人工網膜モジュール用チップ・ケーブル接合技術の開発

4-1 緒言

前 章 で は 、 高 解 像 視 覚 再 生 を 行 う に あ た り 必 要 と な る 従 来 の 人 工 網 膜 用 刺 激 電 極 に 比 べ 低 イ ン ピ ー ダ ン ス か つ 高 電 荷 供 給 能 力 を 有 す る フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル 電 極 の 作 製 と 評 価 に つ い て 述 べ た 。我 々 が 作 製 し た PEDOT 電 極 や RagPt 電 極 が 、従 来 の 刺 激 電 極 で あ る Pt電 極 やIrOX電 極 よ り も 優 れ た 電 気 的 特 性 を 有 す る こ と を 確 認 し た 。 ま た 、PEDOT 電 極 を 用 い た in vivo 実 験 で は ウ ザ ギ の 網 膜 を 電 気 刺 激 し 、 脳 の 視 覚 野 か ら EEP を 測 定 す る こ と に 成 功 し た 。

本 章 で は 、患 者 に 高 い QOL を 提 供 す る こ と が で き る 眼 球 内 撮 像 型 の 人 工 網 膜 を 実 現 す る た め に 必 要 不 可 欠 な 人 工 網 膜 チ ッ プ と フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル の 接 合 技 術 の 開 発 に つ い て 述 べ る 。

4-2 チップ・ケーブル接合技術の必要性

現 在 世 界 各 国 で 人 工 網 膜 の 研 究 が 行 わ れ て い る が 、 そ の 多 く が 撮 像 素 子 を 眼 球 外 に 設 置 す る タ イ プ の も の で あ る[1-16][3-3][4-1]-[4-6]。図 4-1 に セ カ ン ド サ イ ト 社 が 開 発 を 進 め て い る 人 工 網 膜 、図 4-2 に ボ ス ト ン ヘ ル ス ケ ア 社 が 開 発 を 進 め て い る 人 工 網 膜 を 示 す[3-3][4-6]。 こ れ ら の 人 工 網 膜 は 図 に 示 さ れ る よ う に 撮 像 素 子 を 眼 球 外 に 設 置 し て い る 。 こ れ ら の 人 工 網 膜 で は 、 患 者 は 視 点 移 動 を 行 う 際 に 眼 球 外 の 撮 像 素 子 を 動 か さ な け れ ば な ら な い 。図 4-1 や 図 4-2 に 示 さ れ る 人 工 網 膜 で は 患 者 は 首 を 振 る こ と で 撮 像 素 子 の 向 き を 変 え 、 視 点 移 動 を 行 う 。 ま た 、 眼 球 外 撮 像 型 の 人 工 網 膜 は 眼 球 付 近 に 撮 像 素 子 で あ る 小 型 カ メ ラ を 設 置 し て い る 。 以 上 2 点 か ら 、 眼 球 外 撮 像 型 の 人 工 網 膜 は 患 者 に 高 い QOL を 提 供 し て い る と は 言 え な い 。

こ れ に 対 し て 、 眼 球 内 撮 像 型 の 人 工 網 膜 で は 患 者 は 視 点 移 動 を 眼 球 運 動 に よ っ て 行 う こ と が で き る 。 健 常 者 も 視 点 移 動 の ほ と ん ど は こ の 眼 球 運 動 に よ っ て 行 っ て お り 、 眼 球 内 撮 像 型 人 工 網 膜 は 眼 球 外 撮 像 型 人 工 網 膜 よ り も 健 常 者 に 近 い 生 活 を 患 者 に 提 供 す る こ と が 可 能 で あ る 。 ま た 、 撮 像 素 子 を 眼 球 内 に 設 置 す る こ と で 体 外 に カ メ ラ 等 の 撮 像 素 子 を 設 置 す る 必 要 も な く 、図 2-7 の よ う に 体 外 ユ ニ ッ ト を 小 型 化 す る こ と も で き る 。 以 上 の 点 か ら 、 眼 球 内 撮 像 型 人 工 網 膜 は 患 者 に 高 い QOL を 提 供 可 能 で あ る 。 こ の 眼 球 内 撮 像 型 人 工 網 膜 を 実 現 す る た め に 最 も 重 要 な こ と は 刺 激 電 極 を 有 す る フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル と 撮 像 素 子 及 び 刺 激 電 流 生 成 回 路 を 有 す る 人 工 網 膜 チ ッ プ を 電 気 的 に 接 続 す る こ と で あ る 。 人 工 網 膜 チ ッ プ は 複 数 の 電 源 及 び 制 御 信 号 ラ イ ン 、数 100 か ら 1000 個 程 度 の ピ ク セ ル 回 路 を 有 し て い る た め 、 本 研 究 で は 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ を 用 い て こ れ ら を 電 気 的 に 接 続 す る 。 次 節 で は 、 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ の 材 料 検 討 に つ い て 述 べ る 。

(a) シ ス テ ム 全 体 図 (b) 眼 球 内 ユ ニ ッ ト

図 4-1 セ カ ン ド サ イ ト 社 の 人 工 網 膜

(a) シ ス テ ム 全 体 図 (b) 眼 球 内 ユ ニ ッ ト 図 4-2 ボ ス ト ン ヘ ル ス ケ ア 社 の 人 工 網 膜

4-3 金属マイクロバンプ 材料の検討

本 節 で は 、 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ 材 料 の 検 討 に つ い て 述 べ る 。 前 節 で も 説 明 し た よ う に 、眼 球 内 に 撮 像 素 子 を 有 す る 人 工 網 膜 を 実 現 す る こ と で 患 者 の QOL を 大 き く 向 上 さ せ る こ と が 可 能 で あ る 。 こ の 眼 球 内 撮 像 型 人 工 網 膜 を 実 現 す る た め に は 刺 激 電 極 を 有 す る フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル と 撮 像 及 び 刺 激 電 流 生 成 を 行 う 人 工 網 膜 チ ッ プ を 電 気 的 に 接 続 す る こ と が 必 要 不 可 欠 で あ る 。 人 工 網 膜 チ ッ プ は 、 数 mm 角 の チ ッ プ の 中 に 電 源 、 制 御 信 号 ラ イ ン 、 及 び 数 100 か ら 1000 個 程 度 の 撮 像 素 子 と 刺 激 電 流 生 成 回 路 か ら な る ピ ク セ ル 回 路 を 有 し て い る 。 本 研 究 で は 、 こ の 人 工 網 膜 チ ッ プ と フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル の 電 気 的 接 続 を 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ を 用 い て 行 う 。図 4-3 に 示 す よ う に 、人 工 網 膜 チ ッ プ と フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル 上 に 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ を 作 製 し 、熱 圧 着 を 行 う こ と で 接 合 を 行 う 。中 心 窩 の 3 mm角 の 領 域 に 1000 画 素 を 収 め る た め に は 各 ピ ク セ ル は 大 き く て も 90 µmピ ッ チ で 並 べ ら れ る 必 要 が あ る 。 各 ピ ク セ ル の 中 に 撮 像 素 子 が あ る こ と と 、 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ が 潰 れ る こ と を 考 慮 す る と ピ ク セ ル 部 の バ ン プ サ イ ズ は 大 き く て も 20 µm 程 度 に す べ き で あ る 。 本 研 究 で は 、 電 源 及 び 制 御 信 号 ラ イ ン の 接 合 に 50 µm 角 の 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ 、 ピ ク セ ル 回 路 と 刺 激 電 極 の 接 合 に 18 µm 角 の 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ を 使 用 す る 。 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ を 溶 か し て 接 合 を 行 う た め 、 接 合 温 度 は 金 属 マ イ ク ロ

バ ン プ の 融 点 に 依 存 す る 。 し か し な が ら 、 人 工 網 膜 チ ッ プ 及 び フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル に 熱 を か け る こ と で そ れ ぞ れ に 熱 膨 張 が 生 じ る 。 チ ッ プ 表 面 の SiO2の 熱 線 膨 張 係 数 は 1.0 ppm/K、チ ッ プ 実 装 部 の PCM の 熱 線 膨 張 係 数 は 31 ppm/K と な っ て い る 。ppm/K と は そ の 材 質 で で き た 1 メ ー ト ル の 棒 が 温 度 1 K上 が っ た と き 伸 び る 長 さ を マ イ ク ロ メ ー ト ル で 表 し た も の で あ る 。図 4-3 の 横 方 向 の チ ッ プ 表 面 及 び フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル の チ ッ プ 実 装 部 の 伸 び の 温 度 依 存 性 を 図 4-4 に 示 す 。図 4-4 に 示 さ れ る よ う に SiO2 と PCM で 熱 線 膨 張 係 数 に 大 き な 差 が あ る た め 、 接 合 温 度 が 高 く な る に つ れ て 両 者 の 伸 び の 差 が 大 き く な る 。図 4-4 に 示 さ れ る よ う に 、接 合 温 度 が 200 ℃ を 超 え る と 接 合 領 域 の SiO2 と PCM で 最 大 18 µm の 伸 び の 差 が 生 じ る 。 ピ ク セ ル 回 路 の 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ サ イ ズ が 18 µm 角 で あ る た め 、200 ℃ 以 上 に な る と ピ ク セ ル 回 路 と 刺 激 電 極 が 一 部 接 合 で き な い と い っ た 状 況 が 発 生 す る 可 能 性 が あ る 。 し た が っ て 、 接 合 温 度 は 200 ℃ 以 下 で あ る こ と が 望 ま し い 。 表 4-1 に 代 表 的 な 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ の 材 料 候 補 を 示 す 。 表 中 で 200 ℃ 以 下 で 接 合 可 能 な の は Inの み で あ る 。抵 抗 値 に お い て も 比 較 的 低 温 で 接 合 可 能 な Pb、Snと 比 べ8 µΩ･

cm と 小 さ い 値 を 示 し て い る 。 し た が っ て 、 本 研 究 で は 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ の 材 料 と し て In を 用 い る 。 し か し 、Inの 表 面 は 大 気 中 の 酸 素 に よ り 酸 化 さ れ や す く 、 接 触 抵 抗 の 増 大 が 懸 念 さ れ る 。そ こ で 、本 研 究 で は 、In の 表 面 に Au の 薄 膜 を 堆 積 さ せ る In/Au マ イ ク ロ バ ン プ を 提 案 す る 。Au は 非 常 に 安 定 な 物 質 で あ り 、 よ ほ ど 特 殊 な 環 境 下 で な い 限 り 酸 化 物 を 形 成 し な い 。 ま た 、 酸 化 物 を 形 成 し て も 150 ℃ 以 上 の 熱 処 理 に よ り 熱 分 解 を 起 こ し 、 純 粋 な Au と な る 。 加 え て 、In と Au の 合 金 で あ る InAu2の 融 点 は 540 ℃ で あ る 。よ っ て 、In/Au マ イ ク ロ バ ン プ を 作 製 後 、一 度 合 金 化 す れ ば 540 ℃ 以 下 で は 再 溶 解 し な い 。 こ の 現 象 は 一 時 的 液 相 状 態(Transient Liquid Phase: TLP)と 呼 ば れ 、 複 数 の チ ッ プ を 積 層 す る 際 に も 有 用 で あ る と 考 え ら れ る 。

図 4-3 人 工 網 膜 チ ッ プ と フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル の 接 合 の 概 要 図

図 4-4 SiO2及 び PCM の 伸 び の 温 度 依 存 性

表 4-1 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ 材 料 の 特 性 材 質 融 点(℃) 抵 抗 率(µΩ･cm)

Cu 1084.6 1.6

Au 1064.2 2.1

Pb 327.4 19.2

Sn 231.9 11.5

In 156.6 8.0

4-4 人 工 網 膜 チ ッ プ 及 び フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル 上 へ の

In/Au マイクロ バンプ作製と接合

本 節 で は 、前 節 で 述 べ た In/Auマ イ ク ロ バ ン プ の 作 製 工 程 及 び 接 合 に つ い て 述 べ る 。 図 4-5 に フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル へ の In/Au マ イ ク ロ バ ン プ の 作 製 工 程 を 示 す 。 フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル に お い て は 、3-3 と 同 様 の プ ロ セ ス で 作 製 を 行 っ た 。In/Au マ イ ク ロ バ ン プ の 作 製 は リ フ ト オ フ プ ロ セ ス で 行 う 。 は じ め に 、 レ ジ ス ト を 用 い て In/Auマ イ ク ロ バ ン プ 作 製 用 の パ タ ー ニ ン グ を 行 う 。そ の 後 、In と Au の 蒸 着 を 行 う 。ピ ク セ ル 部 の In/Au マ イ ク ロ バ ン プ は In 3 µm、Au 100 nm、電 源 及 び 制 御 信 号 ラ イ ン の In/Au マ イ ク ロ バ ン プ は In 2 µm、Au 100 nm で あ る 。 次 に 、 試 料 を ア セ ト ン に 浸 す こ と で レ ジ ス ト を 溶 か し 、 不 要 な 部 分 の In 及 び Au を 除 去 す る 。 ピ ク セ ル 部 の In/Au マ イ ク ロ バ ン プ サ イ ズ は 18 µm 角 、 電 源 及 び 制 御 信 号 ラ イ ン の In/Au マ イ ク ロ バ ン プ サ イ ズ は 50 µm角 で あ る 。 図 4-6 に In/Au マ イ ク ロ バ ン プ 作 製 後 の フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル の 写 真 を 示 す 。図 4-6 か ら わ か る よ う に 設 計 値 で あ る 50 µm角 及 び18 µm角 の In/Auマ イ ク ロ バ ン プ が フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル 上 に 作 製 で き て い る こ と が 確 認 で き る 。

図 4-5 フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル へ の In/Auマ イ ク ロ バ ン プ 作 製 工 程

図 4-6 In/Auマ イ ク ロ バ ン プ 作 製 後 の フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル

次 に 、人 工 網 膜 チ ッ プ へ の In/Au マ イ ク ロ バ ン プ 作 製 に つ い て 述 べ る 。図 4-7 に 人 工 網 膜 チ ッ プ へ の In/Au マ イ ク ロ バ ン プ 作 製 工 程 を 示 す 。 人 工 網 膜 チ ッ プ に は 、 In/Au マ イ ク ロ バ ン プ 作 製 の 前 に 刺 激 電 流 生 成 回 路 の 出 力 に あ た る 部 分 に 電 気 的 接 続 を と る た め に コ ン タ ク ト ホ ー ル を 形 成 す る 。 コ ン タ ク ト ホ ー ル の 形 成 に つ い て は 、 レ ジ ス ト で パ タ ー ニ ン グ を 行 っ た 後 、 反 応 性 イ オ ン エ ッ チ ン グ で チ ッ プ 表 面 の SiO2及 び Si3N4を 除 去 す る こ と で 行 う 。そ の 後 は 、フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル へ の In/Au マ イ ク ロ バ ン プ 作 製 工 程 と 同 じ よ う に リ フ ト オ フ プ ロ セ ス で In/Auマ イ ク ロ バ ン プ の 作 製 を 行 う 。ピ ク セ ル 部 の In/Au マ イ ク ロ バ ン プ サ イ ズ は 18 µm角 、電 源 及 び 制 御 信 号 ラ イ ン の In/Auマ イ ク ロ バ ン プ サ イ ズ は 50 µm 角 で あ る 。In/Auマ イ ク ロ バ ン プ の 高 さ は 、ピ ク セ ル 部 と 電 源 及 び 制 御 信 号 ラ イ ン と も に In 2 µm、Au 100 nmで あ る 。図 4-8に In/Auマ イ ク ロ バ ン プ 作 製 後 の 人 工 網 膜 チ ッ プ の 写 真 を 示 す 。 図 4-8 に 示 さ れ る よ う に 、ピ ク セ ル 部 と 電 源 及 び 制 御 信 号 ラ イ ン の In/Auマ イ ク ロ バ ン プ が 設 計 値 通 り の 大 き さ で 作 製 で き て い る こ と が 確 認 で き る 。

図 4-7 人 工 網 膜 チ ッ プ へ の In/Auマ イ ク ロ バ ン プ 作 製 工 程