專利名稱：一種構造具有流控及電學功能的器件的方法
技術領域：
本發(fā)明有關于一種構造具有流控及電學功能的器件的方法，包
括
-將具有流控及電學功能的模塊裝配到含有流體回路的基片上； -將所述模塊同基片進行流體連接； -將所述模塊同基片進行電學連接； -將所述模塊同基片進行機械連接。 運用此方法可以構造混合式孩i流控系統(tǒng)。
背景技術：
在過去的幾十年里微流控系統(tǒng)領域有很大的發(fā)展。其主要的應用 領域有生物化學分析和環(huán)境測量。對于不同系統(tǒng)所要求的特定應用， 產(chǎn)量規(guī)模及復雜程度，設計及制造微流控芯片的方法也有所不同。對 于要求小批量生產(chǎn)，復雜程度高的情況，可利用各種標準元件，由例 如金屬、玻璃或塑料管、軟管及電子連線等方法連接而構成系統(tǒng)。這 種產(chǎn)品的生產(chǎn)所需人工工作強度大，系統(tǒng)死體積大，但很多情況下這 是最經(jīng)濟、技術上最可行的方法。如果需要大批量生產(chǎn)，則使用為其
量身定做的解決方法在經(jīng)濟上更可行。所述量身定做的方法最理想為 包括一個單片機系統(tǒng)和一套集成的自動化的生產(chǎn)流程。優(yōu)化的設計會
使系統(tǒng)內(nèi)部死體積減小。用此方法雖然研發(fā)成本會相對較高，但針對 于特定的應用，其生產(chǎn)流程可達到最優(yōu)化。
對于要求中等規(guī)模產(chǎn)量，相對復雜的系統(tǒng)，可以采取混合式方法， 其根據(jù)特定的設計，利用常用的工藝流程，將標準元件裝配連接起來 來制造所需系統(tǒng)。這種方法的優(yōu)點是可以利用標準元件和已知的工藝 技術，無需或只需較小的改動。幾種關于此混合式方法的提議可以在專利US 5,640,995， US 2004/0087043和WO 2004/022233中找到。 然而這些文獻中所提及的工藝技術并非有很強的通用兼容性，另外這 些方法不能實現(xiàn)充分的自動化生產(chǎn)，以至其制造過程還需一定的人工 工作量。再有，所涉及有含有裝配元件步驟的方法，其較難達到精確 裝配元件的要求。典型的問題還有泄露、所用的膠體物一類對通道的 阻塞、所用液體對器件材料的侵蝕及器件材料對流通液體及氣體的沾 污。
在構造混合式微流控系統(tǒng)中，需要進行流體，電學，機械連接。 這些連接的生產(chǎn)要求和功能要求很難相互協(xié)調(diào)。已知的解決方法為在 設計上和材料工藝的選擇上做協(xié)調(diào)。理想的情況是自由地選擇材料和 工藝以及對于各個類型的連接做各自的優(yōu)化。專利US 6,540,961描述 了一個用于(分子生物)分析及診斷的流體感應元，其結構包括一個 含有流體及電子元件的第一支撐基片102(柔性電路/印刷電路板/半導 體材料)和第二基片/倒裝芯片112，兩基片由密封劑130做機械連接， 由導電凸點128做電學連接。其中，密封劑除了起機械連接的作用， 還起密封的作用。由于這兩種功能無法分開作用，而導致無法單獨調(diào) 節(jié)優(yōu)化流體連接或機械連接。在專利EP1415710的具體實施例中描述 了一個用于生物化學分析，包括單個或多個(DNA，RNA,蛋白質(zhì))序 列的裝置。其中， 一個集成(微流控陣列)器件310包括一個或多個 陣列元件312和一個或多個微流控元件314，陣列元件與微流控元件 間有相互的機械連接及流體連接，但無電學連接。 一個陣列元件包括 一個或多個(可靈活變化)陣列基片332[0066。陣列元件以夾，卡 或支架之類或粘固，超聲焊接等方式與微流控元件進行機械連接，元 件之間的密封可由密封墊片或密封劑[0071來實現(xiàn)。然而用此方法不 能實現(xiàn)電學連接。 一個微流控元件可含有電學部件，例如電學元件或 集成電路512[0091。此處電學元件和微流控元件通過倒裝芯片連接 技術彼此連接0094，其為電學連接而非流體連接。也可將電學元件 配置于起微流控作用的例如通道或腔體[102之上，但如何密封卻沒有 提及。上述文獻未有描述可進行機械，流體及電學連接的同時可以獨自對各個連接進行調(diào)節(jié)，而不依賴影響其他連接的方法。
綜上所述，目前所需的構造混合式微流控系統(tǒng)的技術，要求其使 用盡量普遍常用的標準元件及能進行大程度自動化生產(chǎn)，且對于流體 連接，電學連接，機械連接中的單個及各個連接可以盡量地自由地選 擇材料及工藝。本發(fā)明的目的在于滿足此需要。

發(fā)明內(nèi)容
以此為目的本發(fā)明提供一種構造具有流控及電學功能的器件的
方法，包括
-將具有流控及電學功能的模塊裝配到含有流體回路的基片上；
-將所述模塊同基片進行流體連接；
-將所述模塊同基片進行電學連接；和
-將所述模塊同基片進行機械連接，
其特征在于
-采用芯片倒裝技術；以及 -釆用密封墊片來進行密封。
四十年來，倒裝芯片技術在微處理器，智能卡片，鐘表，液晶顯 示器驅(qū)動芯片等的生產(chǎn)中有各種各樣的應用。它是集成電路工業(yè)中一 項很重要的封裝技術。像其名字所示的一樣，此技術將芯片有源的一 面面對基片而進行裝配。芯片同基片之間的電學連接是通過焊料凸 點，冶金凸點，柔性凸點，導電聚合物，各向異性導電粘貼材料或卡 箍連接等技術來實現(xiàn)的。關于此技術可參考Rao Tummala，微系統(tǒng) 封裝原理(Fundamentals of Microsystems Packaging) , 2002， ISBN 0-07-137169-9。
利用此方法可以構造一個混合式微流控系統(tǒng)，能實現(xiàn)可以根據(jù)各 種連接各自所需而自由地選取材料和工藝，無需考慮此材料及工藝對 其余種類連接的影響，這樣可以自由地對各個單個連接進行配置優(yōu) 化。此方法利用倒裝芯片技術，可以很精確地將模塊配置于基片上。 其電學連接通過當下常用的材料及成熟的工藝流程即可實現(xiàn)。正因為利用傳統(tǒng)，可直接利用的儀器及技術，使研發(fā)及生產(chǎn)的成本較低。
在基片上設置一個容納空間，其用來至少一部分容納密封墊片。 同時根據(jù)此容納空間使密封墊片找準裝配位置。在正確的幾何設計 中，適當考慮例如容納空間的深度和/或此處芯片與基片之間的距離， 密封墊片可以通過機械連接以及在機械連接的過程中獲得合適的壓 力。這樣密封的效果則無關于密封墊片與模塊或基片之間的粘合效 果。密封墊片的材料可以例如是彈性體，其可以就地于片上生長，如 用旋轉(zhuǎn)涂層或噴射的方法，也可以釆用離片生長的這種材料，如在另 外大塊此材料上切割下所需的形狀。
本發(fā)明電學連接可以利用如金球凸點來實現(xiàn)，在封裝中，金球凸 點被擠壓于兩片材料為金的焊盤之間。金的可鍛性使其可以用來靈活 補足結構尺寸上的彈性空間。而其他一些硬質(zhì)的凸點及焊接材料也可 在此使用。最好用密封墊片將含于基片之上或其中與/或模塊之上或其 中的電子元件隔離于存在于器件中的流體。此方法不僅避免了流體對 電學元件的侵蝕，同時還防止了器件材料對流體的沾污及短路現(xiàn)象。 為完成機械連接，可以使用有粘性的輔料，如膠體，環(huán)氧膠體， 這使得工藝過程短小廉價。所用輔料也可以是在高溫下使用的焊接材 料。另外也可使用夾具，這樣在測量、探測或維修的過程中可將機械 連接拆開。最好用密封墊片將含于基片之上或其中與/或模塊芯片之上 或其中的流體元件隔離于有粘性的輔料。這樣就減小了元件受沾污及 阻塞的可能性。
密封墊片同時可作為彈性薄膜，而制成例如閥門。這將在接下來 根據(jù)本發(fā)明方法的具體實施例中做具體描述。


以下將根據(jù)本發(fā)明方法的而非局限于此的兩例具體實施例對本 發(fā)明進行闡述。 其中，
-圖la為裝配過程中的根據(jù)本發(fā)明方法而構造的一部分第一器件的剖面示意圖。
-圖lb為裝配后的第一器件的剖面示意圖。
-圖2為根據(jù)本發(fā)明方法構造的一部分第二器件的剖面示意圖。
具體實施例方式
一個模塊部件或單元(2)通常是一塊基于玻璃材料或硅材料的 芯片，例如其平面尺寸在3x5平方毫米左右。模塊(2)通?？砂?流體傳感器，壓力傳感器，閥門，泵，反應室，進樣器，分離柱，加 熱元或探測器。 一個微流控器件(1)是由將模塊(2)和其余組件裝 配于基片或通道板(3)上而構成。典型地，將模塊(2)裝配于基片 (3)上所需的對準精準度為IO微米或以下。利用倒裝芯片技術，這 個指標很容易達到。所述基片或通道板通(3)常是基于玻璃材料和/ 或硅材料的芯片，例如其平面尺寸在20 x 30平方毫米左右，其上含 有流體回路(4)及電子線路(5)。這些回路和線路(4， 5)構成了 模塊(2)和器件(1)的輸入、輸出之間，或者模塊與其余一個或多 個裝配于基片(3)上的模塊之間的連接。典型的通道(4)尺寸為25 到250平方微米。
一個典型厚度為100微米的彈性密封塾片(6)被置于基片(3) 表面的以此目的而設置的凹入結構(7)中。密封墊片也可為硬質(zhì)或 由幾部分構成。由于密封墊片(6)的厚度較厚，則對模塊芯片的生 產(chǎn)誤差、封裝誤差、由化學或熱作用及材料老化而產(chǎn)生的偏離予以減 免。密封墊片也可以直接在片上生長，例如通過整體或部分的噴射或 涂層法。
基片(3)上還含有金連接墊片(8)，模塊(2)上有典型厚度 為50微米的金球凸點(9)。這個厚度可再次將由生產(chǎn)誤差帶來的偏 離予以減免。在封裝過程中凸點(9)被擠壓在墊片(8)間。如果需 要，設定并置予一定的壓力或移動位移，則密封墊片(6)上所應得的 壓力，或所需空間(10)的高度則可被確定。還可以用焊接材料或?qū)?電有粘性的硬質(zhì)凸點來做電學連接。機械連接是由粘性材料(11),此例中為環(huán)氧膠體，來實現(xiàn)。也可利用焊接工藝，如采用材料金或錫 來實現(xiàn)，則其所需的溫度較高。
密封墊片(6)不僅使流體元件(4， 12)與電學元件(5， 8， 9) 相隔絕，還使流體元件(4， 12)與膠體(11)相隔絕。這樣則保護 了所用的氣體或液體免受沾污，及保護流體元件(4， 12)免受沾污 和阻塞。同時也保護了電學元件(5， 8， 9)免受所用流體對其的侵 蝕。
密封墊片同時也可作為彈性薄膜(106 )而形成例如閥門(101 ), 如圖2所示。為此目的，在基片(103)上打造有氣門座圏(114)， 所述薄膜(106)緊貼于其上則形成閥門(101)關閉的狀態(tài)。以類似 的形式，其也可形成液壓或氣壓元件，如薄膜泵。
一個典型的根據(jù)本發(fā)明的構造方法包括如下步驟
-準備模塊部分或單元；
-清潔
-裝置凸點
-準備基片或通道板 -清潔
-將基片置于倒裝芯片儀器上 -將(一個或多個)密封墊片置于基片上設置的凹入結構中 -在基體上涂敷膠體 -裝備模塊
-拾起模塊
-對準模塊
-將模塊置于基片上并施壓 -調(diào)節(jié)膠體
上述整個過程可以前后或同時重復用于其余的模塊，而完成整個 微流控系統(tǒng)的裝配。
本發(fā)明方法優(yōu)于其他方法之處在于
-可以最大限度地單獨優(yōu)化機械連接，電學連接及流控連接，各連接不依賴影響其他連接。
-用一個或多個相對較厚的密封墊片，對模塊芯片的生產(chǎn)誤差、 封裝誤差、由化學或熱作用及材料老化而產(chǎn)生的偏離予以減免。
-為精確生產(chǎn)制作密封墊片及基片上的流體回路、精確地將模塊 裝配于基片上及減小內(nèi)部死體積提供可能。
-應用傳統(tǒng)的倒裝芯片儀器，投資成本低廉。
-應用成熟的倒裝芯片技術，使穩(wěn)定性及成品率提高，大量降低
研發(fā)和生產(chǎn)的成本。
-工藝流程的兼容性強，較容易快速及廉價地更換生產(chǎn)線。 本發(fā)明并不局限于以上實施例， 一些衍生變化版本也屬于本發(fā)明
專利保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種構造具有流控及電學功能的器件(1)的方法，包括-將具有流控及電學功能的模塊(2)裝配到含有流體回路(4)的基片(3)上；-將所述模塊同基片進行流體連接；-將所述模塊同基片進行電學連接；和-將所述模塊同基片進行機械連接，其特征在于-采用芯片倒裝技術；以及-采用密封墊片(6)來進行密封。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于采用有粘性的輔料 (11)來進行機械連接。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于采用膠體作為所述 有粘性的輔料。
4. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于采用焊接材料作為 所述有粘性的輔料。
5. 根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于在所 述基片上設置容納空間(7),其用來至少部分容納密封墊片。
6. 根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于用機 械連接及在此過程中對密封墊片施加壓力。
7. 根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于還使 用密封墊片形成彈性薄膜(106)。
8. 根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于采用密封墊片將電學元件與存在于器件中的流體相互隔絕開來。
9. 根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于采用 密封墊片將流體元件與有粘性的輔料相互隔絕開來。
全文摘要
一種構造具有流控及電學功能的器件(1)的方法，包括將具有流控及電學功能的模塊(2)裝配到含有流體回路(4)的基片(3)上；將所述模塊同基片進行流體連接；將所述模塊同基片進行電學連接；和將所述模塊同基片進行機械連接，其特征在于采用芯片倒裝技術；以及采用密封墊片(6)來進行密封。利用此方法可以構造一個混合式微流控系統(tǒng)，能實現(xiàn)可以根據(jù)各種連接(流體、機械和電連接)各自所需而自由地選取材料和工藝，這樣可以獨立對各個單個工藝進行優(yōu)化。利用倒裝芯片技術，可以很精確地將模塊配置于基片上。其電學連接通過當下常用的材料及成熟的工藝流程即可實現(xiàn)。正因為利用傳統(tǒng)，可直接利用的儀器及技術，使研發(fā)及生產(chǎn)的成本低。
文檔編號B01L3/00GK101410183SQ200780011359
公開日2009年4月15日 申請日期2007年3月22日 優(yōu)先權日2006年3月30日
發(fā)明者G-J·伯格, H·J·范威爾登, J·維斯 申請人:C2V有限公司