Правильный выбор размера стеклянного или кремниевого микрофлюидного чипа имеет большое значение, поскольку его габариты напрямую влияют на стоимость производства, выход годных изделий и свободу проектирования.
Эффективность производства зависит от того, насколько рационально чипы размещаются на пластине (wafer), а грамотная компоновка позволяет избежать лишних незадействованных участков. При этом требования к удобству работы с чипом зачастую можно обеспечить с помощью картриджа, не увеличивая размеры самого чипа. Особенно важно учитывать, что оптимизация размеров чипа определяет, насколько легко в дальнейшем можно будет масштабировать производство.
В этой статье рассмотрим каждый из этих факторов и разберем, почему решения, принятые на ранних этапах разработки, могут существенно повлиять на дальнейшее производство продукта.
Удобство производства и масштабирования
Размер чипа определяет эффективность производства и масштабирования микрофлюидных устройств, поскольку технологические процессы оптимизируются на уровне пластины, а не отдельного чипа. Стеклянные и кремниевые микрофлюидные чипы изготавливаются на пластинах, на которых одновременно размещается несколько устройств, а многие технологические операции выполняются сразу для всей партии. Поэтому основные производственные затраты определяются прежде всего количеством пластин и технологических операций, а не непосредственно количеством изготовленных чипов.
Большие размеры чипа не только уменьшают количество устройств, которые можно разместить на одной пластине, но и повышают вероятность того, что из-за дефекта или технологического артефакта весь чип придется отбраковать. Это снижает выход годных изделий и увеличивает затраты при масштабировании производства.
Иллюстрация влияния размеров микрофлюидного чипа на эффективность его размещения на пластине.
Функциональная конструкция и незадействованная площадь
Эффективная конструкция микрофлюидного чипа должна минимизировать незадействованное пространство, позволяя уменьшить его габариты и повысить технологичность без ущерба для функциональности. Грамотные проектные решения, включая оптимизацию компоновки и размещение нескольких вариантов структур на одном чипе (мультиплексирование), помогают максимально эффективно использовать площадь каждой пластины.
Например, внутри одного чипа можно повторять структуры каналов либо использовать каналы с различной геометрией или размерами. При использовании мультиплексирования важно максимально сократить пустые участки. Если сделать это невозможно, более эффективным решением может стать разделение конструкции на несколько чипов меньшего размера.
Особенности работы с чипами
Использование картриджей позволяет применять стеклянные или кремниевые чипы меньшего размера и одновременно выполнять требования к удобству работы, интеграции и совместимости с системой. В некоторых случаях размер чипа определяется не особенностями микрофлюидной системы, а существующей установкой заказчика или интерфейсом прибора.
Картриджи, которые обычно изготавливаются из пластика, обеспечивают механическую защиту хрупких материалов и упрощают работу с чипами. Кроме того, они облегчают интеграцию чипов в оборудование, упрощают позиционирование и считывание данных и позволяют автоматизировать рабочие процессы за счет использования штрихкодов или других идентификаторов.
Картриджи широко применяются в различных микрофлюидных системах. Один из известных примеров — GeneChip™ компании Thermo Fisher Scientific. Аналогичный принцип используется и в устройствах Micronit: небольшие проточные ячейки помещаются в картридж, благодаря чему готовое устройство соответствует стандартному формату предметного стекла для микроскопии.
Карусель автозагрузчика GeneChip™ Scanner 3000 7G. Источник: Thermo Fisher Scientific.
Эти примеры показывают, что грамотное проектирование заключается не просто в уменьшении размеров чипа. Важно сделать всю систему — сам чип и используемую с ним установку — более эффективной, надежной и масштабируемой.
Проектирование с учетом будущего масштабирования
Оптимизация размера чипа на раннем этапе разработки позволяет избежать дорогостоящего изменения конструкции и производственных проблем при переходе к большим объемам выпуска. На начальных этапах разработки размер чипа может казаться не самым значимым параметром. Однако по мере увеличения объемов производства его влияние становится все более существенным. Размер напрямую влияет на себестоимость одного чипа и, в конечном счете, на экономическую целесообразность всего проекта.
Конструкции, изначально не оптимизированные для производства на уровне пластин, впоследствии часто приходится дорабатывать. Это приводит к дополнительным расходам и увеличению сроков реализации проекта. Если уже на начальных этапах учитывать размеры чипа, возможность использования картриджа и требования технологичности производства, можно создать конструкцию, которая будет легко масштабироваться и сохранять экономическую эффективность при увеличении объемов выпуска.
Micronit сочетает компетенции в области проектирования с учетом требований производства (Design for Manufacturing, DFM) с собственными производственными возможностями по изготовлению стеклянных и кремниевых микрофлюидных чипов. Консультируя заказчиков по вопросам компоновки чипов, интеграции картриджей и совместимости с оборудованием уже на ранних стадиях проекта, специалисты Micronit помогают обеспечить как эффективность первоначального производства, так и возможность дальнейшего масштабирования.
Компания сопровождает разработку микрофлюидных устройств на всех этапах — от первоначальной концепции до крупносерийного производства.
