Technology platform for implantation of CMOS microchip with transparent hermetic package

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04265
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 野田 俊彦 豊橋技術科学大学, エレクトロニクス先端融合研究所, 准教授 (20464159)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 体内埋め込み機器 / 気密封止 / 透明パッケージ

Outline of Annual Research Achievements

体内埋め込み型の医療機器は，種々の疾患と共存して高い生活の質（QOL）を保つうえで，今後益々重要になると考えられる。体内埋め込み型医療機器では高い信頼性と耐久性を担保するためのパッケージング技術が重要であるが，例えば超小型の埋め込み型医療機器を従来技術の延長で実現するのは困難であり，パッケージング技術のブレイクスルーが必要である。本研究では，1 mm程度の超小型かつ気密封止可能なパッケージを開発し，低侵襲で体内に埋め込み可能で，かつ高い耐久性を実現する技術プラットフォームを確立する事を目的とする。さらにパッケージを透明化することにより，パッケージ内部部品の光入出力も可能にする事を目指す。
本研究で提案する技術プラットフォームを実現するにあたり，取り組む開発課題は ①透明ガラス基板の実現　②無機材料による気密封止 であり，さらに挑戦的な開発課題として　③めっき包埋型実装 に取り組む。
昨年度までの研究で　①透明ガラス基板の実現　についてある程度の目処がたったことから，本年度はこのガラス基板の薄膜化を検討するとともに，この基板を用いたチップ実装をどのような工程で行うかを検討した。②無機材料による気密封止　については，条件最適化が昨年度までに完了したため，上記実装工程に導入する事を検討した。挑戦的課題の　③めっき包埋型実装 については，めっき液を選定して基礎検討実験を行い，厚膜形成が可能な条件を見出した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ガラス基板の薄板化と並行して，ガラス基板を用いたチップ実装プロセスを検討した。ガラス基板間をフレキシブル配線で接続することにより，デバイス全体として屈曲性を持つ構造とした。開発中のガラス基板の代替として薄型セラミック基板を準備し，これにより実装プロセスの妥当性を検討した。代替基板で実装工程を行ったところ，配線形成工程を最適化することで，設計した構造が製作可能である事を確かめた。また挑戦的課題であるめっき包埋についても検討を進め，厚膜めっき液を選定した。条件の最適化により，平面パターンで所望の膜厚が得られる事を確かめた。以上のように，当初計画した通りに研究開発を遂行した。

Strategy for Future Research Activity

開発中の試作基板にCMOSチップを実装し，フレキシブルデバイスのプロトタイプを完成させる。本年度実施した実装工程の事前検討により，配線形成工程で用いる樹脂製治具の再検討が必要である事が判明している。治具の形状を最適化するとともに，形成条件を最適化して配線工程での歩留まり向上につなげる。また，挑戦的課題として設定しためっき包埋技術の開発が順調に推移しているため，可能であればプロトタイプ作製の一部に厚膜めっき膜の形成を導入する。

Causes of Carryover

基板試作と挑戦的課題のめっき関連の研究が順調に進み，当初見込んだ試作部材費や試薬費に余裕が生まれた。一方で本年度の試作検討結果を踏まえると，来年度使用予定の治具の改良に関する費用が当初予定も大きくなる見込みである。そこで本年度の研究費の一部を次年度の治具開発費用として充当することとした。

Research Products

• [Journal Article] CMOS 256-Pixel/480-Pixel Photovoltaic-Powered Subretinal Prosthetic Chips With Wide Image Dynamic Range and Bi/Four-Directional Sharing Electrodes and Their Ex Vivo Experimental Validations With Mice (2020)
  • Author(s): Wu Chung-Yu、Tseng Chi-Kuan、Liao Jung-Hsing、Chiao Chuan-Chin、Chu Fang-Liang、Tsai Yueh-Chun、Ohta Jun、Noda Toshihiko
  • Journal Title: IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers Volume: 67 Pages: 3273～3283
  • DOI: 10.1109/TCSI.2020.2976716
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Retinal Prosthesis Using Thin-Film Devices on a Transparent Substrate and Wireless Power Transfer (2020)
  • Author(s): Tomioka Keisuke、Toyoda Kohei、Ishizaki Toshio、Noda Toshihiko、Ohta Jun、Kimura Mutsumi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Electron Devices Volume: 67 Pages: 529～534
  • DOI: 10.1109/TED.2019.2960295
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A CMOS 256-Pixel Self-Photovoltaics-Powered Subretinal Prosthetic Chip with Wide Image Dynamic Range and Shared Electrodes and Its in Vitro Experimental Results on Rd1 Mice (2019)
  • Author(s): Chung Yu Wu , Chi Kuan Tzeng , Shih Yun Huang , Fang Liang Chu , Chuan Chin Chiao , Yueh Chun Tsai , Jun Ohta , Toshihiko Noda
  • Organizer: IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 人工視覚システムにおける制御回路搭載埋植ユニットへの高速化・低消費電力通信の検討 (2019)
  • Author(s): 秦 真誉, 森 康登, 張 家綺, 遠藤 広基, 鐘堂 健三, 寺澤 靖雄, 野田 俊彦, 徳田 崇, 春田 牧人, 笹川 清隆, 太田 淳
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 人工視覚用ハニカム型CMOS スマート電極アレイの開発と評価 (2019)
  • Author(s): 遠藤 広基, 野田 俊彦, 寺澤 靖雄, 春田 牧人, 笹川 清隆, 徳田 崇, 太田 淳
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高解像度人工視覚システム向けスマート電極デバイスの高速信号伝送方式の検討 (2019)
  • Author(s): 森 康登, ChiaChi Chang, 遠藤 広基, 秦 真誉, 野田 俊彦, 鐘堂 健三, 寺澤 靖雄, 春田 牧人, 笹川 清隆, 徳田 崇, 太田 淳
  • Organizer: LSIとシステムのワークショップ2019