以具有預定的一種或多種波長。激發的螢光標記可以提供可以由光電二極體檢測到的發射信號。

使用者可以通過將根據所述技術內容的生物感測器與核酸擴增子或隨後擴增的核酸接觸來準備測序，使得核酸大分子結合有效斑點或孔並被有效斑點或孔保留，並且可以洗去過量的核酸大分子。核酸大分子可以與標記試劑預先或原位接觸。然後可以如本文所述操作生物感測器以確定在陣列上的核酸大分子上或周圍發射的光。可以量化光，或者可以足以以二元方式確定表面上的哪些核酸大分子已經用在特定波長下發光的標記物標記。可以同時使用具有在不同波長下發射光的標記物的不同探針或不同核酸類似物，例如，以確定序列中特定位置的不同鹼基，或對多個位置進行測序。

儘管本文關於背側照射CMOS感測器進行了描述，但是可以預期本發明的技術內容可以類似地應用於正側照射CMOS感測器。此外，預期本發明的技術內容可以類似地應用於任何合適的生物感測器，例如2017年11月3日提交的美國專利申請No.15/803,077中描述的那些生物感測器，其全部內容通過引用併入本文。

上面的描述包括在當前描述的技術的示例方面中的方法、系統和/或結構及其應用。儘管上文已經以某種程度的特殊性或參考一個或多個單獨方面描述了該技術的各個方面，但是本領域技術人員可以在不脫離本技術的精神或範圍的情況下對所公開的方面進行多種改變。由於許多方面可以在不背離目前描述的技術的精神和範圍的情況下進行，因此適當的範圍位於本文所附的請求項中。因此，可以預期其他方面。此外，應該理解的是，可以以任何循序執行任何操作，除非另外明確聲明，或者主張語言固有地要求的特定順序。本意為，上文描述中包含的以及圖式中表示的所有內容應被解釋為僅是特定方面的示例，並且不受限於所表示的技術內容。除非上下文另有清楚說明或明確指出，否則本文提供的任何濃度值通常以混合物值或百分比形式給出，而不考慮在添加混合物的特定成分時或之後發生的任何轉化。就尚未明確地表示併入本文的程度而言，本公開中涉及的所有公佈的參考文獻和專利檔通過引用以其全文併入本文，以用於所有目的。在不脫離如所附請求項所限定的本技術的基本要素的情況下，可以進行細節或結構上的改變。