一种柔性软排线和聚对二甲苯柔性电极的热压连接方法

摘要

本发明提供一种柔性软排线和聚对二甲苯柔性电极的热压连接方法，其中：柔性扁平软排线焊盘面朝上固定在第一载玻片上，一端焊盘面上贴附各向异性导电胶带，预压；翻转第二载玻片，使聚对二甲苯柔性电极正面朝下，完成聚对二甲苯柔性电极焊盘与贴附有各向异性导电胶带的柔性扁平软排线焊盘的对准，热压对准后的焊盘正上方的第二载玻片；抬起第二载玻片，将柔性扁平软排线翻转，补强板朝上固定在第一载玻片上，完成终压。本发明实现透明Parylene柔性电极和柔性扁平软排线的可靠对准和热压连接，电极导通率和一致性良好；翻转热压方式有效避免Parylene柔性电极焊盘部分金属破裂，大大提升电极连接可靠性和长期植入稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物医学工程技术领域使用的柔性生物电极的快速有效的热压连接方法，具体地，涉及一种柔性软排线和聚对二甲苯柔性电极的热压连接方法。

背景技术

随着生物医学工程、MEMS技术和新型生物相容性材料的发展，神经假体和脑机接口已成为工程研究的热点领域。神经电极作为外界电路和生物体的接口，主要功能包括记录来自神经元、感受器或运动纤维的电信号，以及利用电信号激励或抑制神经元活动，实现功能性电刺激。作为一种新型的神经接口器件，柔性生物电极被用作人工耳蜗，人造视网膜，监测心率等参数的表皮电子器件，脑皮层电信号记录电极，包裹外周神经的卡夫电极，脊椎损伤后瘫痪恢复用的刺激电极等。

而柔性电极焊盘接口的电气连接，贯穿了电极制备、测试和使用的整个过程，因此，稳定、可靠、简单、高效的电极焊盘接口连接方式必不可少。目前主要的焊盘接口连接方式包括采用导电银浆连接到PCB板，高温焊枪将焊料点在连接器和焊盘之间，贴合加厚加硬衬底塞进零插入力接口(ZIF)，各向异性导电胶(ACF)热压连接PCB板或软排线等。导电银浆和高温焊料都需要逐点精细操作，费时费力；直接塞进如FPC连接器这样的零插入力接口，虽然操作方便，但反复插拔会对电极焊盘金属造成损伤；直接通过ACF热压，全部焊盘一次性完成连接，且不会因为测试使用中反复操作焊盘端引起电极损伤，因此是一种高效可靠的连接方式，近几年来受到广泛关注和采用。但是，对于Parylene柔性电极而言，如何更好地实现其与柔性软排线可靠的热压连接，在现有文献和专利中却未见报道。

经对现有技术的检索发现，Richner T J,Thongpang S等人在Journal of neuralengineering撰文“Optogenetic micro-electrocorticography for modulating andlocalizing cerebral cortex activity”，将Parylene柔性电极的焊盘端贴合加厚加硬衬底，塞进FPC连接器，由于连接器内金属端子与柔性电极金属焊盘通过挤压接触实现导通，挤压后的柔性电极金属焊盘会出现压痕，反复插拔多次会造成金属焊盘的破损，进而导致电极失效。

Baek D H,Park J S等人在IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2011,58(5):1466-1473撰文“Interconnection of multichannel polyimide electrodesusing anisotropic conductive films(ACFs)for biomedical applications”，他们主要对聚酰亚胺(PI)柔性电极和刚性PCB通过ACF进行了热压连接，属于柔性-刚性互连(Flex-on-board)，热压方向采用PI柔性电极在上面，PCB在下面，没有探讨柔性-柔性互连(Flex-on-flex)，且并未涉及Parylene柔性电极的热压。

Ledochowitsch P,Félus R J等人在Micro Electro Mechanical Systems(MEMS),IEEE 24th International Conference,2011:1031-1034撰文“Fabrication andtesting of a large area,high density,parylene MEMSμECoG array”，对Parylene电极和PCB板通过ACF进行了热压，同样属于柔性-刚性互连，另外文中没有提到具体的热压方向和热压效果，无法判定这里采用的热压方法是否同样适用柔性-柔性热压互连。

Liu J,Fu T M,Cheng Z等人在Nature nanotechnology,2015,10(7):629-636撰文“Syringe-injectable electronics”，采用ACF热压连接超薄SU-8胶制备的柔性电极和FFC软排线，补充材料里面提到是将ACF贴附到SU-8柔性电极的焊盘端，再将FFC软排线从上面热压，这种热压方式虽然过程简单，但是因为FFC软排线本身不透明，另外焊盘端增加了补强板，更加不便于观察是否对准，因此这种方法仍有需要改进之处。

综上所述，目前报道的柔性电极的连接方法多数针对柔性-刚性互连，对于柔性-柔性互连，没有稳定可靠、简单实用的热压方法。随着生物医学工程和神经工程的发展，越来越多基于Parylene这种符合ISO-10993和UDP第六类塑料的生物试验要求材料的生物电极，将被大量地研发和使用，接口的柔性化连接必然会成为制约电极性能的重要环节，因此有必要通过实验提出可靠的热压方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，基于反复试验和测试，本发明提出了全新的Parylene柔性电极和柔性扁平软排线的热压方法，保证了电极导通率和一致性，有效避免了Parylene柔性电极焊盘部分金属破裂，大大提升了电极连接可靠性和长期植入稳定性。

为实现以上目的，本发明提供一种柔性软排线和聚对二甲苯柔性电极的热压连接方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将柔性扁平软排线(FFC)焊盘面朝上固定在第一载玻片上，FFC一端焊盘上贴附各向异性导电胶带，并用电烙铁预压；

(2)聚对二甲苯(Parylene)柔性电极背面贴附在第二载玻片上，翻转第二载玻片180度，使Parylene柔性电极正面朝下，在显微镜下完成Parylene柔性电极焊盘和贴附有各向异性导电胶带的FFC焊盘的对准，再次用电烙铁热压对准后的焊盘正上方的第二载玻片；

(3)抬起贴附Parylene柔性电极的第二载玻片，将FFC翻转180度，补强板朝上固定在第一载玻片上，在热压机上完成终压。

优选地，(1)中，所述各向异性导电胶带(ACF)根据产品使用要求对应不同的热压参数，其中：热压参数包括三项：温度、时间和压力，通过热压机设置和调节热压参数，热压效果通过光学显微镜或扫描式电子显微镜观察；同时在电化学工作站通过循环伏安法，测试热压的导通率和一致性。

更优选地，所述各向异性导电胶带宽度为2mm，各向异性导电胶带的宽度根据实际热压区域大小需要更换调整。

优选地，(1)中，所述电烙铁是外热式电烙铁，烙铁头使用前端贴附有耐高温热压硅胶条的铜质热压头，热压头采用平头T型结构，以保证热压平整度和均匀性。

优选地，(2)中，所述Parylene柔性电极焊盘和贴附有各向异性导电胶带的FFC焊盘对准时，需要将贴附Parylene柔性电极的第二载玻片翻转180度，并使Parylene柔性电极朝下，这种方式充分利用Parylene柔性电极上方的第二载玻片和Parylene柔性电极的透光性，从而在光学显微镜下清晰辨认并对准焊盘。

更优选地，所述贴附Parylene柔性电极的第二载玻片翻转180度时，使FFC贴附ACF的焊盘端靠近第一载玻片的一端，并使FFC在长度方向上绝大部分覆盖第一载玻片，这样在第一、第二载玻片接触热压时，避免Parylene柔性电极的电极点和下面的第一载玻片接触，而导致电极点金属脱落、破裂或污染的可能。

优选地，(2)中，所述电烙铁是外热式电烙铁，烙铁头使用前端贴附有耐高温热压硅胶条的铜质热压头，热压头采用平头T型结构，以保证热压平整度和均匀性。

优选地，(3)中，所述补强板上配合覆盖有耐高温、表面光滑抗粘的铁氟龙胶带；终压时补强板朝上，以避免Parylene柔性电极焊盘部分发生金属破裂。

更优选地，所述补强板由耐燃PET聚酯薄膜和阻燃饱和聚酯树脂组成，具有极高的耐压和耐高温效果。

优选地，(3)中，所述热压机上的热压头宽度为1.5毫米或2毫米，所述热压头的宽度根据实际热压区域大小需要更换调整。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的热压方法主要用于连接Parylene柔性电极和柔性扁平软排线。热压方法简单易操作，通过载玻片作为载体，将柔性电极放置在柔性扁平软排线上方进行手动对准，透明电极在上面，焊盘清晰可见，保证了对准效果；在热压机上进行终压时，补强板朝上，柔性电极没有与高温热压头直接接触，避免了电极受热变形和焊盘部分金属破裂，提升了电极连接的可靠性；柔性和柔性的互联方式对于长期植入体内有重要意义，应用场合更加灵活，可以避免刚性接口带来与柔软组织的机械不匹配。

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是本发明实施例的热压方法流程示意图，其中：操作流程分为8步，对应图中(a)～(h)，(i)、(j)分别是(f)和(g)的局部放大图；

图2是本发明实施例的热压效果图，其中：(a)、(b)分别为热压完成后补强板朝上和朝下的效果示意图，(c)、(d)分别对应(a)、(b)的实物图；

图3是本发明实施例的正反面热压效果对比图，其中：(a)是聚对二甲苯柔性电极正面朝上热压方式示意图，(b)和(c)是热压方式(a)的热压效果示意图和实物图；(d)是聚对二甲苯柔性电极反面朝上热压方式示意图，(e)和(f)是热压方式(d)的热压效果示意图和实物图；

图4是本发明实施例的正反面热压聚对二甲苯柔性电极的循环伏安法测试结果对比图，其中：(a)是聚对二甲苯柔性电极正面朝上热压得到的4通道电极的CV曲线；(b)是聚对二甲苯柔性电极反面朝上热压得到的4通道电极的CV曲线；

图中：

载玻片1，柔性扁平软排线2，各向异性导电胶带3，聚酰亚胺胶带4，外热式电烙铁5，T型电烙铁热压头6，载玻片7，聚对二甲苯柔性电极8，补强板9，热压平台10，铁氟龙胶带11，热压头12。

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，一种柔性软排线和聚对二甲苯柔性电极的热压连接方法，所述方法操作流程可细分为8步，具体描述如下：

第一步、如图1中(a)所示，将一根柔性扁平软排线2焊盘面朝上，用聚酰亚胺胶带4固定在标准尺寸的载玻片1上，柔性扁平软排线2一端焊盘尽可能靠近载玻片1的边缘，即保证载玻片1的长度方向绝大部分被柔性扁平软排线2覆盖；在柔性扁平软排线2焊盘中央位置贴附各向异性导电胶带3，柔性扁平软排线2焊盘两侧露出少量各项异性导电胶带3，用于最后终压时作为对准参考。

作为优选的实施方式，所述柔性扁平软排线2有四个通道，间距为1mm；其一端露出的镀锡扁平铜线焊盘长度为4mm。

作为优选的实施方式，所述各向异性导电胶带3采用日立化学生产的型号为AC-2056R-35的ACF胶带，宽度为2mm。

第二步、如图1中(b)所示，用外热式电烙铁5配合前端贴附有耐高温热压硅胶条的铜质T型电烙铁热压头6，T型电烙铁热压头6热压平面保持水平，中央对准已经贴附好的各向异性导电胶带3，用一定的力度热压约3～5s，保证受热后粘住柔性扁平软排线2的焊盘即可，随后用尖嘴镊子从各向异性导电胶带3一侧轻轻撕除上面的贴膜。

第三步、如图1中(c)所示，另外准备一片载玻片7，将聚对二甲苯柔性电极8的背面朝下贴附在载玻片7上，并使电极点和焊盘朝上；贴附时使用沾水的棉签，以保证聚对二甲苯柔性电极8完全展平且不会受损。

第四步、如图1中(d)所示，将载玻片7翻转180度，使聚对二甲苯柔性电极8正面朝下，在显微镜下完成聚对二甲苯柔性电极8的焊盘和贴附有各向异性导电胶带3的柔性扁平软排线2的焊盘对准。

第五步、如图1中(e)所示，再次使用带有T型电烙铁热压头6的外热式电烙铁5，从对准的两部分焊盘的正上方用一定力度热压10～20s，热量透过载玻片7传递到各向异性导电胶带3，实现聚对二甲苯柔性电极8的焊盘和柔性扁平软排线2的焊盘的预压连接。需要说明的是，所使用的压力和温度只是为了两者能够初步粘黏在一起，并没有达到使各向异性导电胶带3中的导电粒子破裂实现单方向导电所需的热压参数值。

第六步、如图1中(f)所示，将载玻片7轻轻揭开，注意揭开过程中避免由于和聚对二甲苯柔性电极8之间的吸附力造成电极损伤，可以在第三步贴附聚对二甲苯柔性电极8时，用塑料镊子轻轻挑起聚对二甲苯柔性电极8的电极点和导线所在部分，避免与载玻片7完全贴紧。

第七步、如图1中(g)所示，撕开固定柔性扁平软排线2的聚酰亚胺胶带4，将柔性扁平软排线2翻转180度，补强板9向上用聚酰亚胺胶带4固定在载玻片1，同时保证聚对二甲苯柔性电极8完整地贴附在载玻片1上，避免操作过程中由于不慎，使聚对二甲苯柔性电极8被载玻片1边缘划伤。

第八步、如图1中(h)所示，将载玻片1放在热压机的热压台10上，热压头12通过各向异性导电胶带3两侧露出的部分实现对准，固定载玻片1，补强板6上覆盖铁氟龙胶带11，脉冲热压机参数设置为温度240℃、压力0.18MPa、时间18s。

如图1中(i)和(j)所示，分别为第六步和第七步中热压处的局部放大图，表明了聚对二甲苯柔性电极8在上、补强板9在下，和翻转180度后聚对二甲苯柔性电极8在下、补强板9在上的两种状态。

如图2所示为热压效果图，其中：(a)是热压完成后补强板9朝上的效果示意图，同时聚对二甲苯柔性电极8正面也朝上，(c)是对应的实物图；(b)是热压完成后补强板9朝下的效果示意图，同时聚对二甲苯柔性电极8正面也朝下，(d)是对应的实物图。热压完成后，可以裁剪掉各向异性导电胶带3两侧露出的部分。实际使用中，可以对热压好的聚对二甲苯柔性电极8的接口进行封装，避免漏电和信号干扰。

实施例2

本实施例提供电烙铁预压连接聚对二甲苯(Parylene)柔性电极8和柔性扁平软排线2后，翻转180度和不翻转180度这两种终压方式的效果对比，以证明翻转热压的必要性。

如图3所示为正反面热压效果对比图，其中：

图3中(a)是聚对二甲苯柔性电极8正面朝上热压方式示意图，即补强板9朝上，图3中(b)、(c)是(a)的热压效果示意图和实物图，可以看出，通过实施例1所描述的这种热压方式，可以保证聚对二甲苯柔性电极8焊盘的完整性；

图3中(d)是聚对二甲苯柔性电极8反面朝上热压方式示意图，即补强板9朝下，图3中(e)、(f)是(d)的热压效果示意图和实物图，说明如果在图1中(f)这一步不进行翻转180度，聚对二甲苯柔性电极8保持在柔性扁平软排线2上面，直接热压，则会造成聚对二甲苯柔性电极8金属焊盘发生破裂，碎成羽片状。

如图4所示，为正反面热压聚对二甲苯柔性电极的循环伏安法测试结果对比图，其中：

图4中(a)是聚对二甲苯柔性电极8正面朝上热压，对应图3中(a)，可以看出：聚对二甲苯柔性电极8四路通道的循环伏安曲线相近，说明热压效果一致性和导通率良好；

图4中(b)是聚对二甲苯柔性电极8反面朝上热压，对应图3中(d)，可以看出：聚对二甲苯柔性电极8四路通道中有两个通道完全没有导通、另外两个通道对应的曲线差异较大，且幅值相比于图4中(a)明显要小，说明聚对二甲苯柔性电极8焊盘破裂导致电极导通率和一致性非常差。

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。