柔性 PCB 技术赋能微流控芯片制造：高精度低成本方案解读与应用

• 1. 引言：微流控芯片发展现状与传统技术瓶颈

Chip作为 POCT（即时检测）、LOAC（芯片实验室）及organ chip研发的核心载体，其制备技术长期受限于传统软光刻（SL）。软光刻虽能实现 500nm 级高精度微图案化，且搭配 PDMS (polydimethylsiloxane)材料的光学透明、气体 permeable、生物相容性等优势，成为 30 余年行业标准，但需依赖昂贵硅晶圆、ISO4-ISO5 级洁净室及复杂设备，单套光刻模具成本高达 600-1110 美元，严重制约微流控芯片的快速迭代与商业化落地。

为突破这一瓶颈，研究团队探索以 PCB（印刷电路板）技术替代光刻模具，尤其创新性提出柔性 PCB 作为微流控模具基材。PCB 技术依托成熟的化学蚀刻工艺，可实现微图案化，且 FR-4 PCB（玻璃纤维增强环氧基板）与柔性 PCB（聚酰亚胺核心）均具备低成本、高量产性优势，配合微纳加工平台的标准化流程，为微流控芯片加工提供新路径。

本图概述了本研究中测试的不同类型PCB的横截面。（a）带有阻焊层的裸露镀锡铜迹线。（b）裸露的镀锡铜迹线。（c）覆盖阻焊层的铜迹线。（d）柔性PCB上的裸露镀金铜迹线，以及（e）柔性PCB上覆盖覆盖层的铜迹线。

• 2. 柔性 PCB 与 FR-4 PCB 技术对比：微流控模具的材料创新

顶部覆盖阻焊层，图2. 制造的刚性FR-4 PCB（左）的图像，其顶部覆盖阻焊层，底部为裸露基板；以及柔性PCB（右）的图像，未覆盖覆盖层。底部为裸露基板，柔性PCB（右）未覆盖覆盖层。

研究针对微流控模具需求，系统测试了 5 类 PCB 配置，核心对比 FR-4 PCB 与柔性 PCB 的性能差异：

• 2.1 FR-4 PCB：低成本但精度受限

FR-4 PCB 采用玻璃纤维核心与铜箔复合，铜层厚度以盎司 / 平方英尺（oz/ft²）计量，常规范围 0.25oz（9μm）-3oz（105μm）。其优势在于材料易得、单价低廉（10 片 100×100mm 规格仅 0.49 美元），但存在两大局限：一是基材粗糙度约 1μm Ra，导致 PDMS 浇筑后表面复刻粗糙，与玻璃基板等离子键合时粘结力不足（剥离测试平均力仅 0.33N）；二是蚀刻过程为各向同性蚀刻，轨道横截面呈梯形凹面，若覆盖阻焊层需预留 2-3mil（50-75μm）间隙，易形成凸起结构，破坏 PDMS 通道的密封性，仅适用于对精度要求较低的 millifluidics（毫流控）场景。

• 2.2 柔性 PCB：高精度微流控模具的最优解

柔性 PCB 以聚酰亚胺（PI）为核心，铜层表面可镀金（厚度约 3μm），具备三大核心优势：一是表面粗糙度仅 250nm Ra，显著优于 FR-4，PDMS 复刻后可直接与玻璃强粘结（剥离测试平均力 2.61N，接近玻璃 – 玻璃基准的 2.88N）；二是轨道几何精度高，最小可实现 60μm 宽度与 100μm 间距（1oz 铜层），轨道横截面接近矩形，相对偏移仅 1.5%-3.4%；三是柔性特性可通过真空固定或双面胶贴合实现平整浇筑，避免空气残留，尤其适合制备微流控芯片模具中复杂的蛇形通道、液滴发生器等结构。

此外，研究排除了柔性 PCB 覆盖 Kapton（聚酰亚胺覆盖层）的方案 —— 覆盖层会过度平滑轨道轮廓，导致 PDMS 通道几何失真，无法满足微流控流体控制需求。

• 3. PDMS 芯片制备全流程：从模具设计到键合封装

本图概述了剥离测试装置：（a）PDMS的粘合区域，（b）显微镜载玻片，与PDMS粘合，（c）线性导轨可实现低摩擦运动，确保始终保持90°的拉力测试角度，（d）顶部夹具，（e）3D打印固定装置，以及（f）固定显微镜载玻片的螺丝。

基于 PCB 模具的 PDMS 芯片制备，需结合材料特性优化流程，核心步骤涵盖模具预处理、PDMS 浇筑、等离子键合与表面活化，全程可兼容现有微流控芯片加工设备：

• 3.1 模具预处理：确保 PDMS 复刻精度
• FR-4 PCB 模具：采用 tesa® BASIC 遮蔽胶带环绕边缘，形成 PDMS 浇筑边界，需按压胶带确保无泄漏，避免胶粘剂干扰 PDMS 固化；
• 柔性 PCB 模具：因材质柔软，需通过两种方案实现平整：一是 3D 打印定制夹具配合真空泵抽真空，将柔性 PCB 吸附于平面；二是用双面胶将其固定于亚克力板，两种方案均可实现 PDMS 浇筑厚度均匀，避免通道偏移。
• 3.2 PDMS 浇筑与键合：标准化工艺适配

PDMS 按常规比例混合固化剂后，缓慢浇筑至 PCB 模具，固化后脱模得到带微通道的 PDMS 片。键合环节采用 PDMS 等离子键合机，通过等离子表面活化使 PDMS 与玻璃基板形成共价键；为提升通道疏水性与生物相容性，采用 Rain-X（汽车挡风玻璃疏水喷雾）对通道内表面进行活化，替代传统昂贵的表面修饰试剂，既降低成本，又能提升细胞培养芯片中细胞的附着率。

• 3.3 辅助设备适配：兼容现有微流控加工平台

整个流程可无缝对接 PDMS 打孔器（用于制备进出液口）、PDMS 热板 / 烘箱（加速固化）、PDMS 工作站（自动化浇筑）等设备，无需新增专用设备，降低实验室与企业的技术改造门槛。

• 4. 性能验证：精度、粘结力与生物相容性的全面评估

本图全面展示了各种印刷电路板（PCB）配置的横截面概况：（a）为2盎司厚铜FR-4印刷电路板，其具有200微米宽的镀锡线路，线路两侧覆盖有阻焊层。（b）展示了同一块印刷电路板，但其镀锡线路完全被阻焊层覆盖。（c）为1盎司厚的印刷电路板，带有250微米宽的裸露铜线路。可以明显看到丝印层存在明显间隙，且铜线路上有额外的镀锡。（d）展示了（c）中的印刷电路板，但其裸露线路完全被阻焊层覆盖。（e）突出显示了柔性印刷电路板上裸露的镀金线路的横截面视图。（f）展示了同一条柔性印刷电路板线路，但此次它被覆盖膜覆盖。（g）展示了柔性印刷电路板上间距为60微米的横截面线路。（h）展示了柔性印刷电路板上类似的横截面线路，但间距为100微米。（g，h）的右侧提供了3倍数字放大图，以提高清晰度。

研究通过多维度测试验证 PCB 模具制备的微流控芯片性能，结果显示柔性 PCB 方案完全满足 POCT、细胞培养等场景需求：

• 4.1 精度验证：通道几何与表面质量

通过扫描电子显微镜（SEM）与光学显微镜观察，柔性 PCB 制备的 PDMS 通道：

• 宽度精度：60μm、100μm、250μm 设计宽度的实测值分别为 59μm、101μm、247μm，相对误差 < 3.4%；
• 表面粗糙度：通道内表面粗糙度 <±5μm Ra，虽高于光刻（10nm Ra），但远优于 SLA 3D 打印（3-10μm Ra），不影响微流体层流特性（Re 数 < 100）。
• 4.2 粘结力测试：满足微流控压力需求

采用 90° 剥离测试（适配万能试验机 MTC 100），对比 5 类基材的 PDMS – 玻璃粘结力：阻焊层覆盖 FR-4（3.20N）> 柔性 PCB（2.61N）>Kapton（2.55N）> 玻璃基准（2.88N）> 裸 FR-4（0.33N）。其中阻焊层与柔性 PCB 方案中，PDMS 均出现撕裂而非剥离，证明粘结强度超过 PDMS 本身的抗撕裂强度，可耐受微流控芯片常见的 0.1-5μL/min 流速下的流体压力。

• 4.3 生物相容性：适配细胞培养与类器官芯片

以 ARPE-19（人视网膜色素上皮细胞）为模型，通过 resazurin 法检测 7 天细胞存活率：

• 柔性 PCB（聚酰亚胺基底）PDMS：细胞存活率 96%，与无 PDMS 对照组无显著差异；
• 镀金铜层 PDMS：存活率 62%，存在轻微细胞毒性；
• Rain-X 修饰组：存活率 125%，疏水表面提升细胞附着与增殖，证明该方案可直接用于 3D 细胞培养芯片、类器官微流控芯片的研发。

一个详细的矩阵，展示了多种基底表面及其放大细节。图5. 一个详细的矩阵，展示了多种基底表面及其放大细节。顶部部分（a1–d3）呈现了一个3×4的聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道矩阵，这些通道铸造在镀锡铜导线上（a1–a3）、阻焊剂覆盖的导线上（b1–b3）以及宽度为60微米（c1–c3）和200微米（d1–d3）的镀金铜导线上，尺度为125微米和50微米，以详细展示纹理和成型不规则性。顶部部分（a1–a3）呈现了一个3×4的聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道矩阵，这些通道铸造在镀锡铜导线上（a1–a3）、阻焊剂覆盖的导线上（b1–b3）以及宽度为60微米（c1–c3）和200微米（d1–d3）的镀金铜导线上，尺度为125微米和50微米，以详细展示纹理和成型不规则性。

• 5. 应用场景拓展：从液滴发生到 POCT 诊断

（a）本图展示了一个由柔性PCB制成的工作中的十字交叉型液滴发生器。（b）由柔性PCB制成的工作中的T型液滴发生器。（c）显示十字交叉型发生器产生的液滴单分散性的直方图。（d）显示十字交叉型液滴发生器产生的液滴单分散性的直方图。（d）显示十字交叉型液滴发生器产生的液滴单分散性。由十字交叉型液滴发生器产生的液滴的单分散性。

基于 PCB 模具的微流控芯片，已在关键应用场景验证可行性，覆盖微流控芯片的核心功能需求：

• 5.1 流体控制与混合：精准层流实现

• 蛇形通道：柔性 PCB 制备的 60μm 宽蛇形通道，可实现流体无死体积传输，避免 FR-4 方案中边缘 “羽化” 导致的流速不均；
• 颜色混合器：通过控制通道几何，柔性 PCB 芯片可实现两种染料的层流分离（无对流混合），而 FR-4 芯片因通道边缘不规则，易出现湍流混合，证明其在生化反应控制中的优势。
• 5.2 液滴发生器：单分散液滴制备

采用柔性 PCB 模具制作 T 型与十字型液滴发生器，以矿物油为连续相、水性染料为分散相，在 0.1-5μL/min 流速下：

• 十字型发生器：液滴平均直径 70.18μm，标准差 3.54μm；
• T 型发生器：液滴平均直径 93.98μm，标准差 2.73μm；
• 单分散性优异（CV<5%），满足微流控液滴芯片在单细胞包裹、数字 PCR 中的应用需求。
• 5.3 POCT 与 LOAC 适配：低成本快速原型

PCB 模具的快速交付特性（FR-4 1-4 天，柔性 PCB 6-7 天）与低成本优势，可加速 LOAC 设备的原型验证，尤其适合 POCT 微流控芯片的迭代开发 —— 传统光刻模具需 7-10 天制备，而 PCB 方案可将设计 – 测试周期缩短 50%，同时将单套模具成本降低 99% 以上。

• 6. 成本与商业化价值：微流控芯片量产的新路径

对比 5 类主流微流控芯片制造技术（FR-4 PCB、柔性 PCB、塑料掩膜光刻、石英掩膜光刻、SLA 3D 打印），PCB 方案在成本与精度间实现最优平衡：

技术类型	最小特征尺寸	成本 / 表面积	生产周期	适用场景
FR-4 PCB	100μm	0.0025$/cm²	1-4 天	低成本毫流控、教学实验
柔性 PCB	60μm	0.013$/cm²	6-7 天	高精度微流控、细胞芯片
塑料掩膜光刻	2μm	3.296$/cm²	7-10 天	亚微米级研究
石英掩膜光刻	1μm	6.098$/cm²	7-10 天	超高精度 MEMS 加工
SLA 3D 打印	200-300μm	0.05$/cm²	4-6 天	快速原型、非标准结构

从商业化角度，柔性 PCB 方案可满足 80% 以上微流控应用需求（特征尺寸 > 60μm），尤其适合微流控芯片定制、微流控芯片代工等业务 —— 中小客户无需投入光刻设备，仅需提供设计文件，即可通过 PCB 厂商快速获取模具，配合 PDMS 芯片制备设备实现小批量生产，大幅降低微流控技术的应用门槛。

• 7. 结论与未来展望

研究证实，柔性 PCB 技术可作为传统光刻的低成本替代方案，实现高精度（60μm 特征尺寸）、高粘结力（2.61N 剥离力）、生物相容（96% 细胞存活率）的微流控芯片制造，且全程兼容现有微流控芯片加工设备与 PDMS 工艺。其核心价值在于：以不足 10 美元的模具成本，实现接近光刻的精度，为 POCT 诊断、器官芯片、3D 细胞培养等领域提供快速迭代工具。

未来方向可聚焦两点：一是结合微流控光刻机与 SU8 模具技术，进一步提升 PCB 模具的表面精度（目标 < 100nm Ra）；二是开发镀金层表面改性工艺，解决其细胞毒性问题，拓展至类器官芯片、肿瘤芯片等高端应用。随着 PCB 技术与微流控芯片的深度融合，有望推动微流控从实验室走向规模化量产，成为 IVD（体外诊断）行业的核心制造技术之一。

参考文献：https://doi.org/10.3390/mi15040425

Dxfluidics product ( standard PDMS chip)

本公司也可提供特性化的微流控PDMS芯片加工服务，具体详情，欢迎来电咨询+86-18112558497（同微信），邮箱:sale@dxfluidics.com

Product Code	Outline （mm）	Height （um）	Width （um）	Thickness （mm）	Chip material	Price （CNY）
K0001	45*20	50	50&100	3+1	PDMS+Glass	300
K0002	45*20	50	80&100	3+1	PDMS+Glass	300
K0003	45*20	50	50&100	3+1	PDMS+Glass	300
K0004	45*20	50	100&300	3+1	PDMS+Glass	300
K0005	45*20	50	50&100&150	3+1	PDMS+Glass	300
K0006	45*20	50	100	3+1	PDMS+Glass	300
K0007	75*25	100	100&300	3+1	PDMS+Glass	300
K0008	52*25	100	100&150&200	3+1	PDMS+Glass	300
K0009	35*24	100	100&200	3+1	PDMS+Glass	300

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