CN102005612A - 将薄膜锂离子型电池直接封装在基板上的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于封装薄膜锂离子型电池的方法，包括下列步骤：在基板上形成活性堆，活性堆具有作为下层的阴极收集器层，阴极收集器层在比其他层的表面区域大的表面区域上方延伸；在所述结构上形成钝化层，钝化层在用来容纳阳极收集器触点和阴极收集器触点的位置处包括通孔；形成凸点下金属化的第一分离部分和第二分离部分，第一分离部分位于通孔的壁和底部上，第二分离部分覆盖钝化层；和在整个结构上形成封装层。

Description

将薄膜锂离子型电池直接封装在基板上的方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜锂离子型电池的封装方法，更具体地，涉及将这种电池直接封装在支撑它的基板上的方法。
背景技术
锂离子电池具有包含固态不易燃电解质的优点，固态不易燃电解质在宽广的温度范围上还具有良好的离子导电性。这种电池能被有利地用在移动电子装置中，如移动电话或膝上型计算机。
为了形成薄膜锂离子电池，典型地具有小于2.5×2.5cm2的尺寸的电池，利用荫罩的溅射技术的使用是已知的。这种技术包括将荫罩置于支撑件或基板上方并通过该荫罩溅射形成电池的不同的层(活性层)。
一般而言，将许多薄膜电池同时形成在同一基板上。然后，将基板切成小块，以提供被置于包装中的或被封装的独立电池或单元电池。该包装将单元电池的不同的活性层连接到在这些包装的边界处形成的连接焊盘。
图1非常示意性地表示包装或封装的单元锂离子电池。锂离子型电池的不同的活性层和接触层构成的堆12形成在基板10的一部分上。堆12例如可以通过连续进行物理气相沉积(PVD)而形成。
堆12包括第一阴极收集器层(cathode collector layer)14、第二阴极层16、形成电池电解质的第三层18、形成电池的阳极的第四层20和形成阳极收集器的第五层22。在所示的例子中，阴极收集器层14在基板10的整个表面上延伸，而堆12的其他层在较小的表面区域上延伸。这使得能在阴极收集器层14上进行接触。
基板10和堆12的组件附接到板24的表面，板24形成包装的下部。在所示的例子中，接合线26和28分别在它们的端部中的一个端部处连接到阴极收集器层14和阳极收集器层22，在它们的另一个端部处连接到板24。金属连接件(未示出)常规地设置在板24上和/或穿过板24，以将接触件26和28转接到包装外部。绝缘的钝化和封装材料30形成在基板10和堆12的组件的表面处和侧面上，以完成该结构。
应该注意，结合图1披露的包装仅仅是可用来封装锂离子型电池的许多包装的一个例子。特别地，在活性电池层和支撑件24之间利用线26/28的连接可以通过焊接凸点完成。此外，绝缘材料30可以由几个绝缘钝化层(例如，树脂)和封装层(例如，陶瓷)构成的堆形成。
在如图1的传统电池包装中，基板10占据的表面区域达到封装电池的整个表面区域的一半至四分之三之间。例如，在以LGA(岸面栅格阵列(Land Grid Array))技术形成的3×3mm2包装中，支撑电池的基板占据包装表面区域的大约66％，在以QFN(方形扁平无引脚(Quad Flat No Leads))技术形成的5×5mm2包装中，基板占据包装表面区域的大约46％。
此外，锂离子型电池的活性部分一般占据它形成于其上的基板的表面区域的四分之三。因而，单元电池的活性部分占据的表面区域比最终包装的表面区域的四分之一小。如果单元电池的尺寸减小，则电池的活性表面区域和包装表面区域之间的比进一步减小，这使得减小单元电池的尺寸的益处较小，因为封装电池的尺寸几乎没有减小。因而，当前，在3×3mm2包装中形成的锂离子型电池不能存储大于1微安培时的容量。
在包装之前，当将基板切成小块以形成独立电池时，问题出现。实际上，将基板切成小块的步骤后面一般跟着用含水化合物清洗的一个或几个步骤。在(几个)清洗操作的过程中，沉积在活性电池层上的绝缘的钝化和/或封装材料有从这些活性层移位或分离的趋势，然后这些活性层使它们自己与清洗剂接触。锂离子型电池的一部分活性层由高反应性的锂衍生物形成，这些层与含水化合物的接触被尽可能地避免。
因而，需要一种锂离子型电池的封装方法，其增大单元电池的活性表面区域与封装电池的整个表面区域之间的比，并避免上述的分离问题。
发明内容
本发明的实施例的目标是提供一种将锂离子型电池直接封装在基板水平面的方法。
本发明的实施例的另一个目标是提供一种在能被切成小块的基板上形成薄膜锂离子型电池而不改变活性电池层的方法。
因而，本发明的一实施例提供了一种用于封装薄膜锂离子型电池的方法，包括下列步骤：(a)在基板上形成活性堆，该活性堆具有作为下层的阴极收集器层，该阴极收集器层在比其他层的表面区域大的表面区域上方延伸；(b)在所述结构上形成钝化层，钝化层在用来容纳阳极收集器触点和阴极收集器触点的位置处包括通孔；(c)形成凸点下金属化的第一分离部分和第二分离部分，第一分离部分位于通孔的壁和底部上，第二分离部分覆盖钝化层；和(d)在整个结构上方形成封装层。
根据本发明的实施例，步骤(b)之前有下列步骤：在结构上形成共形的绝缘层；在绝缘层中限定通孔，以暴露阴极收集器层的至少一部分和阳极收集器层的至少一部分；在所述通孔中形成导电部分，至少一些部分在绝缘层上方延伸以形成偏移触点。
根据本发明的实施例，步骤(d)之前有以下步骤：在凸点下金属化的第一分离部分上形成焊接凸点，封装层让所述焊接凸点的表面可见。
根据本发明的实施例，步骤(d)还包括在与支撑活性堆的表面相反的基板表面上形成后部封装层。
根据本发明的实施例，该方法还包括在基板的表面形成绝缘层的最初步骤。
根据本发明的实施例，钝化层和封装层由环氧树脂构成。
根据本发明的实施例，凸点下金属化的第一分离部分和第二分离部分由第一层、第二层、第三层构成的堆形成，第一层使得能确保对下层的附着，第二层形成防止下层和第三层之间的扩散的屏障，第三层确保焊接的附着。
根据本发明的实施例，在阴极收集器层上，活性堆还包括阴极层、电解质层、阳极层和阳极收集器层，阳极层和阳极收集器层在比阴极层和电解质层的表面区域小的表面区域上方延伸。
本发明的一实施例还提供了一种封装的锂离子型电池，包括：在基板上的活性堆，其具有作为下层的阴极收集器层，阴极收集器层在比其他层的表面区域大的表面区域上方延伸；钝化层，其在活性堆上方延伸且包括通孔；用于容纳焊接凸点的金属化的第一分离部分和第二分离部分，第一分离部分在通孔的壁和底部上方延伸，第二分离部分覆盖钝化层的顶部；和封装层，其在钝化层上方延伸且被在通孔中延伸的焊接凸点穿过。
在下面的结合附图对具体实施例进行的非限制性描述中，将详细地讨论本发明的前述目标、特征和优点。
附图说明
图1先前已被描述过，其示意性地表示常规包装的锂离子型电池；
图2A至2E表示根据本发明的实施例的方法的步骤的结果；和
图3B至3D表示根据本发明的实施例的方法的变化的步骤的结果。
具体实施方式
为了清楚，在不同的附图中，相同的元件用相同的附图标记表示，此外，如通常在图像传感器的图象中那样，各个图不是按规定比例的。
为了解决上述问题中的至少一些，本发明的发明人提供了在基板上直接封装的单元电池，这些单元电池形成在基板上，并且该封装在将基板切成小块(如WMP，晶片模块包装(Wafer Molded Package)的已知技术)之前。他们还提供了单元电池的特殊封装，其避免了在切成小块过程中的分离和含水化合物在其使用过程中朝着电池的活性区域的渗透。
图2A至2E表示根据本发明的实施例的方法的步骤的结果。
在图2A中所示的步骤，它从包括基板40的结构开始，例如，诸如硅基板的半导体基板。如果需要的话，可以将例如由氧化硅制成的绝缘层42形成在基板40上。作为例子，基板40可以具有范围在500至800μm之间的厚度。
应该注意，在图中，示出了单个单元锂离子型电池。但应该懂得，通常许多电池彼此邻近地形成在同一基板上。
形成锂离子型电池的不同的层构成的堆44形成在基板40上(或绝缘层42上，如果提供了绝缘层的话)。堆44可以通过连续进行物理气相沉积(PVD)而形成。
堆44包括下面的元件：
-形成阴极收集器的第一层46。作为例子，该层可以由钛、钨、钼、钽或这些材料的合金或这些材料构成的堆构成，并且具有范围在100至500nm之间的厚度。
-形成电池阴极的第二层48，该层由诸如LiTiOS(钛锂氧硫化物)或LiCoO2(钴锂氧化物)的材料构成，这些材料具有范围在1至10μm之间的厚度。
-形成电池电解质的第三层50，该层例如由LiPON(锂磷氮氧化物)或能形成锂离子电池电解质的任何其他材料构成。第三层22具有范围在1至3μm之间的厚度。
-形成电池阳极的第四层52，该层例如由硅、锗、碳或这些材料构成的堆或这些材料的合金构成。第四层具有范围在10至800nm之间的厚度。
-形成阳极收集器的第五层54，该层例如通过低温的电解生长而形成(以避免引起由锂化合物形成的层的反应)，该层例如由铜构成。作为例子，该层可以具有范围在100至500nm之间的厚度。
因而，形成锂离子型电池的活性部分的层46至54构成的堆44可以具有范围在5至20μm之间的厚度。应该注意，在通过电解生长形成层54之前，可以在层52上形成例如由钛和铜的合金构成的、用于阳极收集器的种子层。作为例子，种子层可以具有范围在100至300nm之间的厚度。应该注意，如果形成阴极收集器层的材料能直接形成在电池阳极上，则可以省略种子层。
为了能在阳极收集器区域和阴极收集器区域上获得触点和为了避免堆44的不同的层之间的短路，这些层被设置成分阶段地形成。优选地，阴极收集器层46形成在基板40/42的整个表面上方。层48和50形成在比层46占据的表面区域小的表面区域上，并且优选地，层52至54形成在比层48和50占据的区域小的区域上。这特别能避免在阴极层48和阳极层52之间形成短路。
在图2B中所示的步骤，形成有通孔的钝化层56已经被沉积在图2A的结构上。作为例子，层56可以由环氧树脂、氧化硅、氮氧化物、氮化硅、聚酰亚胺、BCB(苯并环丁烯)......构成。在可看见阳极收集器层的位置处，一个或几个通孔58形成在阳极收集器层54上方的层56中，在可看见阴极收集器层的位置处，一个或几个通孔60形成在阴极收集器层46上方的层56中。可以通过掩模利用光刻法形成孔58和60。应该注意，在阳极收集器层和阴极收集器层的每一个上方形成几个通孔提供了更好的装置机械刚度。
在图2C中所示的步骤，凸点下金属化(UBM)的分离部分已经共形地形成在图2B的结构上。第一UBM部分62形成在孔58的底部和壁上，因而与阳极收集器层54接触。第二UBM部分64形成在孔60的底部和壁上，因而与阴极收集器层46接触。应该注意，部分62和64被设置成在钝化层56上方的孔58和60的两侧上稍微延伸。第三UBM部分66形成在钝化层56上方，在以孔58分界的钝化层的整个表面上方。不同的UBM部分之间的间隔被设置成足够地小，以覆盖钝化层56的几乎整个表面，同时在不同的UBM部分之间提供绝缘。
为了形成部分62、64和66，UBM结构例如可以形成在图2B的整个装置上方，之后可以例如通过利用树脂掩模的光刻步骤适当地蚀刻该结构。
按照惯例，每个部分62、64和66由三个层构成的堆形成，第一层提供对下层的附着，第二层形成防止下层和第三层之间的扩散的屏障，第三层提供焊接的附着并改进其可湿性。UBM堆一般由诸如钛、镍或金的材料构成。
在图2D中所示的步骤，焊接凸点68、70已经分别形成在UBM部分62、64上方。焊接凸点68和70可以通过任何已知的方法形成在图2C的结构上，并在钝化层56的孔58和60中延伸。作为例子，焊接凸点68和70可以具有范围在100至400μm之间的直径。应该注意，与图中所示的相反，常规地，焊接凸点68和70在UBM部分62和64的整个表面上方延伸。
在图2E中所示的步骤，让焊接凸点68和70的上部可见的封装层72已经形成在图2D的结构上。封装层74也形成在基板40的下表面上，以完成装置的封装。作为例子，封装层72和74可以由在电子部件的基板上的直接封装技术中常规使用的任何材料制成，例如，环氧树脂。
一旦获得图2E的结构，就切割出多个独立电池以分开使用。优选地，提供长度范围在90至150μm之间的划线。有利地，切成小块的独立电池可直接使用，封装层72和74形成这些电池的包装。因而，电池的活性表面区域和包装的整个表面区域之间的比增加(大约75％)，封装直接在基板上执行。因而，在具有3×3mm2表面区域的包装中，可以形成容量大于5μAh的电池。
此外，UBM部分66的存在使得能在独立电池被彼此切割开时，避免在电池的接触部处的树脂分离的现象。实际上，在该切成小块的过程中，UBM部分66阻止了用于切割和/或清洗的含水化合物向装置中的渗透。UBM部分66还形成了在使用电池时防止含水化合物的渗透的屏障。
图3B至3D表示图2B至2E的方法的变化的步骤的结果。
在图3B中所示的步骤，绝缘层80已经共形地形成在图2A的结构上。作为例子，层80可以由低温氧化物或氮化物(LTO-LTN)构成。然后在阴极收集器层和阳极收集器层上的所需触点的水平面处的绝缘层80中形成一个或几个通孔。在所示的例子中，在阴极收集器层46上方的绝缘钝化层80中形成两个通孔，在阳极收集器层54上方形成两个另外的孔。
一旦在层80中形成通孔，就在这些孔中形成导电部分，导电部分可以在绝缘层80上方延伸，以便随后在该结构上形成偏移触点。
第一导电部分82能使阳极触点朝着堆44的外部偏移。导电区域82与钝化层80内的孔的水平面处的阳极收集器层54接触，并在该结构上方一直向远离堆44的部分延伸，例如在形成于阴极收集器层46上的钝化层80的一部分上方延伸。
第二导电部分84形成在位于阴极收集器层46上方的绝缘层80中的孔的水平面处。在所示的例子中，第二导电部分84实际上形成与阴极收集器层46接触的简单的焊盘。应该注意，这些焊盘可以在绝缘层80上方延伸，以使得能在装置上的所需位置处形成触点。
作为例子，可以通过种子层的共形的满板沉积，接着通过例如利用光刻法形成的树脂所限定的例如铜的局部电解生长来形成导电部分82和84。
在图3C中所示的步骤，形成有通孔的钝化层86已经沉积在图3B的结构上方。例如，钝化层86可以由环氧树脂、氧化硅、氮氧化物、氮化硅、聚酰亚胺、BCB......构成。一个或几个通孔88形成在阴极收集器层46上方的层86中，并且一个或几个通孔(在图3D中未示出)形成在导电部分82的延伸部分上方的层86中。
然后，凸点下金属化UBM的多个部分形成在该结构上。第一UBM部分(未示出)形成在导电部分82的延伸部分上方的层86的孔的底部和壁上，因而通过部分82与阳极收集器层接触。第二UBM部分90形成在孔88的底部和壁上，因而与阴极收集器层46接触。应该注意，部分90被设置成在钝化层86上方的孔88的两侧上稍微延伸。
第三UBM部分92形成在钝化层86上方，在以孔90分界的钝化层的表面上方。因而，钝化层86的几乎整个表面被UBM堆覆盖，不同的UBM部分之间的间隔足以使这些不同的部分彼此隔离。
为了形成UBM部分90和92，可以例如遍及图3B的装置形成UBM结构，之后可以蚀刻该结构。
在图3D中所示的步骤，焊接凸点94已经形成在UBM部分90上方，并且焊接凸点(未示出)已经形成在与电池的阳极收集器接触的触点的UBM部分上方。焊接凸点94可以通过任何已知方法形成在结构上，并且作为例子，具有范围在100至400μm之间的直径。
然后，用封装层96覆盖该结构，封装层96让凸点94的上部可以看见。封装层98也形成在基板40的下表面上，以完成装置的包装。作为例子，封装层96和98可以由在电子部件的基板上的直接封装电子部件的技术中常规使用的任何其他材料制成，例如，环氧树脂。
一旦获得图3D的结构，就切割出多个单元电池来独立使用。如在图2E的结构的情况中那样，封装直接在基板上执行，电池的活性表面区域和包装的整个表面区域之间的比增加。此外，UBM部分92的存在能在将电池切割成独立电池的过程中和在使用装置时避免与电池接触的树脂钝化层86的分离现象。
此外，结合图3B至3D描述的方法具有形成一种封装的单元电池的优点，在该封装的单元电池中，没有焊接凸点形成在电池的活性层构成的堆前方。这能在封装的单元电池的使用过程中避免这个堆的沉积和电池的降解。
已经描述了本发明的具体实施例，所属技术领域的技术人员将想到各种变化和修改。特别地，应该注意，用来形成电池的活性堆的材料可以不同于在上面提及的那些，即，可以是能形成薄膜锂离子型电池的任何已知材料。对于形成钝化层和封装层的材料，同样如此。

Claims (9)

1.一种用于封装薄膜锂离子型电池的方法，包括下列步骤：
(a)在基板(40)上形成活性堆(44)，该活性堆具有作为下层的阴极收集器层(46)，所述阴极收集器层在比其他层(48，50，52，54)的表面区域大的表面区域上方延伸；
(b)在所述结构上形成钝化层(56，86)，所述钝化层包括通孔(58，60，88)，所述通孔位于用来容纳阳极收集器触点和阴极收集器触点的位置处；
(c)形成凸点下金属化的第一分离部分和第二分离部分，所述第一分离部分(62，64，90)位于所述通孔的壁和底部上，所述第二分离部分(66，92)覆盖所述钝化层；和
(d)在整个结构上方形成封装层(72，96)。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(b)之前有下列步骤：
在所述结构上形成共形的绝缘层(80)；
在所述绝缘层(80)中限定通孔，以暴露所述阴极收集器层(46)的至少一部分和阳极收集器层(54)的至少一部分；
在所述通孔中形成导电部分(84)，至少一些部分在所述绝缘层上方延伸以形成偏移触点。
3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(d)之前有以下步骤：在所述凸点下金属化的第一分离部分(62，64，90)上形成焊接凸点(68，70，94)，所述封装层(72，96)让所述焊接凸点的表面可见。
4.如权利要求1所述的方法，其中步骤(d)还包括在与支撑所述活性堆的表面相反的基板表面上形成后部封装层(74，98)。
5.如权利要求1所述的方法，还包括在所述基板(40)的表面形成绝缘层(42)的最初步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述钝化层(56，86)和所述封装层(72，96)由环氧树脂构成。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述凸点下金属化的第一分离部分和第二分离部分(62，64，66，90，92)由第一层、第二层和第三层构成的堆形成，所述第一层能确保对所述下层的附着，所述第二层形成防止所述下层和所述第三层之间的扩散的屏障，所述第三层确保焊接的附着。
8.如权利要求1所述的方法，其中在所述阴极收集器层(46)上，所述活性堆(44)还包括阴极层(48)、电解质层(50)、阳极层(52)和阳极收集器层(54)，所述阳极层和所述阳极收集器层在比所述阴极层和所述电解质层的表面区域小的表面区域上方延伸。
9.一种封装的锂离子型电池，包括：
位于基板(40)上的活性堆(44)，该活性堆具有作为下层的阴极收集器层(46)，所述阴极收集器层在比其他层的表面区域大的表面区域上方延伸；
钝化层(56，86)，其在所述活性堆上方延伸且包括通孔(58，60，88)；
用于容纳焊接凸点的金属化的第一分离部分和第二分离部分，所述第一分离部分(62，64，90)在所述通孔的壁和底部上方延伸，所述第二分离部分(66，92)覆盖所述钝化层的顶部；和
封装层(72，96)，其在所述钝化层上方延伸且被在所述通孔中延伸的焊接凸点(68，70，94)穿过。
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