Fabbricazione microfluidica

Durante lo sviluppo del processo, l'enfasi è posta sulla fabbricazione rapida e flessibile di un piccolo numero di prototipi di dispositivi microfluidici per la valutazione. Viene eseguita una "prova di concetto" per la produzione di un dispositivo in grado di soddisfare i requisiti di prestazione e possono essere eseguite diverse iterazioni di progettazione, test e ottimizzazione del prodotto prima che il progetto del dispositivo venga finalizzato. Poiché i parametri di progettazione del dispositivo microfluidico cambiano tipicamente nel corso di questa fase, i metodi di lavorazione diretta o di produzione laser, che consentono una rapida manipolazione delle dimensioni degli elementi, sono preferiti ai processi di fabbricazione basati su stampi, costosi, ad alta produttività ma meno flessibili. I metodi di lavorazione diretta consentono anche la fabbricazione di progetti di chip parziali, che sono più veloci da fabbricare e permettono una rapida selezione di caratteristiche difficili, come microcanali e pilastri. L'obiettivo principale dello sviluppo del processo è quello di stabilire le corrette specifiche di progettazione del dispositivo nell'applicazione prima della messa in scala. Poiché le modifiche dei parametri di progettazione sono frequenti durante questa fase, la flessibilità e la velocità di produzione sono di primaria importanza. Una volta completato il dispositivo prototipo, Potomac può aggiungere ulteriori strati, incollare coperture e praticare fori per le porte.

L'obiettivo dello scale-up è duplice: in primo luogo aumentare i volumi e ridurre il costo unitario e, in secondo luogo, sviluppare il know-how necessario per scalare il processo a volumi commerciali. Per i dispositivi microfluidici a base di polimeri, i processi basati su stampi, come la goffratura a caldo e lo stampaggio a iniezione, sono le tecnologie comunemente utilizzate a questo scopo. Tuttavia, lo sviluppo di un'efficace soluzione di scale-up per un dispositivo microfluidico richiede la comprensione del sistema di microfabbricazione integrato, che comprende non solo i processi di replicazione menzionati in precedenza, ma anche le operazioni successive alla replicazione, come l'incollaggio, il trattamento della superficie e l'interfacciamento u0026amp; la connessione. Inoltre, è necessaria anche una comprensione dell'economia della microfabbricazione, in particolare del rapporto tra costo unitario e volume, che guida le decisioni critiche su quando passare dal funzionamento in batch a quello in continuo e da una tecnologia di replica, come la goffratura a caldo, a un'altra, come lo stampaggio a microiniezione. Per consentire queste decisioni critiche, viene sviluppato un modello tecnoeconomico che consente all'ingegnere di eseguire analisi di sensibilità per diversi scenari di produzione. Molti ingegneri commettono l'errore di supporre che il passaggio a una tecnologia di replica di volume più elevato riduca automaticamente il costo unitario; in realtà il costo unitario minimo è solitamente dettato dagli altri processi del sistema di microfabbricazione, come l'incollaggio, il trattamento superficiale e l'interconnessione. Il sistema di microfabbricazione più economico abbina le tecnologie di fabbricazione appropriate al volume di produzione desiderato, eliminando i "colli di bottiglia" nel processo, e come regola generale il costo unitario del dispositivo per un sistema ben progettato può diminuire di un ordine di grandezza dopo lo scale-up. Un sistema di microfabbricazione ben progettato consente inoltre una transizione graduale a tecnologie di volume superiore quando i requisiti di produzione lo richiedono.

A critical objective of scale-up is to design the microfabrication system for commercial volumes and the integrated microfabrication system should be designed to deliver the microfluidic product at the minimum unit cost for the specified volume.  Equally important is that the system be designed to allow for scale-up to larger volumes once product demand increases. As mentioned above, this can only be achieved with a thorough analysis of the microfabrication system that provides insight on how the individual operations impact the integrated system at different production volumes as well as a cost model that models the unit cost as a function of production volume.rnrnu003c/divu003ernu003cdivu003eThe purpose of technology transfer is two-fold; to transfer the commercial microfabrication process defined during scale-up to manufacturing and secondly to develop the Process Technology Package (PTP) for future scale-up when production volumes increase. Technology transfer to manufacturing first and foremost entails developing the standard operating procedures (SOPs) for each operation of the microfabrication system. In addition, it entails training operators and technicians to achieve the Key Performance Indicators (KPIs) that include quality control, yield and cycle time repeatably and consistently. As a rule of thumb, you can expect that at the conclusion of technology transfer the unit cost will be further reduced by a factor of 2 or greater. Eventually the scale of the microfabrication system may need to increase to accommodate increasing demands for your product and with proper foresight the system will have been designed to enable a smooth transition to higher volume manufacturing. Development of a technoeconomic model for the microfabrication system as described above will enable you to anticipate in advance the next generation of technologies that will be required and the current processes that will need to be optimized in order to further scale-up manufacturing. Using this insight, microfabrication engineers can customize the development effort to collect relevant data for that purpose during the scale-up phase. This data would become an integral part of the Process Technology Package for use when production requirements increase.