WO2009043614A2 - Mikrofluidisches bauelement sowie herstellungsverfahren - Google Patents

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WO2009043614A2
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Christian Maeurer
Johanna May
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched

Definitions

  • the invention relates to a microfluidic component according to the preamble of claim 1 and to a method for producing such microfluidic components according to the preamble of claim 12.
  • DE 601 05 979 T2 discloses a microfluidic component which is formed from a plurality of polymer layers.
  • the polymer layers have a microstructure that forms a microchannel or reservoir for a fluid.
  • the microstructure is introduced into the polymer layers by application of a removing process.
  • microfluidic components for example designed as micropump or pressure sensor, comprising a plurality of polymer layers with a microstructure for receiving, storing or conducting a fluid are known.
  • the invention has for its object to extend the functionality of a microfluidic device. Furthermore, the object is to propose a suitable production method for such a multifunctional microfluidic component.
  • the invention is based on the idea of extending the function of the microfluidic component, which comprises at least two, preferably flat, polymer layers, of which at least one is provided with a microstructure for a fluid, in that in the microfluidic component a semiconductor component, in particular by Fixing the semiconductor device to a polymer layer or on an element defined by the polymer layer is integrated.
  • a package comprising at least one semiconductor component and two polymer layers is proposed in which at least one of the polymer layers has not only the task of protecting the semiconductor component but additionally the function as a microfluidic (functional) element.
  • the semiconductor component is preferably a semiconductor component which cooperates with the microstructure for the fluid, for example a control chip for a micropump formed in the polymer layers, an evaluation unit for a microfluidic sensor, a semiconductor micropump or a semiconductor sensor.
  • the semiconductor component is preferably a microchip. However, it is also conceivable to arrange or fix other active or passive semiconductor components on at least one of the polymer layers.
  • microfluidic components Due to the integration on at least one semiconductor component in a microfluidic component "intelligent" microfluidic components can be produced for the first time, which in addition to purely microfluidic functions, such as the storage, recording and / or pumping of fluids, preferably liquids, take over the functionality of a semiconductor component, which
  • a microstructure is understood as meaning a surface structure and / or a structure permeating at least one polymer layer, which serves for receiving, storing and transferring fluids, for example, the microstructure is a fluidic channel and / or a fluid reservoir, and / or a fluid cavern, etc.
  • the microstructure may be part of a micromixer, a micropump or a microsensor.
  • the at least two polymer layers of the microfluidic component formed according to the concept of the invention are joined together.
  • Semiconductor device may be disposed on the first polymer layer as well as on the at least second polymer layer. It is conceivable that between the at least one microstructured first polymer layer and the second, the
  • Semiconductor component having polymer layer at least one further, structured or non-structured polymer layer is provided.
  • microfluidic device or a package with a semiconductor device and a microfluidic function does not have to be processed individually. Rather, a multiplicity of microfluidic components or packages can be produced simultaneously in a batch and / or reel-to-reel process.
  • the microfluidic components obtained in this way can be both reusable components and disposable components.
  • Suitable polymers for forming the polymer layers are, for example, thermoplastics, e.g. Polycarbonate (PC), COC, PMMA; Thermosets, e.g. Epoxy resins and UV polymers.
  • the at least one microstructure is prepared by a forming process or will.
  • the production of the microstructure preferably takes place by means of hot stamping or thermoforming and / or by means of UV imprinting.
  • the semiconductor component is not arranged on the outside of the microfluidic component, but in which the semiconductor component is accommodated between at least two polymer layers of the microfluidic component.
  • the two (flat) polymer layers tightly enclose the semiconductor device, i. Encapsulate hermetically from the environment, an optimal protection of the semiconductor device from corrosion or other undesirable environmental influences is achieved.
  • an embodiment is advantageous in which at least one electrical connection for the semiconductor component is provided on the microfluidic component, preferably on the outside of the microfluidic component. It is preferably a plug-in contact, which is electrically connected in a simple manner. It is conceivable to fix the connection, for example by sticking, to the component or to form it, at least partially, by means of a corresponding structuring method on at least one polymer layer.
  • At least one polymer layer preferably on the semiconductor component having the polymer layer, at least one metallization is provided.
  • the metallization preferably forms a conductor track for connecting the semiconductor component to an electrical connection of the microfluidic component.
  • the metallization may have the function of an electrode structure, etc.
  • the metallization can be applied in a simple manner by suitable methods, such as sputtering, hot embossing, chemically or galvanically, or integrated into the polymer layer. On additional interconnects of plastic or ceramic can be dispensed with advantage.
  • At least one flex cable can be provided.
  • the at least one cable has a connection surface (footprint) for contacting or fixing the semiconductor component.
  • the connection of the semiconductor component to the pad preferably takes place with the aid of wire bonds or by means of a flip-chip method. From the outside, the contacting of the flex cable is possible for example by the provision of a plug contact.
  • At least one fluid connection to the microfluidic component is provided in a development of the invention.
  • the fluid connection can be performed, for example, as a Luer-Lok, Olive or hose nipple. It is conceivable to glue the at least one fluid connection from the outside, or, at least partially, to form it from at least one polymer layer by means of a corresponding structuring.
  • microfluidic component or of the package can be further increased if polymer actuators and / or polymer sensors or even polymer electronics are integrated into the microfluidic component.
  • a further increase in functionality can be achieved by integrating at least one optical element into the microfluidic component.
  • the integration or production of the optical element preferably takes place by means of a suitable structuring or metallization of at least one polymer layer.
  • optical elements for example (Fresnel) lenses, optical windows, optical waveguides or mirrors can be used in a suitable metallization.
  • At least one optical connection is to be provided in the development of the invention.
  • This may be, for example, an optical waveguide connection.
  • microfluidic component is not individually processed, but in which the component is produced in a batch process and / or in a reel-to-reel process.
  • the invention also leads to a method for producing a microfluidic component described above.
  • Core of the manufacturing process is that not one Element is individually processed, but that a plurality of microfluidic components or packages are produced simultaneously in a batch process and / or in a reel-to-reel process. Since a total of only a few elements have to be joined together (structured polymer layers, possibly unstructured polymer layers, semiconductor components), the construction or production of a microfluidic component formed according to the concept of the invention is surprisingly simple.
  • FIG. 2 shows a second method step for producing a microfluidic component, in which a polymer layer is metallized
  • FIG. 5 shows a fifth method step in the production of a microfluidic component, in which the semiconductor components are connected to the third
  • Polymer layer be capped (encapsulated),
  • 6 shows a sixth method step in the production of a microfluidic component, in which fluidic connections are added to the microfluidic component
  • 7 shows an alternative method step to the second method step, in which, instead of metallizations, a flexible conductor cable (flex cable) with a suitable connection surface is provided,
  • FIG. 10 shows different composites of two polymer layers, of which in each case a polymer layer is structured, wherein the composites are formed as actuators, which may be part of a microfluidic component,
  • 11 is a schematic representation of a batch process for producing the microfluidic component
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a reel-to-reel process for producing a microfluidic component.
  • FIG. 1 shows a first production step in the production of a microfluidic component 1 (package) shown in FIG. 6.
  • a first polymer layer 2, a second polymer layer 3 arranged above it in the plane of the drawing, and a third polymer layer 4 arranged above it in the plane of the drawing, can be discerned.
  • the first polymer layer 2 is provided with a microstructure 5, 6 for a fluid.
  • the microstructures 5, 6 shown are chosen only by way of example.
  • the microstructures 5, 6 in the first polymer layer 2 are is a microfluidic channel 7 which is interrupted by a transverse wall 8.
  • the microstructures 5, 6 are part of a fluid valve for a micropump to be explained later.
  • the microstructures 5, 6 are introduced into the first polymer layer 2 by a forming process.
  • further structures in the form of perforations, alignment pins, adhesive trenches, etc. may be provided.
  • the production of the structured polymer layers 2, 3, 4 as injection-molded parts is conceivable.
  • FIG. 2 shows a second method step in the production of the microfluidic component 1 (package) shown in FIG.
  • second polymer layer 3 serving as interconnects metallizations 9 are applied.
  • a printing method in particular a screen-printing or digital-printing method.
  • FIG. 3 shows a third method step in the production of the microfluidic component 1 (package).
  • semiconductor components 10 in this embodiment a micropump chip 11 and a flow sensor 12, are glued and contacted on the second polymer layer 3.
  • corresponding electrical connections 13 are bonded in such a way that they contact the metallizations 9.
  • the flow sensor 12 is located directly on the metallization 9 and is thus, without having to provide wire bonds, electrically conductive with the right in the drawing plane Connection 13 connected.
  • the corresponding semiconductor device preferably first be glued fluid tight and only then bonded.
  • the terminals 13 can, as shown, be glued with electrically conductive adhesive or, depending on the material properties (preferably plastic) of the terminal and the polymer layer soldered or even plugged.
  • the second polymer layer 3 is joined to the first polymer layer 2.
  • different joining methods can be realized.
  • the joining of the polymer layer 2, 3 takes place by thermocompression, resistance joining, laser transmission welding, ultrasonic welding, etc. In the joining, care must be taken that the microchannel 7 in the first polymer layer 2 is sufficiently sealed.
  • the second method step and the third method step (FIGS. 2 and 4) can be interchanged.
  • the semiconductor components 10 are encapsulated by means of the third, unstructured polymer layer 4.
  • the third polymer layer 4 is added as a cover with the second polymer layer 3 - preferably by an aforementioned joining method.
  • fluidic ports 15 are externally added to form the microstructures 5, 6, i. be able to provide the microchannel 7 with a fluid.
  • FIG. 7 shows an alternative method step to the method step according to FIG. 2.
  • flex cables 16 (flexible cables) are used and bonded to the second polymer layer 3.
  • the flex cables 16 simultaneously form outwardly facing electrical connections 13 for contacting the semiconductor components not yet applied in FIG. 7.
  • the flex cable 16 end can also be provided with appropriate plug connections, etc.
  • the flex cables 16 are provided with a suitable pad 18 for flip-chip contacting of the semiconductor devices 10.
  • FIG. 8 shows an alternative method step to the sixth method step shown in FIG.
  • the fluidic connections 15 are not formed as separate components, but they are embossed in a polymer layer.
  • Fig. 9 shows different optical elements 17, which are incorporated in each case a polymer layer. These polymer layers may be part of a microfluidic component 1 comprising at least one polymer layer microstructured for a fluid and at least one semiconductor component. In Fig. 9 are shown from left to right and from bottom to top by way of example: an optical window, a lens, gratings, several smaller optical windows.
  • FIG. 10 shows two different polymer actuators 19 which may be part of a microfluidic component 1 (package).
  • the polymer actuators may, for example, be metallized membranes which allow, for example, an electropatic pump drive or else a thermopneumatic pump drive.
  • FIG. 11 shows by way of example a batch process for the simultaneous production of a plurality of microfluidic components 1.
  • the polymer substrates 20, 21, 22 are processed simultaneously, i. microstructured and optionally provided with semiconductor devices, then joined into a composite 23 and finally divided into the individual microfluidic components 1 (cut, sawn).
  • FIG. 12 shows by way of example a reel-to-reel process for the simultaneous production of a multiplicity of microfluidic components.
  • polymer film 24 plastic film

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauelement (1) mit mindestens einer ersten Polymerschicht (2), die mit einer Mikrostruktur (5, 6) für mindestens ein Fluid versehen ist, und mit mindestens einer zweiten Polymerschicht (3). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf der ersten und/oder der zweiten Polymerschicht (2, 3) mindestens ein Halbleiterbauelement (10) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein derartiges mikrofluidisches Bauelement (1).

Description

Beschreibung
Titel
Mikrofluidisches Bauelement sowie Herstellungsverfahren
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger mikrofluidischer Bauelemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Aus der DE 601 05 979 T2 ist ein mikrofluidisches Bauelement, das aus mehreren Polymerschichten gebildet ist, bekannt. Die Polymerschichten weisen eine Mikrostruktur auf, die einen Mikrokanal oder ein Reservoir für ein Fluid bildet. Die Mikrostruktur ist durch Anwendung eines abtragend wirkenden Verfahrens in die Polymerschichten ein- gebracht.
Neben dem aus der DE 601 05 979 T2 bekannten mikrofluidischen Bauelement sind weitere, beispielsweise als Mikropumpe oder Drucksensor ausgebildete mikrofluidische Bauelemente, umfassend mehrere Polymerschichten mit einer Mikrostruktur zur Auf- nähme, Speicherung oder Leitung eines Fluids bekannt.
Ferner ist es bekannt Halbleiterbauelemente in ein Polymer zu integrieren. Dabei wird das Halbleiterbauelement zum Schutz gegen Korrosion und unerwünschte Umgebungseinflüsse mit Kunststoff vergossen oder umspritzt. Ein derart hergestelltes PoIy- mer-Halbleiter-Package ist äußerst robust und einfach in komplexe Vorrichtungen zu integrieren. Neben der Schutzfunktion für das Halbleiterbauelement und der erleichterten Handhabung des Packages hat das Polymer keine weiteren Funktionen. Nachteilig bei den bekannten Packages ist es, dass diese bisher einzeln prozessiert werden müssen und nicht als Batch herstellbar sind.
Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionalität eines mikrofluidischen Bauelementes zu erweitern. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein geeignetes Herstel- lungsverfahren für ein derartiges multifunktionales mikrofluidisches Bauelement vorzuschlagen.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des mikrofluidischen Bauelementes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen rein verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Funktion des mikrofluidischen Bauelementes, das mindestens zwei, vorzugsweise flache, Polymerschichten umfasst, von denen zumindest eine mit einer Mikrostruktur für ein Fluid versehen ist, dadurch zu erweitern, dass in das mikrofluidische Bauelement ein Halbleiterbauelement, insbesondere durch Festlegen des Halbleiterbauelementes an einer Polymerschicht oder an einem mit der Polymerschicht festgelegten Element, integriert wird. Anders ausgedrückt, wird ein Package, umfassend mindestens ein Halbleiterbauelement und zwei Polymerschichten vorgeschlagen, bei dem zumindest einer der Polymerschichten nicht nur die Aufgabe des Schutzes des Halbleiterbauelementes sondern zusätzlich die Funktion als mikrofluidisches (Funktions-) Element zukommt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Halbleiterbauelement um ein mit der Mikrostruktur für das Fluid zusammenwirkendes Halbleiterbauelement, beispielsweise um einen Steuerchip für eine in den Polymerschichten ausgebildete Mikropumpe, um eine Auswerteeinheit für einen mikrofluidischen Sensor, um eine Halbleiter-Mikropumpe oder einen Halbleitersensor . Bei dem Halbleiterbauelement handelt es sich bevorzugt um einen Mikrochip. Es ist jedoch auch denkbar, andere aktive oder passive Halbleiterbauelemente auf mindestens einer der Polymerschichten anzuordnen bzw. festzulegen. Aufgrund der Integrati- on mindestens eines Halbleiterbauelementes in ein mikrofluidisches Bauelement können erstmals „intelligente" mikrofluidische Bauelemente hergestellt werden, die neben rein mikrofluidischen Funktionen, wie dem Speichern, Aufnehmen und/oder Pumpen von Fluiden, vorzugsweise von Flüssigkeiten, zusätzlich die Funktionalität eines HaIb- leiterbauelementes übernehmen, welches bevorzugt mit der mikrofluidischen Struktur zusammenwirkt. Unter Mikrostruktur wird im Sinne der Erfindung eine Oberflächenstruktur und/oder eine mindestens eine Polymerschicht durchsetzende Struktur verstanden, die zur Aufnahme, Speicherung und Weiterleitung von Fluiden dient. Beispielsweise handelt es sich bei der Mikrostruktur um einen fluidischen Kanal und/oder ein Fluidreservoir, und/oder eine Fluidkaverne, etc. Insbesondere durch Zusammenwirken von mindestens zwei Polymerschichten kann die Mikrostruktur Bestandteil eines Mikromischers, einer Mikropumpe oder eines Mikrosensors sein.
Die mindestens zwei Polymerschichten des nach dem Konzept der Erfindung ausge- bildeten mikrofluidischen Bauelementes sind miteinander gefügt. Das mindestens eine
Halbleiterbauelement kann auf der ersten Polymerschicht als auch auf der mindestens zweiten Polymerschicht angeordnet sein. Dabei ist es denkbar, dass zwischen der mindestens einen mikrostrukturierten ersten Polymerschicht und der zweiten, das
Halbleiterbauelement aufweisenden Polymerschicht mindestens eine weitere, struktu- rierte oder nicht- strukturierte Polymerschicht vorgesehen ist.
Ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildetes mikrofluidisches Bauelement bzw. ein Package mit einem Halbleiterbauelement und einer mikrofluidischen Funktion muss nicht einzeln prozessiert werden. Vielmehr können eine Vielzahl von mikrofluidischen Bauelementen bzw. Packages gleichzeitig in einem Batch- und/oder Reel-to-Reel- Prozess hergestellt werden. Bei den derart erhaltenen mikrofluidischen Bauelementen kann es sich sowohl um Mehrwegbauteile als auch um Einwegbauteile handeln. Geeignete Polymere zur Ausbildung der Polymerschichten sind beispielsweise Thermoplasten, z.B. Polycarbonat (PC), COC, PMMA; Thermosets, z.B. Epoxydharze so- wie UV-Polymerisate.
Fertigungstechnisch, insbesondere im Hinblick auf eine schnelle und effektive Fertigung in einem Batch- und/oder einem Reel-to-Reel-Prozess ist es von Vorteil, wenn die mindestens eine Mikrostruktur durch ein Umform verfahren hergestellt ist bzw. wird. Bevorzugt erfolgt die Fertigung der Mikrostruktur mittels Heißprägetechnik oder Ther- moformen und/oder mittels UV-lmprinting. Durch den Einsatz von Umformtechnik zur Ausbildung der Mikrostrukturen können unterschiedliche Polymerformen nebeneinander im selben Herstellungsprozess abgebildet werden, so dass eine starke Anpassung des herzustellenden mikrofluidischen Bauelementes bzw. des Packages an Kundenerfordernisse auch bei kleinen Stückzahlen möglich ist.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der das Halbleiterbauelement nicht an der Außenseite des mikrofluidischen Bauelementes angeordnet ist, sondern bei der das Halbleiterbauelement zwischen mindestens zwei Polymerschichten des mikrofluidischen Bauelementes aufgenommen ist. Insbesondere für den Fall, dass die beiden (flachen) Polymerschichten das Halbleiterbauelement dicht umschließen, d.h. hermetisch von der Umgebung abkapseln, wird ein optimaler Schutz des Halbleiterbauelementes vor Korrosion bzw. anderen unerwünschten Umgebungseinflüssen erzielt.
Um eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauelementes zu ermöglichen, ist eine Ausführungsform von Vorteil, bei der an dem mikrofluidischen Bauelement, vorzugsweise an der Außenseite des mikrofluidischen Bauelementes, mindestens ein e- lektrischer Anschluss für das Halbleiterbauelement vorgesehen ist. Bevorzugt handelt es sich dabei um einen Steckkontakt, der auf einfache Weise elektrisch anschließbar ist. Es ist denkbar, den Anschluss, beispielsweise durch Festkleben, an dem Bauelement festzulegen oder durch ein entsprechendes Strukturierungsverfahren an mindestens einer Polymerschicht, zumindest teilweise, auszubilden.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der auf mindestens einer PoIy- merschicht, vorzugsweise auf der das Halbleiterbauelement aufweisenden Polymerschicht, mindestens eine Metallisierung vorgesehen ist. Bevorzugt bildet die Metallisierung eine Leiterbahn zur Anbindung des Halbleiterbauelementes an einen elektrischen Anschluss des mikrofluidischen Bauelementes. Daneben kann die Metallisierung die Funktion einer Elektrodenstruktur etc. aufweisen. Die Metallisierung kann auf einfache Weise durch geeignete Verfahren, wie Sputtern, Heißprägen, chemisch oder galvanisch aufgebracht bzw. in die Polymerschicht integriert werden. Auf zusätzliche Leiterbahnen aus Kunststoff oder Keramik kann mit Vorteil verzichtet werden.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Vorsehen von mindestens einer Metallisierung zur Kontaktierung des mindestens einen Halbleiterbauelementes kann, insbesondere dann, wenn eine reine Ankontaktierung des Halbleiterbauelementes, vorzugsweise des Mikrochips, realisiert werden soll, mindestens ein Flex- Kabel vorgesehen werden. Bevorzugt weist das mindestens eine Kabel eine Anschlussfläche (Footprint) zur Kontak- tierung bzw. Festlegung des Halbleiterbauelementes auf. Das Anschließen des Halbleiterbauelementes an die Anschlussfläche erfolgt bevorzugt mit Hilfe von Drahtbonds oder mittels eines FlipChip-Verfahrens. Von außen ist die Kontaktierung des Flex- Kabels beispielsweise durch das Vorsehen eines Steckkontaktes möglich.
Zur fluidischen Anbindung des mikrofluidischen Bauelementes bzw. des Packages ist in Weiterbildung der Erfindung mindestens ein Fluidanschluss an dem mikrofluidischen Bauelement vorgesehen. Dabei kann der Fluidanschluss beispielsweise als Luer-Lok, Olive oder Schlauchnippel ausgeführt werden. Es ist denkbar, den mindestens einen Fluidanschluss von außen anzukleben, oder, zumindest teilweise, aus mindestens einer Polymerschicht durch eine entsprechende Strukturierung auszuformen.
Die Funktionalität des mikrofluidischen Bauelementes bzw. des Packages kann noch weiter erhöht werden, wenn in das mikrofluidische Bauelement Polymeraktoren und/oder Polymersensoren oder auch eine Polymerelektronik integriert werden.
Eine weitere Erhöhung der Funktionalität kann durch die Integration mindestens eines optischen Elementes in das mikrofluidische Bauelement erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Integration bzw. Herstellung des optischen Elementes durch eine geeignete Strukturierung oder Metallisierung zumindest einer Polymerschicht. Als optische Elemente können beispielsweise (Fresnel-) Linsen, optische Fenster, Lichtwellenleiter oder bei einer geeigneten Metallisierung Spiegel eingesetzt werden.
Für eine entsprechende optische Kontaktierung des mindestens einen optischen Elementes in dem mikrofluidischen Bauelement ist in Weiterbildung der Erfindung mindestens ein optischer Anschluss vorzusehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Lichtwellenleiteranschluss handeln.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der das mikrofluidische Bauelement nicht einzeln prozessiert ist, sondern bei der das Bauelement in einem Batch- Verfahren und/oder in einem Reel-to-Reel- Verfahren hergestellt ist.
Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen mikrofluidischen Bauelementes. Kern des Herstellungsverfahrens ist es, dass nicht ein Element einzeln prozessiert wird, sondern dass eine Vielzahl von mikrofluidischen Bauelementen bzw. Packages gleichzeitig in einem Batch-Verfahren und/oder in einem Reel-to-Reel- Verfahren hergestellt werden. Da insgesamt lediglich wenige Elemente zusammengefügt werden müssen (strukturierte Polymerschichten, gegebenenfalls un- strukturierte Polymerschichten, Halbleiterbauelemente) ist der Aufbau bzw. die Herstellung eines nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten mikrofluidischen Bauelementes überraschend einfach.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
Fig. 1: einen ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines mikrofluidischen
Bauelementes, bei dem die Polymerschichten geeignet strukturiert werden,
Fig. 2: einen zweiten Verfahrensschritt zur Herstellung eines mikrofluidischen Bauelementes, bei dem eine Polymerschicht metallisiert wird,
Fig. 3: einen dritten Verfahrensschritt bei der Herstellung eines mikrofluidischen
Bauelementes, bei der Halbleiterbauelemente aufgeklebt und ankontak- tiert werden,
Fig. 4: einen vierten Verfahrensschritt bei der Herstellung eines mikrofluidischen Bauelementes, bei der zwei Polymerschichten gefügt werden,
Fig. 5: einen fünften Verfahrensschritt bei der Herstellung eines mikrofluidi- sehen Bauelementes, bei der die Halbleiterbauelemente mit der dritten
Polymerschicht gedeckelt (gekapselt) werden,
Fig. 6: einen sechsten Verfahrensschritt bei der Herstellung eines mikrofluidischen Bauelementes, bei der fluidische Anschlüsse an das mikrofluidi- sehe Bauelement angefügt werden, Fig. 7: einen zu dem zweiten Verfahrensschritt alternativen Verfahrensschritt, bei dem anstelle von Metallisierungen ein flexibles Leiterkabel (Flex- Kabel) mit einer geeigneten Anschlussfläche vorgesehen werden,
Fig. 8: einen alternativer Verfahrensschritt zu dem sechsten Verfahrensschritt, bei dem fluidische Anschlüsse nicht angeklebt sondern eingeprägt werden,
Fig. 9: Polymerschichten mit unterschiedlichen optischen Elementen, die Be- standteil eines mikrofluidischen Bauelementes sein können,
Fig. 10: unterschiedliche Verbünde aus zwei Polymerschichten, von denen jeweils eine Polymerschicht strukturiert ist, wobei die Verbünde als Aktua- toren ausgebildet sind, die Teil eines mikrofluidischen Bauelementes sein können,
Fig. 11: eine schematische Darstellung eines Batch- Prozesses zur Herstellung des mikrofluidischen Bauelementes und
Fig. 12: eine schematische Darstellung eines Reel-to-Reel- Prozesses zur Herstellung eines mikrofluidischen Bauelementes.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In Fig. 1 ist ein erster Herstellungsschritt bei der Fertigung eines in Fig. 6 gezeigten mikrofluidischen Bauelementes 1 (Package) gezeigt. Zu erkennen sind eine erste Po- lymerschicht 2, eine in der Zeichnungsebene darüber angeordnete, zweite Polymerschicht 3 und eine in der Zeichnungsebene darüber angeordnete, dritte, als Deckel dienende Polymerschicht 4.
In dem ersten Verfahrensschritt wird die erste Polymerschicht 2 mit einer Mikrostruktur 5, 6 für ein Fluid versehen. Die gezeigten Mikrostrukturen 5, 6 sind lediglich beispielhaft gewählt. Bei den Mikrostrukturen 5,6 in der ersten Polymerschicht 2 handelt es sich um einen Mikrofluidkanal 7, der von einer Querwand 8 unterbrochen ist. Die Mikrostrukturen 5,6 sind Bestandteil eines Fluidventils für eine später noch zu erläuternde Mikropumpe. Die Mikrostrukturen 5, 6 sind durch ein Umformverfahren in die erste Polymerschicht 2 eingebracht. Neben den gezeigten Mikrostrukturen 5, 6 können weitere Strukturen in der Form von Durchlöchern, Alignment-Pins, Klebergräben, etc. vorgesehen werden. Alternativ zur Einbringung der Mikrostrukturen 5, 6 mittels eines Umformverfahrens ist die Herstellung der strukturierten Polymerschichten 2, 3, 4 als Spritzgussteile denkbar.
In Fig. 2 ist ein zweiter Verfahrensschritt bei der Herstellung des in Fig. 6 gezeigten mikrofluidischen Bauteils 1 (Package) gezeigt. Auf die strukturierte, zweite Polymerschicht 3 werden dabei als Leiterbahnen dienende Metallisierungen 9 aufgebracht. Neben dem Sputtern, Aufdampfen oder der galvanischen oder stromlosen Aufbringung ist auch die Aufbringung der Metallisierung mittels eines Druckverfahrens, insbe- sondere eines Sieb-Druck- oder Digital- Druck- Verfahrens, denkbar.
In Fig. 3 ist ein dritter Verfahrensschritt bei der Herstellung des mikrofluidischen Bauteils 1 (Package) gezeigt. Dabei werden Halbleiterbauelemente 10, in diesem Ausführungsbeispiel ein Mikropumpenchip 11 und ein Flusssensor 12, auf die zweite PoIy- merschicht 3 aufgeklebt und kontaktiert. Ferner werden entsprechende elektrische Anschlüsse 13 derart aufgeklebt, dass sie die Metallisierungen 9 kontaktieren. Die elektrische Kontaktierung der Mikropumpe 11 mit der Metallisierung 9 und damit mit einem der Anschlüsse 13 erfolgt über Drahtbonds 14. Der Flusssensor 12 liegt unmittelbar an der Metallisierung 9 an und ist damit, ohne Drahtbonds vorsehen zu müssen, elektrisch leitend mit dem in der Zeichnungsebene rechten Anschluss 13 verbunden.
Je nach Halbleiterelementlayout 10 bietet es sich an, im selben Schritt sowohl den Kleber für eine Flipchip-Ankontaktierung der Halbleiterbauelemente als auch den Kleber für die Abdichtung später noch zu erläuternder fluidischer Anschlüsse aufzubrin- gen. Für den Fall, dass ein Drahtbonden erforderlich ist, muss das entsprechende Halbleiterbauelement bevorzugt zunächst fluidisch dicht aufgeklebt werden und erst dann gebondet werden. Die Anschlüsse 13 können, wie gezeigt, mit elektrisch leitendem Kleber aufgeklebt werden oder, je nach Materialbeschaffenheit (bevorzugt Kunststoff) des Anschlusses und der Polymerschicht aufgelötet oder aber auch aufgesteckt werden. In einem in Fig. 4 gezeigten vierten Verfahrensschritt wird die zweite Polymerschicht 3 mit der ersten Polymerschicht 2 gefügt. Hierbei sind verschiedene Fügeverfahren realisierbar. Beispielsweise erfolgt das Fügen der Polymerschicht 2, 3 durch Thermokom- pression, Widerstandsfügen, Laserdurchstrahlschweißen, Ultraschallschweißen, etc. Bei dem Fügen ist darauf zu achten, dass der Mikrokanal 7 in der ersten Polymerschicht 2 ausreichend abgedichtet ist. Bei Bedarf können der zweite Verfahrensschritt und der dritte Verfahrensschritt (Fig. 2 und Fig. 4) vertauscht werden.
In einem fünften, in Fig. 5 gezeigten Verfahrensschritt, werden die Halbleiterbauele- mente 10 mittels der dritten, nicht strukturierten Polymerschicht 4 verkapselt. Hierzu wird die dritte Polymerschicht 4 als Deckel mit der zweiten Polymerschicht 3 gefügt - vorzugsweise durch ein vorgenanntes Fügeverfahren.
Zum Abschluss werden in einem sechsten, in Fig. 6 gezeigten Verfahrensschritt fluidi- sehe Anschlüsse 15 von außen angefügt, um die Mikrostrukturen 5, 6, d.h. den Mikrokanal 7 mit einem Fluid versorgen zu können.
In Fig. 7 ist ein zu dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 2 alternativer Verfahrensschritt gezeigt. Anstelle der Metallisierungen 9 werden Flex-Kabel 16 (flexible Kabel) einge- setzt und mit der zweiten Polymerschicht 3 verklebt. Die Flex-Kabel 16 bilden gleichzeitig nach außen weisende elektrische Anschlüsse 13 zur Kontaktierung der in Fig. 7 noch nicht aufgebrachten Halbleiterbauelemente. Gegebenenfalls können die Flex- Kabel 16 endseitig auch mit entsprechenden Steckanschlüssen, etc. versehen werden. Die Flex-Kabel 16 sind mit einer geeigneten Anschlussfläche 18 zur Flipchip- Kontaktierung der Halbleiterbauelemente 10 versehen.
Fig. 8 zeigt einen zu dem in Fig. 6 gezeigten sechsten Verfahrensschritt alternativen Verfahrensschritt. Hierbei sind die fluidischen Anschlüsse 15 nicht als separate Bauteile ausgebildet, sondern sie sind in einer Polymerschicht eingeprägt.
Fig. 9 zeigt unterschiedliche optische Elemente 17, die in jeweils eine Polymerschicht eingebracht sind. Diese Polymerschichten können Bestandteil eines mikrofluidischen Bauelementes 1, umfassend mindestens eine für ein Fluid mikrostrukturierte Polymerschicht sowie mindestens ein Halbleiterbauelement sein. In Fig. 9 sind von links nach rechts und von unten nach oben beispielhaft gezeigt: ein optisches Fenster, eine Linse, Grätings, mehrere kleinere optische Fenster. In Fig. 10 sind zwei unterschiedliche Polymeraktoren 19 gezeigt, die Bestandteil eines mikrofluidischen Bauelementes 1 (Package) sein können. Bei den Polymeraktoren kann es sich beispielsweise um metallisierte Membranen handeln, die z.B. einen elekt- rostatischen Pumpenantrieb oder auch einen thermopneumatischen Pumpenantrieb erlauben.
In Fig. 11 ist beispielhaft ein Batch-Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer mikrofluidischer Bauelemente 1 gezeigt. Zu erkennen sind mehrere Polymersubstrate 20, 21, 22, die nach einem abschließenden Trennvorgang jeweils eine Vielzahl erster, zweiter bzw. dritter Polymerschichten bilden. Die Polymersubstrate 20, 21, 22 werden gleichzeitig bearbeitet, d.h. mikrostrukturiert und gegebenenfalls mit Halbleiterbauelementen versehen, dann zu einem Verbund 23 gefügt und abschließend in die einzelnen mikrofluidischen Bauteile 1 unterteilt (geschnitten, gesägt).
In Fig. 12 ist beispielhaft ein Reel-to-Reel-Prozess zur gleichzeitigen Herstellung einer Vielzahl mikrofluidischer Bauelemente gezeigt. Dabei wird zunächst Polymerfolie 24 (Kunststofffolie) mittels geeigneter Werkzeuge 25 strukturiert, in einer Metallisierungsstation 26 metallisiert und später mit geeigneten Halbleiterelementen versehen und daraufhin mit einer weiteren Polymerfolie laminiert.

Claims

Ansprüche
1. Mikrofluidisches Bauelement mit mindestens einer ersten Polymerschicht (2), die mit einer Mikrostruktur (5, 6) für mindestens ein Fluid versehen ist, und mit mindestens einer zweiten Polymerschicht (3),
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der ersten und/oder der zweiten Polymerschicht (2, 3) mindestens ein Halbleiterbauelement (10) angeordnet ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (5, 6)) durch ein Umformverfahren, insbesondere durch Heißprägen und/oder UV-lmprinting, hergestellt ist.
3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (10) zwischen der ersten und der zweiten Polymerschicht (2, 3) und/oder zwischen der zweiten Polymerschicht (3) und mindestens einer dritten Polymerschicht (4) aufgenommen, insbesondere hermetisch gekapselt, ist.
4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Bauelement (1) mindestens ein Anschluss (13) zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelementes (10) vorgesehen ist.
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer der Polymerschichten (2, 3, 4), insbesondere auf der das mindestens eine Halbleiterbauelement (10) aufweisenden Polymer- schient (2, 3, 4), mindestens eine Metallisierung(9), insbesondere zur Bildung einer Leiterbahn und/oder einer Elektrodenstruktur, vorgesehen ist.
6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontaktierung des Halbleiterbauelementes (10) mindestens ein Flex- Kabel (16) vorgesehen ist.
7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (1) mindestens einen
Fluidanschluss (15) zur hydraulischen Kontaktierung der Mikrostruktur (5, 6) aufweist.
8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Bauelement (1) mindestens ein
Polymeraktor (19) und/oder mindestens ein Polymersensor und/oder mindestens eine Polymerelektronik integriert sind/ist.
9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer der Polymerschichten (2, 3, 4) ein optisches E- lement (17) vorgesehen ist.
10. Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optischer Anschluss zur optischen Kontaktierung des optischen Elementes (17) vorgesehen ist.
11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (1) in einem Batch-Verfahren und/oder in einem Reel- to-Reel- Verfahren hergestellt ist.
12. Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Bauelementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bauelemente (1) gleichzeitig in einem Batch-Verfahren und/oder in einem Reel-to-Reel- Verfahren hergestellt werden.
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