CN105428488B - 一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件及其制备方法 - Google Patents

一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件及其制备方法，包括：一、制作图形化底层聚酰亚胺绝缘层并开方形孔；二、制作中间电路层；三、制作图形化顶层聚酰亚胺绝缘层，在相同位置开方形孔和圆形孔；四、将微型LED裸芯片放置在两层聚酰亚胺方形孔内，在微型LED裸芯片四周涂抹瞬干胶；五、金丝球焊法连接微型LED裸芯片与金电路层；六、涂抹环氧树脂胶实现封装；七、腐蚀牺牲层，完成电极释放。本发明极主要目的是为微型LED裸芯片供电，LED发光对特定基因转染的实验动物进行光刺激；工艺简单，LED布置灵活，可根据不同刺激区域制备不同样式的器件，为植入式医疗设备开发和神经科学研究提供了一种新型工具。

Description

一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种生物医学工程技术领域的微电极，具体地，涉及一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件及其制备方法。
背景技术
近年来，光遗传学(Optogenetics)作为一个新兴学科，受到国内外研究人员的广泛关注。光遗传学融合了光学和遗传学技术，精准控制特定细胞在空间和时间上的活动，其时间精度可达到厘秒，空间精度可达到单一细胞大小，为神经回路和某些神经***疾病的发病机制和干预治疗等基础研究提供了一个崭新的生物工程学工具。
光遗传学所用到的光刺激器件目前可分为两类，一类是基于光纤实现的局部光刺激，光源为激光二极管或激光器；另一类是基于发光二极管(LED)阵列实现的平面光刺激，也可以增加透镜或光波导使光聚焦。在刺激并采集大脑皮层区域的神经元信号方面，采用微米级尺寸的LED裸芯片可以达到良好的刺激效果，比传统微电刺激有更高的时间和空间分辨率。
经对现有技术的检索发现，Onoe H，Nakai A，Iwase E等人在Journal ofMicromechanics&Microengineering,2009,19(7):1717-1721撰文“Temperature-controlled transfer and self-wiring for multi-color light-emitting diodearrays”，文中将5×5个240微米×240微米×75微米的商用LED裸芯片，采用温度控制转移和焊锡回流自对准方法转移到柔性基酰亚胺基底上，LED转移过程中使用了低熔点焊锡(LMPS)、聚乙二醇(PEG)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)，利用它们在不同温度下的粘合力大小不同实现了LED的转移和通电。这种方法虽然可以同时转移多个LED，但是LED的间距布置由制造商提供的黏性层上的LED间距决定，不能按照实际位置需要决定LED在柔性基底上的布置，缺少灵活性。
Hung C，Ling G，Mohanty S K等人在IEEE transactions on bio-medicalengineering,2012,60(1):225-229撰文“An IntegratedμLED Optrode for OptogeneticStimulation and Electrical Recording”，文中将一个1000微米×600微米×200微米的商用LED裸芯片的阴、阳极焊盘分别用导电环氧树脂胶粘到硅探针尖端的两个对应的金焊盘上，再用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装LED和探针的接触部分。这种连接方式虽然也可以点亮LED，但这种方法只适合于尺寸较大的LED，因为尺寸较小的LED阴、阳极焊盘距离非常近，使用导电胶粘对应焊盘时，容易使胶连在一起，导致LED阴、阳极导通，无法正常工作。
Schwaerzle M,Elmlinger P,Paul O等人在Micro Electro Mechanical Systems(MEMS),201528th IEEE International Conference on.IEEE,2015:162–165撰写“Miniaturized 3×3optical fiber array for optogenetics with integrated 460nmlight sources and flexible electrical interconnection”，文中采用倒装芯片焊接技术，将3×3个220微米×270微米×50微米的商用LED裸芯片用倒装芯片焊接器操作，使LED焊盘朝下逐个超声热压在基片对应焊盘位置。这种方法对设备、工艺和对位精度要求很高，成本高且操作麻烦。
综上所述，目前报道的LED连接方法在布置灵活性、尺寸适用性和操作成本等方面都存在一定缺陷和局限性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件及其制备方法，用金丝将微型LED裸芯片连接到柔性基底金属层焊盘上，以达到点亮LED进行光刺激的目的。
根据本发明的一方面，提供一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
第一步、在沉积金属牺牲层的硅片上，旋涂一层光敏型聚酰亚胺，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的底层聚酰亚胺绝缘层，上面开有若干个方形孔；
第二步、溅射一层钛或铬，和溅射一层金，再电镀增加金层厚度，旋涂正性光刻胶，经过前烘、光刻、显影和后烘，采用离子束刻蚀或湿法刻蚀的办法，得到图形化的中间电路层；
第三步、在第二步的中间电路层上，采用与第一步相同的操作，制作得到图形化的顶层聚酰亚胺绝缘层，在与底层聚酰亚胺绝缘层相同开孔位置处，开有一样形状和数量的方形孔，并且开有和方形孔数量相同的若干组圆形孔，露出电路层作为金焊盘；底层聚酰亚胺绝缘层、中间金电路层和顶层聚酰亚胺绝缘层构成了电极的主体结构；
第四步、将单个微型LED裸芯片放置在方形孔内，使微型LED裸芯片上有阴、阳极焊盘的一面朝上，再将无色透明的耐高温瞬干胶涂抹在微型LED裸芯片四周，保证微型LED裸芯片牢靠固定在电极上，其余微型LED裸芯片均同样如此操作；
第五步、在金丝球焊机上使用金丝连接微型LED裸芯片阴、阳极焊盘和对应的顶层聚酰亚胺绝缘层圆形孔下方的金焊盘，其余微型LED裸芯片均同样如此操作；
第六步、在微型LED裸芯片、中间电路层的金焊盘和金丝上方涂抹环氧树脂胶，实现封装，保证电极释放后，微型LED裸芯片不会掉落且金丝牢固可靠，其余微型LED裸芯片均同样如此操作；
第七步、腐蚀牺牲层，完成电极释放。
优选地，第一步和第三步中，所述的底层聚酰亚胺绝缘层和顶层聚酰亚胺绝缘层固化后厚度分别为2～25微米，可根据实际需要制作不同厚度的绝缘层。
优选地，第一步和第三步中，所述的光刻聚酰亚胺得到的方形孔的长度和宽度尺寸根据所使用的微型LED裸芯片尺寸确定，保证微型LED裸芯片安放在方形孔位上不会移位；微型LED裸芯片的底面和金属牺牲层接触，且微型LED裸芯片和四周的聚酰亚胺之间有一定间隙；根据实际刺激需要，方形孔可按照两侧对称排布，等间距阵列式排布或其他形式排布。
优选地，第二步中，所述的中间电路层溅射的钛或铬的厚度为10～50纳米、金的厚度为100～300纳米，电镀金的厚度为1～2微米；电镀的目的是为了保证金丝球焊时第二焊点和金焊盘更牢靠的焊接；或在溅射钛和金后，只电镀金电路层金焊盘区域。
优选地，第三步中，为保证后续金丝球焊时，金丝和顶层聚酰亚胺绝缘层圆孔下方的金焊盘的结合性与可靠性，用等离子体清理金焊盘表面。
更优选地，所述的等离子体选用氧气、氮气、氩气，或者混合的氩气和氧气。
优选地，第四步中：
所述的微型LED裸芯片选用成熟的商用产品或通过微加工技术制造；
所述的耐高温瞬干胶可承受金丝球焊机热台温度(比如100℃)。
优选地，第四步中，所述的瞬干胶涂抹在微型LED裸芯片四周边缘时，瞬干胶渗透到LED和聚酰亚胺的间隙，以提高粘接强度。
优选地，第五步中，所述的金丝根据金焊盘大小选择合适的直径，以保证金丝和金焊盘的连接强度。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件，所述电极由底层聚酰亚胺绝缘层、顶层聚酰亚胺绝缘层和中间电路层构成，其中：在底层聚酰亚胺绝缘层、顶层聚酰亚胺绝缘层开有重叠的阵列方孔，用以定位和放置微型LED裸芯片；在微型LED裸芯片四周涂抹有瞬干胶，以保证微型LED裸芯片牢靠固定在电极上；顶层聚酰亚胺绝缘层同时开有圆孔，微型LED裸芯片的阴、阳极焊盘与金焊盘通过金丝球焊连接，最后用环氧树脂胶封装微型LED裸芯片和金丝焊线。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明制备的器件工艺简单，有效地将微加工得到的柔性电极和微型LED裸芯片通过成熟可靠的金丝球焊法连接；微型LED裸芯片下表面和底层聚酰亚胺绝缘层下表面平齐，无凸起，更适合贴附于动物组织表面；可根据不同刺激区域制备不同样式的器件，有助于达到对特定基因转染的实验动物进行光刺激的目的。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例整体结构示意图(单个微型LED裸芯片)；
图2中(a)-(h)是本发明实施例光刺激神经电极器件工艺制作流程图，采用剖面图进行展示；
图3中(a)-(d)是本发明实施例微型LED裸芯片和柔性电极连接及封装三维示意图；
图4是本发明实施例含有4×4个对称分布微型LED裸芯片的光刺激神经电极器件三维示意图；
图5是本发明实施例光刺激神经电极器件工作示意图。
图1中：底层聚酰亚胺绝缘层1，金电路层2，顶层聚酰亚胺绝缘层3，微型LED裸芯片4，耐高温瞬干胶5，阴、阳极焊盘6，金丝7，环氧树脂胶8，金焊盘9。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件，包括：底层聚酰亚胺绝缘层1，金电路层2，顶层聚酰亚胺绝缘层3，微型LED裸芯片4，耐高温瞬干胶5，金丝7，环氧树脂胶8；其中：阴、阳极焊盘6属于微型LED裸芯片4的一部分，金焊盘9属于金电路层2的一部分，金电路层2用于给微型LED裸芯片4供电，正向电压为2.7～3.4V；底层聚酰亚胺绝缘层1、金电路层2、顶层聚酰亚胺绝缘层3构成了电极的主体结构，在底层聚酰亚胺绝缘层1、顶层聚酰亚胺绝缘层3开有重叠的阵列方孔，用以定位和放置微型LED裸芯片4；耐高温瞬干胶5涂抹在微型LED裸芯片4四周，保证微型LED裸芯片4牢靠固定在电极上；在顶层聚酰亚胺绝缘层3同时开有圆孔，微型LED裸芯片3的阴、阳极焊盘6与金焊盘9通过金丝7球焊连接，最后用环氧树脂胶8封装微型LED裸芯片4和金丝7焊线。微型LED裸芯片4发出主波长为470纳米的蓝光，亮度随正向电流增加而增大，具体亮度可根据光刺激大脑皮层神经细胞需要的光强来给定。
如图2中(a)-(h)所示，本实施例提供一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，按以下步骤进行制备：
1)如图2中(a)所示，在500微米厚硅片上沉积一层0.5毫米厚的铝作为牺牲层；
2)如图2中(b)所示，旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide7510，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的底层聚酰亚胺绝缘层1，厚度为10微米，上面开有4×4个长方形孔，长方形孔的尺寸为190微米×270微米；
3)如图2中(c)所示，溅射一层钛和一层金，钛和金的厚度分别为30纳米和200纳米，再电镀增加金层厚度约1微米，旋涂5微米厚正性光刻胶AZ4620，经过前烘、光刻、显影和后烘，采用金腐蚀液湿法刻蚀的办法，得到图形化的中间金电路层2；
4)如图2中(d)所示，制作得到图形化的顶层聚酰亚胺绝缘层3，厚度为10微米；在和底层聚酰亚胺绝缘层1相同位置处开有一样大小的4×4个长方形孔，并且开有4×4组圆形孔，每组包括2个圆，圆直径为90微米，圆间距为135微米，每组圆形孔和对应长方形孔间距为1毫米；底层聚酰亚胺绝缘层1、金电路层2和顶层聚酰亚胺绝缘层3构成了电极的主体结构；
5)如图2中(e)所示，将单个微型LED裸芯片4放置在底层聚酰亚胺绝缘层1和顶层聚酰亚胺绝缘层3完全重叠的长方形孔内，阴、阳极焊盘6朝上，其中，微型LED裸芯片4型号为TR2432(Cree公司)，尺寸为240×320×115微米，阴、阳极焊盘6直径为90微米，间距为135微米；再将无色透明的耐高温瞬干胶5(LOCTITE498)涂抹在微型LED裸芯片4四周，保证微型LED裸芯片4牢靠固定在电极上；
6)如图2中(f)所示，在金丝球焊机上使用直径25微米的金丝7连接阴、阳极焊盘6和对应的顶层聚酰亚胺绝缘层3圆形孔下方金电路层2的金焊盘9；
7)如图2中(g)所示，在微型LED裸芯片4、金焊盘9和金丝7上方涂抹环氧树脂胶8实现封装，保证电极释放后，微型LED裸芯片4不会掉落，金丝7牢固可靠，不会有裸露的金属和外界接触；
8)如图2中(h)所示，通过电化学腐蚀或者稀盐酸腐蚀铝牺牲层，完成电极释放：
使用电化学腐蚀法，可以在高浓度NaCl溶液中将电极放到电解池阳极，电压取0.7～1.0V，腐蚀铝牺牲层到电极自动脱落；
使用稀盐酸腐蚀法，可以按照浓盐酸∶去离子水＝1∶4腐蚀铝牺牲层到电极自动脱落。
如图3中(a)-(d)所示，为本实施例微型LED裸芯片和柔性电极连接及封装三维示意图，可以清晰直观地看出单个微型LED裸芯片如何操作放置，涂胶固定，金丝连接焊盘以及完成封装。
如图4所示，为本发明实施例含有4×4个对称分布微型LED裸芯片的光刺激神经电极器件三维示意图，两侧各有2×4个间距为2毫米的微型LED裸芯片，对称两侧靠中间的两列LED间距为4毫米，间距参数可以按照实际刺激需要重新设计布置，这里仅给出的是一种布置方式。
如图5所示，为本发明实施例光刺激神经电极器件工作示意图，光刺激神经电极直接贴附在ChR2基因转染大鼠的大脑皮层表面，通过给LED阵列供电，LED背面发出的蓝光通过长方形孔直接照射到需要刺激的区域，进而诱发ChR2基因转染大鼠的神经电脉冲活动，达到光刺激的目的。
本实施例采用成熟可靠的金丝球焊法连接满足刺激神经元尺度的微型LED裸芯片和柔性电极，柔性电极采用具有良好柔性和强度，耐高温和良好生物相容性的聚酰亚胺材料，有效结合了微加工技术且工艺简单，光可以不经过其他材料阻挡直接照射到需要刺激的区域，得到的光刺激神经电极器件性能可靠，为长期植入动物体内开展光刺激研究提供了一种新型工具。
实施例2
本实施例提供与实施例1类似的一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，按以下步骤进行制备：
1)在200微米厚硅片上热蒸发一层1.0毫米厚的铝作为牺牲层；
2)旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide7510，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的底层聚酰亚胺绝缘层1，厚度为5微米，上面开有4×4个长方形孔，长方形孔的尺寸为205微米×255微米；
3)溅射一层铬和一层金，铬和金的厚度分别为50纳米和300纳米，旋涂5微米厚正性光刻胶AZ4620，经过前烘、光刻、显影和后烘，采用离子束刻蚀法，得到图形化的中间金电路层2，再旋涂10微米正性光刻胶AZ4620，在金电路层2的圆形金焊盘9上方光刻开孔，只电镀增加金焊盘9的厚度约2微米；
4)制作得到图形化的顶层聚酰亚胺绝缘层3，厚度为5微米；在底层聚酰亚胺绝缘层1相同位置处开有一样大小的4×4个长方形孔，并且开有4×4组圆形孔，每组包括2个圆，圆直径为90微米，圆间距为135微米，每组圆形孔和对应长方形孔间距为1毫米；底层聚酰亚胺绝缘层1、金电路层2和顶层聚酰亚胺绝缘层3构成了电极的主体结构；
5)将单个微型LED裸芯片4放置在底层聚酰亚胺绝缘层1和顶层聚酰亚胺绝缘层3完全重叠的长方形孔内，阴、阳极焊盘6朝上，其中，微型LED裸芯片4型号为TR2227(Cree公司)，尺寸为220×270×50微米，相比TR2432更小、更薄，阴、阳极焊盘6直径为80微米，间距为135微米；再将无色透明的耐高温瞬干胶5(LOCTITE498)涂抹在微型LED裸芯片4四周；
6)在金丝球焊机上使用直径25微米的金丝7连接阴、阳极金焊盘6和对应的顶层聚酰亚胺绝缘层3圆形孔下方的金焊盘9；
7)在微型LED裸芯片4、金焊盘9和金线7上方涂抹环氧树脂胶8，实现封装，保证电极释放后，微型LED裸芯片4不会掉落，金线7牢固可靠，不会有裸露的金属和外界接触；
8)通过电化学腐蚀或者稀盐酸腐蚀铝牺牲层，完成电极释放。
本发明可以进一步通过在硅片背面深反应离子刻蚀(DRIE)开孔，再用SU-8胶曝光制作针状光波导，将微型LED裸芯片发出的光进一步汇聚，得到更高的光照空间分辨率，这部分内容将不在本发明中详述。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
第一步、在沉积金属牺牲层的硅片上，旋涂一层光敏型聚酰亚胺，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的底层聚酰亚胺绝缘层，底层聚酰亚胺绝缘层上面开有若干个方形孔；
第二步、溅射一层钛或铬和一层金，再电镀增加金层厚度，旋涂正性光刻胶，经过前烘、光刻、显影和后烘，采用离子束刻蚀或湿法刻蚀，得到图形化的中间电路层；
第三步、在第二步的中间电路层上，采用与第一步相同的操作，制作得到图形化的顶层聚酰亚胺绝缘层，在与底层聚酰亚胺绝缘层相同开孔位置处，开有一样形状和数量的方形孔，并且开有和方形孔数量相同的若干组圆形孔，露出中间电路层作为金焊盘；底层聚酰亚胺绝缘层、中间电路层和顶层聚酰亚胺绝缘层构成电极器件的主体结构；
第四步、将单个微型LED裸芯片放置在一方形孔内，使微型LED裸芯片上有阴、阳极焊盘的一面朝上，再将耐高温瞬干胶涂抹在微型LED裸芯片四周，保证微型LED裸芯片牢靠固定在电极上，其余微型LED裸芯片均同样如此操作；
第五步、在金丝球焊机上使用金丝连接微型LED裸芯片阴、阳极焊盘和对应的顶层聚酰亚胺绝缘层圆形孔下方的金焊盘，其余微型LED裸芯片均同样如此操作；
第六步、在微型LED裸芯片、中间电路层的金焊盘和金丝上方涂抹环氧树脂胶，实现封装，保证电极释放后，微型LED裸芯片不会掉落且金丝牢固可靠，其余微型LED裸芯片均同样如此操作；
第七步、腐蚀金属牺牲层，完成电极释放。
2.根据权利要求1所述的一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，其特征在于，第一步和第三步中，所述的底层聚酰亚胺绝缘层和顶层聚酰亚胺绝缘层固化后厚度分别为2～25微米。
3.根据权利要求1所述的一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，其特征在于，第一步和第三步中，所述的光刻聚酰亚胺得到的方形孔的长度和宽度尺寸根据所使用的微型LED裸芯片尺寸确定，保证微型LED裸芯片安放在方形孔位上不会移位；微型LED裸芯片的底面和金属牺牲层接触，且微型LED裸芯片和四周的聚酰亚胺之间有一定间隙。
4.根据权利要求1所述的一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，其特征在于，第二步中，所述的中间电路层溅射的钛或铬的厚度为10～50纳米、金的厚度为100～300纳米，电镀金的厚度为1～2微米。
5.根据权利要求1所述的一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，其特征在于，第三步中，为保证后续金丝球焊时，金丝和顶层聚酰亚胺绝缘层圆孔下方的金焊盘的结合性与可靠性，用等离子体清理金焊盘表面。
6.根据权利要求5所述的一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，其特征在于，所述的等离子体选用氧气、氮气或者氩气，或者混合的氩气和氧气。
7.根据权利要求1所述的一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，第四步中：所述的耐高温瞬干胶能承受金丝球焊机热台温度。
8.根据权利要求1所述的一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，其特征在于，第四步中，所述的瞬干胶涂抹在微型LED裸芯片四周边缘时，瞬干胶渗透到微型LED裸芯片和聚酰亚胺的间隙，以提高粘接强度。
9.根据权利要求1所述的一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件的制备方法，其特征在于，第五步中，所述的金丝根据金焊盘大小选择直径，以保证金丝和金焊盘的连接强度。
10.一种基于金丝球焊法的光刺激神经电极器件，其特征在于，所述电极器件由底层聚酰亚胺绝缘层、顶层聚酰亚胺绝缘层和图形化的中间电路层构成，其中：在底层聚酰亚胺绝缘层、顶层聚酰亚胺绝缘层开有重叠的阵列方孔，用以定位和放置微型LED裸芯片；所述顶层聚酰亚胺绝缘层还开有和方形孔数量相同的若干组圆形孔，露出电路层作为金焊盘；在微型LED裸芯片四周涂抹有瞬干胶，以保证微型LED裸芯片牢靠固定在电极上；顶层聚酰亚胺绝缘层同时开有圆孔，微型LED裸芯片的阴、阳极焊盘与金焊盘通过金丝球焊连接，最后用环氧树脂胶封装微型LED裸芯片和金丝焊线。
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