專利名稱：微型電池以及制造微型電池的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括薄膜組件的微型電池，其從第一基板開始順序形成第一集電器、第一電極、電解質、第二電極和第二集電器。本發(fā)明還涉及制造微型電池的方法。
背景技術：
微型電池也稱為“完全固態(tài)”電池，由活性的固態(tài)薄膜的堆疊形成。這樣的微型電池的工作原理基于至少一個電極中的堿性金屬離子或質子的嵌入和脫出，也稱為嵌脫。主系統(tǒng)采用鋰陽離子(Li+)作為離子物質。實際上，微型鋰電池由于它們的高質量密度、高有用能量存儲表面面積和低毒性是特別有利。
為了保護活性的微型電池堆疊，通常加以封裝以阻隔堆疊與外部接觸，由此避免任何的環(huán)境污染。微型電池具有很多工業(yè)應用，尤其是在部件的小型化和自主性需要使用尺寸更小且壽命更長的更強大蓄電池的微電子領域中。改善微型電池的性能和制造這樣微型電池的方法是電子學中的主要問題,尤其是在給諸如芯片卡、智能標簽的集成電路電子部件供電或者給內部時鐘和微型系統(tǒng)供電時。這樣的應用尤其要求所有的微型電池制造步驟要與工業(yè)微電子工藝兼容，以能夠易于將所述微型電池集成到電子器件，同時要特別避免集成電路電子部件惡化。為了適應微電子的需要，文獻中已經提供了制造微型電池的很多方法。特別是，文件US-A-20040258984和US-B-6650000提供了在諸如微機電系統(tǒng)(MEM)、發(fā)光二極管或晶體管的集成電路電子部件所使用的同一基板上形成微型電池。這些制造方法能把微型電池和集成電路集成在同一基板中。微型電池和部件的某些制造步驟是共同的。這樣的單塊方法統(tǒng)稱為〃片上系統(tǒng)〃(SOC)。SOC在同一基板上集合了通過共同整合不同部件制造步驟而集中形成的部件。因此，這樣的方法具有增加空間和促進裝置小型化的益處。此外，與外部電池供電的電子裝置相比，微型電池的集成改善了部件和微型電池的可靠性和性能，同時減少了系統(tǒng)制造成本。特別是，文件US-A-20040258984描述了根據從微電子領域借用的諸如光刻和蝕刻的技術制造微型電池的方法，該微型電池包括含有鋰的電極、氧化硅電解質(SiO2)以及對電極。文件US-A-20020093029公開了集成電路中的微型電池，其在一個或若干電子部件下相對于集成電路直接形成在互連的位置。然而，這種單塊方法因其需要非常高的技術效率和很高的生產量以分擔共同整合的成本而受到制約。此外，微型電池的尺寸，且更主要的是微型電池的結構，受到了共同整合的影響。然而，已經知曉微型電池的尺寸對微型電池固有性質有影響，并且特別是其容量上的影響。因此，該方法限制了微型電池的可能的結構和尺寸范圍。此外，文件US-A-2007275300描述了一種微型部件，其包括通過密封裝置彼此連接的第一和第二基板。該密封裝置由聚合物類型的各向異性導電膜ACF形成，即由允許相對于膜的平面而垂直導電且在膜平面中電絕緣的膜形成。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現有技術的缺陷而提供微型電池和制造微型電池的方法。特別是，本發(fā)明針對于具有良好電學性能的微型電池和制造微型電池的方法，該方法易于執(zhí)行、經濟可行且與微電子中所用的技術兼容。根據本發(fā)明，該目的這樣實現，設置薄膜組件在第一基板和第二基板之間，并且用機械連接所述第一和第二基板的焊料接合部形成第二電極。根據本發(fā)明，該目的還通過形成微型電池的方法實現，該方法包括以下步驟-在第一基板上形成薄膜的堆疊，其從第一基板開始順序包括第一集電器、第一電 極、電解質和第一金屬膜，-在第二基板的表面上形成第二集電器，以及-形成第二電極，所述形成第二電極的步驟包括通過預先沉積在第一金屬膜的接觸面上或第二集電器的接觸面上的至少一個焊球焊接第一金屬膜和第二集電器而裝配所述第一和第二基板，所述第一和第二基板在裝配期間設置為彼此面對。


通過下面對本發(fā)明特定實施例的描述，其它的優(yōu)點和特征將變得更加清楚易懂，該特定實施例僅以非限定性的示例目的給出且表示在附圖中，其中圖I至4示意性地示出了根據本發(fā)明第一具體實施例的制造微型電池方法的不同步驟的截面圖。圖5示意性地示出了根據本發(fā)明第一具體實施例的制造方法一變型的截面圖。圖6至8示意性地示出了根據本發(fā)明第二具體實施例的制造微型電池方法的不同步驟的截面圖。
具體實施例方式根據圖I至4所示的第一實施例，制造微型電池的方法包括根據任何已知方法在第一基板2上形成薄膜堆疊I。特別是，微型電池的薄膜通過傳統(tǒng)的微電子技術，尤其通過物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)，順序沉積在第一基板2上。薄膜厚度一般在
O.I μ m和10 μ m之間變化。如圖I所不，從第一基板2開始，由第一集電器3、第一電極4、電解質5和第一金屬膜6順序形成堆疊I。第一基板2傳統(tǒng)上是硅晶片或包含特定用途集成電路(ASIC)的硅晶片。第一基板2也可覆蓋有設置在第一集電器3下的鈍化膜(未示出)。該鈍化膜一般由諸如二氧化硅(SiO2)的電介質形成或者由SiO2膜和氮化硅膜(Si3N4)順序形成的雙層而形成。第一集電器3傳統(tǒng)上是金屬的，例如由鉬(Pt)、鉻(Cr)、金(Au)、鈦(Ti)、鎢(W)、鑰(Mo)、鎳(Ni)或釩(V)制造。第一電極4產生Li+離子，就是說，它包括活性鋰嵌入材料。用作第一電極4的活性材料的材料可為諸如硫化銅或二硫化銅(Cu或CuS2)、氧硫化鶴(WOySz)、二硫化鈦(TiS2),氧硫化鈦(TiOxSy)或氧化釩(VxOy)的不含鋰材料，或者為諸如混合鋰基氧化物的含鋰材料，該混合鋰基氧化物例如為鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)、五氧化鋰鑰;(LiV2O5)或鋰離子磷酸鹽(LiFePO4X電解質5由允許離子，優(yōu)選允許鋰離子Li+導電的材料形成。優(yōu)選選擇電絕緣且離子導電材料。電解質5優(yōu)選為諸如鋰磷氧氮(LiPON)或摻氮的鋰硅磷酸鹽(LiSiPON)的鋰基化合物。如圖I所示，該制造方法還包括在第二基板8的表面上形成第二集電器7的步驟。該步驟獨立于形成堆疊I的上述步驟執(zhí)行，就是說，在形成堆疊I之前或之后執(zhí)行。第二基板8不同于且獨立于第一基板2。第二基板8優(yōu)選包括旨在電連接到微型電池的至少一個電子部件9。第二基板8可與基板2 —樣由娃晶片形成,或者由包含集成電路的一個或若干電子部件的硅晶片形成。第二基板8可包括設置在第二基板8和第二集電 器7之間的鈍化膜(未示出)。然后，焊球10沉積在第二集電器7的接觸面7a上。該焊球10根據任何已知的方法形成在第二集電器7上(圖1)，以在第二基板8的表面上形成凸起或凸塊(圖I)。第二集電器7有益地顯現出對第二基板8的良好粘性，具有對于形成焊球10的材料的良好濕潤性，并具有低內部機械應力。第二集電器7優(yōu)選包括提供接觸表面7a的第二金屬膜，所述接觸表面7a具有在其上形成的焊球10。第二金屬膜有益地與第一金屬膜6不同，以避免焊球10和第二金屬膜之間的任何金屬物質的相互擴散。第二金屬膜形成金屬化膜，稱其為UBM或〃凸塊下金屬化〃，以促使焊球10粘合到第二基板8或第二基板8的鈍化膜。此外，第二金屬膜優(yōu)選形成阻擋層以防止涉及在微型電池中發(fā)生電化學反應的物質的擴散，特別是防止Li+離子。第二金屬膜優(yōu)選由選自Pt、Cr、Au、Ti、W、Mo、Ni或V及它們合金的一個或若干金屬制造。第二金屬膜可為由若干堆疊的金屬膜形成的多層，以獲得適當的機械特性。如圖I所示，第二集電器7可以僅由第二金屬膜制造。在堆疊I中，第一金屬膜6優(yōu)選由選自銅、錫和銅-錫合金的金屬制造。作為一種變型，第一金屬膜6可由金屬基膜的堆疊形成。堆疊中的膜之一提供有接觸面6a (圖I中的頂面)，該接觸面6a旨在與焊球10接觸并且由選自銅、錫和銅-錫合金的金屬制造。焊球10由與第一金屬膜6的材料不同的材料制造。焊球10由導電材料制造，該導電材料有益地選自以下材料的合金錫(Sn)、銀(Ag)、銦(In)、金(Au)和 / 或銅(Cu),優(yōu)選選自 SnAgCu> AuSn> SnCu 和 AgIn 合金。制造微型電池的方法的下一步驟是形成第二電極11。該步驟包括至少通過焊球10焊接第一基板2的第一金屬膜6和第二基板8的第二集電器7而裝配第一基板2和第二基板8。這里的〃裝配〃是指永久裝配，其機械地連接第一基板2和第二基板8。所采用的機械裝配類似于已知的倒裝片連接，其中將要連接的表面面對面裝配，而不是傳統(tǒng)配線連接的并排連接。該裝配的顯著特點在于它優(yōu)化了體積，且不需要保留第二基板8用于粘合的附加表面面積。第一基板2和第二基板8在裝配期間設置為面對面，以設置焊球10使之與第一金屬膜6接觸。因此，第二基板8的焊球10設置在第一基板2的堆疊I的前方，使焊球10設置在第一金屬膜6的前方。如圖2和3所示，在接觸的同時執(zhí)行焊球10的再熔化步驟。再熔化步驟優(yōu)選為熱處理。熱處理可通過采用再熔化爐子執(zhí)行。如圖2所示，再熔化最初導致來自焊球10和第一金屬膜6的金屬物質在它們的交界處相互擴散?！敖饘傥镔|”例如以金屬間化合物的形式表示有摻雜的或無摻雜的金屬元 素。焊球10的再熔化促使金屬物質從焊球10遷移到第一金屬膜6中。熱處理和金屬物質的遷移引發(fā)了在焊球10和第一金屬膜6之間的交界處的化學反應以形成新的金屬間化合物。如圖3所示，界面反應使在焊球10和第一金屬膜6之間的交界處形成金屬間膜，該金屬間膜隨后形成了第二電極11。因此，第二電極11在裝配步驟期間通過再熔化焊球10而形成。第二電極11由從至少一個金屬間化合物形成的焊料接合部形成，其中該至少一個金屬間化合物從焊球10和第一金屬膜6的金屬物質的相互擴散獲得。為了形成第二電極11以及第二集電器7與第二電極11之間的導電膜12，焊球10可在該裝配步驟期間部分地消耗。然后，由焊球10的與第一金屬膜6沒有發(fā)生反應的部分形成導電膜12。導電膜12由與焊球10相同的材料制造。此外，形成第二電極11的焊料接合部機械地連接第一基板2和第二基板8。因此，焊接步驟能形成第二電極11且能裝配第一基板2和第二基板8。熱處理的參數取決于第一金屬膜6、第二集電器7和焊球10的性質。特別是，溫度保持時間根據第二電極11的希望厚度決定。焊接步驟的熱處理的參數，尤其是熱處理時間，能夠控制所形成的金屬間膜的厚度。作為示例，可采用第一金屬銅膜6和由SnAgCu合金制造的焊球10。SnAgCu合金對應于已知的共晶結構，包括95. 5%的Sn、3. 8%的Ag和O. 7%的Cu，并且由分散在Sn基材中的金屬間化合物Cu6Sn5和Ag3Sn制造。熱處理可在170° C至260° C的溫度范圍下執(zhí)行，溫度保持時間在I分鐘至5分鐘之間。熱處理也可包括在170° C和260° C之間的若干溫度段。如 Fouassier 等人在文章 “Conception of a consumable copper reactionzonefor a Ni Ti/SnAgCu composite material，，( Composites, Part A 33(2002)1391-1395)所示，Sn-Cu金屬間膜通過再熔化銅膜上的SnAgCu合金而獲得。此外，Fouassier等人示出了 Sn-Cu金屬間膜的成分和厚度尤其取決于在恒定溫度下的溫度保持時間。第二電極11由焊球10和第一金屬膜6之間的相互擴散得到的至少一個金屬間銅和錫化合物制造。特別是，第二電極11由金屬間化合物Cu6Sn5和/或Cu3Sn制造，其作為微型電池電極材料呈現為活性的，并且在本領域中闡述為有希望替代傳統(tǒng)的鋰嵌入材料。實際上，在Weihua 等人的文章"Electrodeposition of Sn-Cu alloy anodesforlithium batteries〃中描述了由Sn-Cu合金制造的電極上執(zhí)行的工作。Weihua等人表示由金屬間Sn-Cu化合物制造的電極具有良好的性能，尤其是對于充電和放電能力以及循環(huán)電阻。因此，上述制造方法能獲得包括在第一基板2和第二基板8之間設置的薄膜組件的微型電池，該薄膜組件由第一基板2、第一集電器3、第一電極4、電解質5、由焊料接合部形成的第二電極11以及第二集電器7 (圖3)順序形成?！?br> 微型電池還可包括在第二電極11和第二集電器7之間的導電膜12。第二集電器7有益地由第二金屬膜形成，其能電連接第二基板8中集成的電子部件9。第二電極11保證了第一基板2和第二基板8之間的機械連接。由至少一個金屬間化合物制造的第二電極11體積膨脹小，并且保證了微型電池的機械強度。如圖4所示，接著形成第二電極11的步驟的是根據任何已知方法的封裝微型電池的步驟。微型電池由封裝膜13封裝，封裝膜13相對于形成微型電池的元件是惰性的。封裝膜13旨在密封微型電池，并且保護它不受外部污染。封裝膜13由半導體封裝樹脂制造或者由用于倒裝型連接的稱為“底部填料”的樹脂制造。封裝膜13優(yōu)選由摻雜有非晶硅顆粒的合成環(huán)氧基樹脂制造。在該類型的樹脂中包含非晶硅，提高了材料的總體硬度，降低了熱膨脹系數，并且對內部水分的形成構成較大抵抗。根據圖5所示的一變型，該制造方法與第一具體實施例的區(qū)別在于，在裝配步驟前，將焊球10設置在第一金屬膜6的接觸面接觸6a上，而不是第二集電器7的接觸面接觸7 Jn ο然后，通過設置焊球10使之與第二集電器7的接觸面7a接觸且再熔化焊球10而執(zhí)行第一基板2和第二基板8的裝配。其它的步驟與前述第一實施例的相同。根據未示出的另一個變型，微型電池包括設置在電解質5和第二電極11之間的第三電極。制造這種微型電池的方法與上述第一實施例的相同，但是最初形成的堆疊I順序包括第一基板2、第一集電器3、第一電極4、電解質5、第三電極和第一金屬膜6。根據圖6至8所示的第二實施例，制造微型電池的方法與上述第一實施例的相同，但是微型電池具有非平面的結構。如圖6所示，第一基板2是織構化的。因此，通過在第一基板2上連續(xù)沉積薄膜而形成堆疊I前，諸如溝槽的圖案在第一基板2的表面上形成。堆疊I順序包括第一基板2、第一集電器3、第一電極4、電解質5和第一金屬膜6。第一金屬膜6在堆疊I表面(圖6的頂部)形成金屬跡線以形成接觸表面6a。第二基板8包括第二集電器7，并且焊球10以與上述第一實施例相同的方式形成在接觸面7a上。如圖7所示，第二基板8的焊球10與金屬軌跡6a對準，然后與金屬軌跡6a接觸。
第一基板2和第二基板8根據與前述相同的方法通過焊接第一金屬膜6和第二集電器7而裝配。第一基板2中形成的圖案優(yōu)選通過再熔化焊球10和第一金屬膜6而填充(圖7)。如圖8所示，第二電極11在該方法的裝配步驟期間形成，然后對形成的微型電池以與第一具體實施例相同的方式封裝。非平面結構提高了微型電池的性能。第一基板2表面的紋理能夠增加電解質5與第一電極4和第二電極11之間的接觸表面面積。這樣的非平面構造促進離子交換，并且因此改善微型電池的容量。本發(fā)明不限于前述作為非限定性示例的實施例。特別是，焊接可根據任何已知方法通過若干焊球10實現。根據本發(fā)明的制造方法易于實施，并且與微電子中所實施的技術相兼容。該制造 方法一般能以很低的成本將微型電池結合在集成電路中，尤其是為這樣的集成電路的微型部件供電。與現有技術的制造方法不同，在制造方法中采用兩個基板提供了制造各種尺寸微型電池的可能并提高了與集成電路的制造步驟相兼容的可能。根據本發(fā)明的制造方法涉及的制造步驟可與基板中要集成的那些微型部件共享。此外，該制造方法能考慮共同的制造模式和若干微型電池之間的連接。此外，根據本發(fā)明的微型電池具有較高的電性能，尤其是由于基板的面對面裝配，減小了微型電池連接到微型部件的電跡線的長度，并且因此降低了噪聲和寄生信號。
權利要求
1.一種微型電池，包括薄膜組件，其從第一基板(2)開始順序形成第一集電器(3)、第一電極(4)、電解質(5)、第二電極(11)和第二集電器(7)，其特征在于，所述薄膜組件設置在該第一基板(2 )和第二基板(8 )之間，并且該第二電極(11)由焊料接合部形成且保證所述第一基板和第二基板(2、8)之間的機械連接。
2.根據權利要求I所述的微型電池，其特征在于，該第二基板(8)包括至少一個電子部件(9)。
3.一種制造微型電池的方法，其特征在于，包括以下步驟 -在第一基板(2 )上形成薄膜堆疊(I)，該薄膜堆疊(I)從該第一基板(2 )開始順序包括第一集電器(3)、第一電極(4)、電解質(5)和第一金屬膜(6), -在第二基板(8)的表面上形成第二集電器(7)，以及 -形成第二電極(11)，所述形成該第二電極(11)的步驟包括通過預先沉積在該第一金屬膜(6)的接觸面(6a)或該第二集電器(7)的接觸表面(7a)上的至少一個焊球(10)將第一金屬膜(6)和該第二集電器(7)焊接在一起而裝配所述第一和第二基板(2、8)，所述第一基板和第二基板(2、8)設置為在裝配期間彼此面對。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，該第二集電器(7)包括提供有接觸面(7a)的第二金屬膜。
5.根據權利要求3和4中任一項所述的方法，其特征在于，該第二電極(11)在該裝配期間通過再熔化該焊球(10)而形成。
6.根據權利要求3至5中任一項所述的方法，其特征在于，該第二電極(11)由來自該焊球(10)和來自該第一金屬膜(6)的金屬物質的相互擴散而得到的至少一個金屬間化合物制造。
7.根據權利要求3至6中任一項所述的方法，其特征在于，該焊球(10)在所述焊接期間部分地消耗以形成該第二電極(11)以及該第二集電器(7)和該第二電極(11)之間的導電膜(12)，所述導電膜(12)由形成該焊球(10)的材料制造。
8.根據權利要求3至7中任一項所述的方法，其特征在于，該焊球(10)由導電材料制造，該導電材料有益地選自錫、銀、銦、金和/或銅的合金，且優(yōu)選選自SnAgCu、AuSn、AgIn和SnCu合金。
9.根據權利要求3至8中任一項所述的方法,其特征在于,該第一金屬膜(6)由選自銅、錫和銅-錫合金的金屬制造。
10.根據權利要求3至9中任一項所述的方法，其特征在于，該第一金屬膜(6)由金屬基膜的堆疊制造，并且所述膜之一提供有該接觸面(6a)，該接觸面(6a)旨在與該焊球(10)接觸且由選自銅、錫和銅-錫合金的金屬制造。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，裝配該第一基板和第二基板(2、8)包括設置該焊球(10)使之與該第一金屬膜(6)接觸且通過熱處理再熔化該焊球(10)。
12.根據權利要求3至11中任一項所述的方法，其特征在于，該第一金屬膜(6)由銅制造且該焊球(10)由SnAgCu合金制造，并且該熱處理在170° C和260° C之間的溫度范圍執(zhí)行。
13.根據權利要求3至12中任一項所述的方法，其特征在于，該第二基板(8)包括至少一個電子部件(9)。
14.根據權利要求3至13中任一項所述的方法，其特征在于，接著形成該第二電極(11)的步驟的是封裝該微型電池的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及微型電池，其從第一基板(2)開始順序包括第一集電器(3)、第一電極(4)、電解質(5)、由焊料接合部組成的第二電極(11)、第二集電器(7)和第二基板(8)。本發(fā)明還涉及制造微型電池的方法，其包括以下步驟形成多層薄膜，其從第一基板(2)開始順序包括第一集電器(3)、第一電極(4)、電解質(5)和第一金屬膜；在第二基板(8)的表面上形成第二集電器(7)；以及通過將第一金屬膜和第二集電器(7)焊接在一起而形成第二電極(11)，所述基板(2、8)在裝配期間設置為彼此面對。
文檔編號H01M10/052GK102986077SQ201180030220
公開日2013年3月20日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權日2010年6月21日
發(fā)明者S.歐卡斯, N.度諾耶爾, R.薩洛特 申請人:原子能和代替能源委員會