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JP7028755B2 - 生体適合性貫通電極付きガラス基板ならびに生体適合性小型電子デバイス - Google Patents

生体適合性貫通電極付きガラス基板ならびに生体適合性小型電子デバイス Download PDF

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Description

本発明はインプラント用の電気・電子装置に適用する生体適合性の貫通電極付きガラス基板ならびに生体適合性の小型電子デバイスに関する。
インプラント（ｉｍｐｌａｎｔ）とは、体内に埋め込まれる器具の総称である。 医療目的で広く行われ、失われた歯根に代えて顎骨に埋め込む人工歯根（デンタルインプラント）、骨折・リウマチ等の治療で骨を固定するためのボルトなどもあるが、心臓ペースメーカー、人工内耳の埋め込み部分のように、電力によって能動的に駆動する電気・電子装置からなるインプラントもある。このうち本発明は体内に埋め込まれ使用されるインプラント型電気・電子装置に適用される。
インプラント型電子装置には、例えば、特許文献１に記載のシャントシステム用埋め込み型圧力センサがある。この圧力センサは、チタン製の回転部７を有するハウジングの中に、圧力センサ４を有するマイクロチップ、二つの分離した基板１ａ及び１ｂ、並びに、他の電子部品２、３を収め、全ての部品は、ポッティング化合物８によりハウジング７の中に固定されている。フィルム１１は膜を構成しており膜の下には、空気が満たされた空洞部があり、該空洞部は、圧力センサと直接接続されている。ハウジング７の端部はキャップ７ａによってシールされ、溶接されている。電子部品は回路基板１に設置され、測定信号は、センサコイル１３によって外部に設置された受信ユニットへ送信されることが開示されている。特許文献２に記載の埋め込み型医療装置は、検査対象に埋め込まれるように構成された圧力センサ等のセンサを備える。一旦埋め込まれると、センサは様々な動作環境条件下におかれ、これらの条件下における悪影響から保護するために、センサは液体カプセル化してパッケージングされている。本発明は、このようなインプラント型電子装置に用いる生体適合性の小型電子デバイスならびに生体適合性の貫通電極付きガラス基板に関する。
貫通電極付きガラス基板の例として、特許文献３に記載の方法がある。特許文献３には、所定形状の耐熱部材とこの耐熱部材の軟化点より低い温度の軟化点を有するガラスまたはガラスセラミックの絶縁基板素材とを当接し、絶縁基板素材を軟化状態に加熱して重し荷重を付与し、耐熱部材を絶縁基板素材に食込ませた合体部材に融着加工し、徐冷後の合体部材に関し、表面研磨を含む仕上加工してガラスまたはガラスセラミック材に耐熱部材を貫通埋設した絶縁基板が開示されている。
特開２０１６－１４５８２７号公報 特表２０１８－５１６１０２号公報 特開２００７－０６７３８７号公報
一般に、インプラント型電子装置に用いられる電子デバイスは、生体への負担を軽減しながら該当部位への埋め込みをサポートするため、特に小さな形状要素であることが求められる。ある医療用途では、埋め込まれたインプラント型電子装置は、対象の体内環境に（例えば、体内にある特定の臓器の近傍に）一定期間保持される。動作中、埋め込まれた電子装置は、その期間、体内環境の様々な条件下に曝される。この条件は、埋め込まれた電子装置の短期的および長期的な動作に様々な影響をおよぼす。例えば、体液等の体内環境物質は、埋め込まれた電子装置の部品を腐食し得る。腐食は、生体状態をモニタリングする能力または医療処置を実施する能力を低下させる。
本発明は、過酷な体内環境に置かれても頑健性を有し、かつ生体に悪影響が最小限に抑えることができる生体適合性に優れた生体適合性貫通電極付きガラス基板を提供し、生体適合性電子デバイスの小型化に寄与する。
本発明の第一の観点によれば、生体適合性ガラスのガラス板と、このガラス板を貫通して設けられた生体適合性金属の貫通電極とからなる生体適合性貫通電極付きガラス基板が提供される。
本発明の第二の観点によれば、上記生体適合性貫通電極付きガラス基板を電気・電子装置に適用した生体適合性デバイスが提供される。本発明に係る生体適合性デバイスは、生体適合性ガラスのガラス板と、このガラス板を貫通して設けられた生体適合性金属の貫通電極を有する生体適合性貫通電極付きガラス基板と、上記ガラス板に封着されかつ上記貫通電極と電気・電子装置の回路配線を電気接続した電気・電子装置とからなる生体適合性デバイスが提供される。前記生体適合性デバイスの貫通電極には接続用のバンプを有する。
本発明の第三の観点によれば、本発明に係る生体適合性電子デバイスの製造方法は、１）生体適合性ガラスのガラス板と、このガラス板を貫通して設けられた生体適合性金属の貫通電極を有する生体適合性貫通電極付きガラス基板ウエハと電気・電子装置ウエハとを用意する準備工程と、２）生体適合性貫通電極付きガラス基板ウエハと、電気・電子装置ウエハの所望の電極同士を突き合わせて互いに貼り合せるウエハ載置工程と、３）載置したウエハ同士を炉中で加熱し生体適合性ガラスと電気・電子装置の接触界面を気密封着して互いの電極同士を電気接続させて生体適合性貫通電極付きガラス基板ウエハと電気・電子装置ウエハとを一体成形させる生体適合性ガラス封着工程と、４）生体適合性ガラス封着工程後、一体成形した前記ウエハのガラス貫通電極上に接続用のバンプを形成するバンプ形成工程と、５）さらにバンプ形成後、一体成形した前記ウエハをダイシングし、個々の電気・電子素子に分離して生体適合性電子デバイスとするダイシング工程からなる。バンプ形成工程では、バンプに替えて、前記電気・電子装置とは別の電気・電子部品を貫通電極に実装させてもよい。また、必要に応じて生体に与える機械的な刺激を軽減するために生体適合性電子デバイスの隅角を丸く加工する研磨工程を追加してもよい。さらに、生体適合性電子デバイスの表面に生体適合性被覆を施すための表面被覆工程を追加してもよい。
本開示の発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。本開示の一実施形態によれば、生体適合性に優れた生体適合性貫通電極付きガラス基板を提供し、生体適合性電子デバイスの小型化に寄与する。
本発明に係る生体適合性貫通電極付きガラス基板１０の斜視図を示す。 本発明に係る生体適合性電子デバイス２０を示し、（ａ）は平面図を、（ｂ）は（ｃ）のＤ－Ｄ線で切断した正面断面図を、（ｃ）は下面図を示す。 本発明に係る生体適合性電子デバイスの製造方法３０を示したフロー図である。 本発明に係る生体適合性電子デバイスの製造方法４０を示したフロー図である。
本発明に係る生体適合性貫通電極付きガラス基板は、体内に存在する元素であるケイ素、ホウ素、カルシウム、ナトリウム、リン、酸素のみで構成され、主成分としてＳｉＯ２のベースにＮａ２Ｏ、ＣａＯの少なくとも１つを含み、これに必要に応じてＢ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ３の少なくとも１つをさらに含んだ生体適合性ガラスからなるガラス板と、このガラス板の板面を貫通して設けられた体内環境で不溶性かつ非腐食性の白金、タンタル、タングステン、チタン、チタン合金（例えば９０Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）、Ｃｏ－Ｃｒ合金（例えば６３Ｃｏ－３０Ｃｒ－７Ｍｏ、５２Ｃｏ－２１Ｃｒ－１６Ｗ－１１Ｎｉ）、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６Ｌの６７．４７Ｆｅ－１８Ｃｒ－１２Ｎｉ－２．５Ｍｏ－０．０３Ｃ、ＳＵＳ３１６の６７．４４Ｆｅ－１８Ｃｒ－１２Ｎｉ－２．５Ｍｏ－０．０６Ｃ）の何れかの１つからなる生体適合性金属の貫通電極で構成される。この貫通電極は、少なくとも電極表面を前記生体適合性金属で構成する必要があるが、電極全体を前記生体適合性金属のみで構成するのが好ましい。
本発明に係る生体適合性電子デバイスは、生体に埋め込み使用する半導体素子などの電気・電子装置に上記生体適合性貫通電極付きガラス基板を適用したものである。本発明に係る生体適合性電子デバイスは、体内に存在する元素であるケイ素、ホウ素、カルシウム、ナトリウム、リン、酸素のみで構成され、主成分としてＳｉＯ２のベースにＮａ２Ｏ、ＣａＯの少なくとも１つを含み、これに必要に応じてＢ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ３の少なくとも１つをさらに含んだ生体適合性ガラスのガラス板と、このガラス板を貫通して設けられた体内環境で不溶性かつ非腐食性の白金、タンタル、タングステン、チタン、チタン合金（例えば９０Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）、Ｃｏ－Ｃｒ合金（例えば６３Ｃｏ－３０Ｃｒ－７Ｍｏ、５２Ｃｏ－２１Ｃｒ－１６Ｗ－１１Ｎｉ）、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６Ｌの６７．４７Ｆｅ－１８Ｃｒ－１２Ｎｉ－２．５Ｍｏ－０．０３Ｃ、ＳＵＳ３１６の６７．４４Ｆｅ－１８Ｃｒ－１２Ｎｉ－２．５Ｍｏ－０．０６Ｃ）の何れかの１つからなる生体適合性金属の貫通電極を有する生体適合性貫通電極付きガラス基板と、このガラス基板のガラス板に封着されかつ上記貫通電極と電気接続されたＳｉ半導体素子からなり、Ｓｉ半導体素子の封着面と対向するガラス表面の貫通電極上には円柱状ないし台形状または半球状ないし略球状のバンプを有する。バンプは、生体適合性金属の軟金属であれば何れの材料を用いてもよく、特に限定されないが金または金合金のバンプが好ましい。また、必要に応じて生体に与える機械的な刺激を軽減するために生体適合性電子デバイスの隅角を丸くしてもよい。上記生体適合性電子デバイスにおいて、Ｓｉ半導体素子の回路面は、上記生体適合性貫通電極付きガラス基板によって気密封止され保護される。
本発明に係る生体適合性電子デバイスは、表面にナイロン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド樹脂などから選択された有機化学材、または水酸化リン酸カルシウム、ＴｉＮ、バイオガラス、炭素、アルミナ・セラミクス、ジルコニア・セラミクスなどから選択された無機化学材からなる生体適合性被覆をさらに施してもよい。
前記生体適合性被覆は、前記有機化学材と前記無機化学材から構成した有機／無機複合被覆でもよい。
本発明に係る生体適合性電子デバイスの製造方法は、１）体内に存在する元素であるケイ素、ホウ素、カルシウム、ナトリウム、リン、酸素のみで構成され、主成分としてＳｉＯ２のベースにＮａ２Ｏ、ＣａＯの少なくとも１つを含み、これに必要に応じてＢ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ３の少なくとも１つをさらに含んだ生体適合性ガラスのガラス板と、このガラス板を貫通して設けられた体内環境で不溶性かつ非腐食性の白金、タンタル、タングステン、チタン、ステンレス鋼の何れかの１つからなる生体適合性金属の貫通電極を有する生体適合性貫通電極付きガラス基板ウエハと生体に埋め込み使用するＳｉ半導体ウエハとを用意する準備工程、２）生体適合性貫通電極付きガラス基板ウエハとＳｉ半導体ウエハとの所望電極同士を突き合わせてガラス面とを貼り合せるウエハ載置工程、３）載置したウエハ同士を炉中で加熱し生体適合性ガラスとＳｉ半導体素子の接触界面を気密封着して互いの電極同士を電気接続させてガラス封止半導体ウエハを形成させる生体適合性ガラス封着工程、４）その後この生体適合性ガラス封止半導体ウエハの貫通電極上に円柱状ないし台形状または半球状ないし略球状のバンプを形成するバンプ形成工程、５）バンプ形成後この生体適合性ガラス封止半導体ウエハをダイシングして個々の電気・電子素子に分離して生体適合性電子デバイスとするダイシング工程からなる。
上記バンプ形成工程では、バンプの一部に替えて上記Ｓｉ半導体素子とは別の半導体素子からなる能動部品や、例えばコンデンサ、抵抗器、コイル、アンテナ、各種センサなどの受動部品や機構部品等の他の電気・電子素子を貫通電極に実装させてもよい。バンプは、生体適合性の軟金属であれば何れの材料を用いてもよく、特に限定されないが金または金合金製のバンプが好ましい。また、必要に応じて生体に与える機械的な刺激を軽減するために生体適合性電子デバイスの隅角を丸く加工する研磨工程を追加してもよい。例えば、研磨工程には、ガラス面の隅角を丸く加工するためのファイヤポーリッシュや半導体端面の隅角を丸くするための化学的、機械的研磨などの任意の研磨工程の少なくとも何れか１つを含むことができる。さらに、生体適合性電子デバイス表面の一部または全部にナイロン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド樹脂などの有機化学材または水酸化リン酸カルシウム（例えばヒドロキシアパタイトのＣａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）、ＴｉＮ、バイオガラス（Ｎａ２Ｏ－ＣａＯ－ＳｉＯ２－Ｐ２Ｏ３）、炭素、アルミナ・セラミクス、ジルコニア・セラミクス等の無機化学材からなる生体適合性被覆材を施す被覆工程を追加してもよい。生体適合性電子デバイスの表面への被覆材の被覆方法は、どのような方法を用いてもよく特に限定されないが、例えばＣｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）による厚さ２～３０μｍ程度の薄膜コーティングでもよい。
前記被覆工程は、生体適合性電子デバイスの表面に、先ず前記ＣＶＤにより、ナイロン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド樹脂などから選択された有機化学材の被覆を施した後、さらに水酸化リン酸カルシウム（例えばヒドロキシアパタイトのＣａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）、ＴｉＮ、バイオガラス（Ｎａ２Ｏ－ＣａＯ－ＳｉＯ２－Ｐ２Ｏ３）、炭素、アルミナ・セラミクス、ジルコニア・セラミクスなどから選択された被膜を施して有機／無機複合被覆としてもよい。
本発明に係る実施例１の生体適合性貫通電極付きガラス基板１０は、図１に示すように、体内に存在する元素であるケイ素、カルシウム、ナトリウム、酸素のみで構成され、ＳｉＯ２のベースにＮａ２ＯとＣａＯを含んだ生体適合性ガラスからなるガラス板１１と、ガラス板１１の板面を貫通して設けられた生体適合性金属の白金からなる貫通電極１２で構成される。
本発明に係る実施例２の生体適合性電子デバイス２０は、生体に埋め込み使用するＳｉ半導体素子の電極材および絶縁材に上記生体適合性貫通電極付きガラス基板１０を適用したものである。生体適合性電子デバイス２０は、図２に示すように、体内に存在する元素であるケイ素、カルシウム、ナトリウム、酸素のみで構成され、主成分としてＳｉＯ２のベースにＮａ２Ｏ、ＣａＯを含んだ生体適合性ガラスのガラス板２１と、ガラス板２１を貫通して設けられた体内環境で不溶性かつ非腐食性の白金からなる生体適合性金属の貫通電極２２を有する生体適合性貫通電極付きガラス基板２３と、ガラス基板２３のガラス板２１に封着されかつ貫通電極２２と電気接続されたＳｉ半導体素子２４からなり、Ｓｉ半導体素子２４の封着面とは別のもう一方のガラス表面の貫通電極２２に略球状の金バンプ２５を有する。
本発明に係る実施例３の生体適合性電子デバイスの製造方法３０は、上記生体適合性電子デバイス２０の製造方法である。生体適合性電子デバイスの製造方法３０は、図３に示すように、１）体内に存在する元素であるケイ素、カルシウム、ナトリウム、酸素のみで構成され、主成分としてＳｉＯ２のベースにＮａ２Ｏ、ＣａＯを含んだ生体適合性ガラスのガラス板と、このガラス板を貫通して設けられた体内環境で不溶性かつ非腐食性の白金からなる生体適合性金属の貫通電極を有する生体適合性貫通電極付きガラス基板ウエハと、生体に埋め込み使用するＳｉ半導体ウエハとを用意する準備工程３１、２）生体適合性貫通電極付きガラス基板ウエハとＳｉ半導体ウエハとの所望の電極同士を突き合わせてガラス面とを貼り合せるウエハ載置工程３２、３）載置したウエハ同士を炉中で加熱し生体適合性ガラスとＳｉ半導体素子の接触界面を気密封着して互いの電極同士を電気接続させてガラス封止半導体ウエハを形成させる生体適合性ガラス封着工程３３、４）その後この生体適合性ガラス封止半導体ウエハのもう一方の貫通電極上に略球状の金バンプを形成するバンプ形成工程３４、５）バンプ形成後この生体適合性ガラス封止半導体ウエハをダイシングして個々の電気・電子素子に分離して生体適合性電子デバイスとするダイシング工程３５からなる。
本発明に係る実施例４の生体適合性電子デバイスの製造方法４０は、上記生体適合性電子デバイス２０の製造方法である。生体適合性電子デバイスの製造方法４０は、図４に示すように、１）体内に存在する元素であるケイ素、カルシウム、ナトリウム、酸素のみで構成され、主成分としてＳｉＯ２のベースにＮａ２Ｏ、ＣａＯを含んだ生体適合性ガラスのガラス板と、このガラス板を貫通して設けられた体内環境で不溶性かつ非腐食性の白金からなる生体適合性金属の貫通電極を有する生体適合性貫通電極付きガラス基板ウエハと、生体に埋め込み使用するＳｉ半導体ウエハとを用意する準備工程４１、２）生体適合性貫通電極付きガラス基板ウエハとＳｉ半導体ウエハとの所望電極同士を突き合わせてガラス面とを貼り合せるウエハ載置工程４２、３）載置したウエハ同士を炉中で加熱し生体適合性ガラスとＳｉ半導体素子の接触界面を気密封着して互いの電極同士を電気接続させてガラス封止半導体ウエハを形成させる生体適合性ガラス封着工程４３、４）その後この生体適合性ガラス封止半導体ウエハのもう一方の貫通電極上に略球状の金バンプを形成するバンプ形成工程４４、５）バンプ形成後この生体適合性ガラス封止半導体ウエハをダイシングして個々の電気・電子素子に分離して生体適合性電子デバイスとするダイシング工程４５からなる。上記バンプ形成工程４４では、金バンプの他に、バンプに替えて上記Ｓｉ半導体素子とは別の半導体素子や、コンデンサ、抵抗器、コイル、アンテナ、センサの受動部品や機構部品を貫通電極に実装させることができる。その後、生体に与える機械的な刺激を軽減するために生体適合性電子デバイスの隅角を丸く加工する研磨工程４６を行う。研磨工程４６には、ガラス面の隅角を丸く加工するため化学的、機械的研磨を含む。さらに、必要に応じて生体適合性電子デバイスの表面に水酸化リン酸カルシウム（ヒドロキシアパタイトのＣａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）からなる生体適合性被覆材を施す被覆工程４７を行う。被覆はＣｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）により厚さ３ないし５μｍの薄膜コーティングを施す。
前記生体適合性被覆材を施す被覆工程４７は、生体適合性電子デバイスの表面に、先ず前記ＣＶＤにより、ナイロン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド樹脂から選択された有機化学材の厚さ３ないし５μｍの薄膜コーティングを施した後、さらに上記水酸化リン酸カルシウム（ヒドロキシアパタイトのＣａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）のＣＶＤ被膜を施して有機／無機複合被覆としてもよい。
本発明に係る生体適合性貫通電極付きガラス基板によって半導体素子そのものを直接気密封止することができるので、生体適合性電子デバイスのパッケージレス化、小型化に寄与する。また、生体適合性電子デバイスのフリップチップ化により、生体適合性電子デバイスの高密度実装ならびに高機能化を容易にする。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、インプラント用の貫通電極付きガラス基板およびインプラント型電子装置に利用できる。
生体適合性貫通電極付きガラス基板１０、ガラス板１１、貫通電極１２、生体適合性電子デバイス２０、ガラス板２１、貫通電極２２、生体適合性貫通電極付きガラス基板２３、半導体素子２４、バンプ２５、生体適合性電子デバイスの製造方法３０、準備工程３１、ウエハ載置工程３２、生体適合性ガラス封着工程３３、バンプ形成工程３４、ダイシング工程３５、生体適合性電子デバイスの製造方法４０、準備工程４１、ウエハ載置工程４２、生体適合性ガラス封着工程４３、バンプ形成工程４４、ダイシング工程４５研磨工程４６、被覆工程４７。

Claims (9)

  1. 生体適合性ガラスのガラス板と、このガラス板を貫通して設けられた生体適合性金属の貫通電極を有する生体適合性貫通電極付きガラス基板と、前記ガラス板の一方の面にＳｉ半導体素子の一方の板面が隙間なく封着されかつ前記貫通電極の片側と電気接続された前記Ｓｉ半導体素子からなる電気・電子装置と、前記Ｓｉ半導体素子の前記封着面と対向するガラス表面上の貫通電極上に円柱状ないし台形状または半球状ないし略球状のバンプと、のみからなる生体適合性電子デバイス。
  2. 前記貫通電極は、少なくとも表面が生体適合性金属からなる請求項１に記載の生体適合性電子デバイス。
  3. 前記生体適合性ガラスは、体内に存在する元素であるケイ素、ホウ素、カルシウム、ナトリウム、リン、酸素のみで構成され、主成分としてＳｉＯ２のベースにＮａ２Ｏ、ＣａＯの少なくとも１つを含み、これに必要に応じてＢ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ３の少なくとも１つをさらに含んだガラスからなる請求項１または請求項２に記載の生体適合性電子デバイス。
  4. 前記生体適合性金属は、体内環境で不溶性かつ非腐食性の白金、タンタル、タングステン、チタン、チタン合金、Ｃｏ－Ｃｒ合金、ステンレス鋼の何れかの１つからなる請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の生体適合性電子デバイス。
  5. 前記バンプは、生体適合性の軟金属である請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の生体適合性電子デバイス。
  6. 前記軟金属は、金または金合金である請求項５に記載の生体適合性電子デバイス。
  7. 前記生体適合性電子デバイスの隅角を丸くした請求項１ないし請求項６の何れか１つに記載の生体適合性電子デバイス。
  8. 前記デバイス表面にナイロン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド樹脂の有機化学材または水酸化リン酸カルシウム、ＴｉＮ、バイオガラス、炭素、アルミナ・セラミクス、ジルコニア・セラミクスの無機化学材からなる生体適合性被覆をさらに有する請求項１ないし請求項７の何れか１つに記載の生体適合性電子デバイス。
  9. 前記生体適合性被覆は、前記有機化学材と前記無機化学材から構成した有機／無機複合被覆からなる請求項８に記載の生体適合性電子デバイス。
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